Comme pour l’extraction agitée au niveau laboratoire, la concentration des extraits à l’issu de la centrifugation ou de la filtration centrifuge permet de réduire le volume de ces derniers afin de minimiser la consommation en éthanol lors de l’étape de la précipitation alcoolique, étape qui peut être remplacée par une atomisation ou une lyophilisation.
Deux méthodes différentes, l’évaporation sous pression réduite et l’ultrafiltration, ont été testées afin de comparer la composition des poudres hémicellulosiques finales produites au niveau de leurs puretés et leurs compositions en oses.
V.1. Evaporation sous pression réduite
L’évaporation sous pression réduite des extraits consiste à concentrer ces extraits en évaporant l’eau qui dilue la solution extractante d’hydroxyde de sodium par chauffage à 40 C sous vide à une pression de 0,09 bar. La mise sous vide du réacteur « Tournaire » utilisé pour cette étape permet d’évaporer l’eau, par distillation, à une température inférieure à sa température d’ébullition normale. Ceci a pour avantage de ne pas nuire aux molécules extraites, notamment les hémicelluloses et ne pas dégrader leurs chaînes xylaniques pour ne pas modifier leurs propriétés rhéologiques et viscosifiantes.
V.2. Ultrafiltration et purification
Le même type de membrane utilisé pour le traitement des extraits obtenus à l’échelle laboratoire a été utilisé afin de concentrer et de purifier les extraits obtenus à l’issu de la centrifugation et de la filtration centrifuge. Il s’agit d’une membrane de 30 kDa en polyéthersulfone dans un module en fibres creuses.
L’ultrafiltration est appliquée en mode concentration, le rétentat est recyclé dans la cuve d’alimentation afin de ne pas épuiser la solution et le perméat est éliminé au fur et à la mesure de la concentration dans un récipient différent. L’objectif est d’atteindre un « Facteur de Concentration Massique » de 2, c'est-à-dire d’avoir une concentration des extraits alcalins 2 fois supérieure à leurs concentrations initiales en matières.
Au cours de la concentration, fonctionnant à pression constante (1,4 bar), à vitesse tangentielle constante (0,8 m/s) et à débit d’alimentation constant (20 kg/h), l’évolution du flux des perméats est étudié (Figure 72). Ces flux diminuent au cours du temps pour les deux types d’extraits (Extrait à l’issu de la Centrifugation et Extrait à l’issu de la Filtration Centrifuge). La diminution est rapide pendant les 20 premières minutes, mais semble se réduire après 60 minutes de filtration.
Néanmoins, le profil d’évolution n’est pas le même. Dans le cas de l’Extrait Centrifugation, la décroissance est plus rapide au début, mais une stabilisation commence à apparaître au-delà de 40 minutes de filtration. Dans le cas de l’Extrait Filtration centrifuge, la décroissance est plus régulière et les valeurs des flux sont plus élevées. La différence entre les deux profils
peut provenir d’une composition de matière en suspension (non dosée), différente selon les conditions de séparation Liquide/Solide.
0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 Fl u x d e s p e rm é at s (k g/ h .m 2) Temps (min)
UF Extrait Centrifugation UF Extrait Filtration Centrifuge
Figure 72 : Evolution des flux des perméats en fonction du temps de concentration par ultrafiltration (UF) des extraits à l’issu de la centrifugation et de la filtration centrifuge, T= 20°C
V.3. Rendements de l’étape – Composition des extraits évaporés, des rétentats et des perméats
Après concentration des extraits, les rendements de récupération en pourcentage de matière de l’évaporation, ainsi que de l’ultrafiltration pour les deux types des extraits (Extrait Centrifugation et Extrait Filtration Centrifuge) sont très comparables (Tableau 32).
Rendements en
%MS(1) Rendements en %MM(1) Rendements en %MO(1)
Evaporation Extrait Centrifugation 96,4 98,8 91,2
Ultrafiltration Extrait Centrifugation
(Rétentat) 71,6 57,3 82,3
Ultrafiltration Extrait Centrifugation
(Perméat) 24,1 42,8 10,1
Evaporation Extrait Filtration Centrifuge 96,1 99,0 95,7
Ultrafiltration Extrait Filtration Centrifuge
(Rétentat) 74,5 61,3 84,0
Ultrafiltration Extrait Filtration Centrifuge
(Perméat) 25,1 45,5 10,6
Tableau 32 : Rendements de récupération de matières après l’étape de concentration par évaporation et ultrafiltration,
(1) Les rendements en % de matières sont exprimés en fonction de matières présentes dans les extraits obtenus
L’évaporation permet de récupérer toutes les matières dans un seul type de solution qu’est l’extrait évaporé étant donné que cette technique élimine uniquement l’eau diluant la solution extractante par distillation. Les légères pertes, dans ce cas, sont principalement liées à la matière organique restée bloquée dans la cuve du réacteur.
L’ultrafiltration, quant à elle, permet de récupérer les matières introduites dans deux types de solution : le rétentat et le perméat, ce qui a pour avantage d’éliminer, dans le perméat, une certaine quantité de molécules contaminates qui peuvent traverser les pores de la membrane d’ultrafiltration du fait de leurs faibles poids moléculaires.
L’impact de deux techniques de concentration est bien visible au niveau de la composition différente des extraits hémicellulosiques obtenus (Figure 73).
Rappelons que la matière organique de l’extrait alcalin hémicellulosique à l’issu de l’extrusion est majoritairement constitué d’hémicelluloses (68,1%), donc pour faciliter les interprétations par la suite, seule la matière organique est étudiée sans être fragmenter en termes d’hémicelluloses, protéines et lignine, l’étude de cette matière est complétée par les études de matières sèches et minérales.
Après centrifugation, la concentration par évaporation de l’extrait alcalin augmente le pourcentage de matière sèche de 2,4% à 5,7%, et donc concentre l’extrait un peu plus que 2 fois. Cette matière sèche contient 44% de matière minérale et 53,9% de matière organique. L’ultrafiltration, quant à elle, l’augmente seulement à 3,5%, même si elle a permis d’atteindre un facteur de concentration massique de 2,1. Cette matière sèche est récupérée dans le rétentat et constituée de 34,3% de matière minérale et 65,6% de matière organique, le reste de matière sèche (1,2%) est récupéré dans le perméat et composée de 76,1% de matière minérale et de 23,8% de matière organique.
De même, après filtration centrifuge, la concentration par évaporation fait augmenter le pourcentage en matière sèche de 2,6% à 4,8% et donc permet de concentrer l’extrait alcalin d’un facteur de 2. Cette matière est composée de 41,5% de matière minérale et de 56,4% de matière organique. L’ultrafiltration permet d’atteindre un facteur de concentration massique de 1,9 et de récupérer 3,9% de matière sèche, composée de 34,2% de matière minérale et de 65,7% de matière organique dans le rétentat, ainsi que 1,2% de matière sèche, composée de 75,2% de matière minérale et de 24,8% de matière organique dans le perméat.
D’après ces études, l’ultrafiltration, en plus de la concentration des extraits, a l’avantage par rapport à l’évaporation, de purifier ces extraits en éliminant une bonne partie des molécules contaminantes dans le perméat, ces molécules peuvent être co-extraites avec les hémicelluloses ou bien issues de la dégradation de certaines molécules de haut poids moléculaires. Comme dans le cas de l’ultrafiltration à l’échelle laboratoire, le perméat contient essentiellement des sucres libres et des sels minéraux. Le pourcentage d’élimination du total des molécules organiques atteint 21,1% dans le cas de l’ultrafiltration de l’extrait à
filtration centrifuge. Le pourcentage d’élimination des sels minéraux est de 45% dans le premier cas et de 40,1% dans le deuxième cas.
0 10 20 30 40 50 60 70 Evaporation Extrait Centrifugation UF Extrait Centrifugation (Rétentat) UF Extrait Centrifugation (Perméat) Evaporation Extrait Filtration Centrifuge UF Extrait Filtration Centrifuge (Rétentat) UF Extrait Filtration Centrifuge (Perméat) C onc e nt ra ti on (k g/ m 3)
Matière Sèche Matière Minérale Matière Organique
Figure 73 : Composition en matières sèche, minérale et organique des extraits concentrés par évaporation et ultrafiltration
A noter que, contrairement aux essais à l’échelle laboratoire, l’ultrafiltration à l’échelle pilote permet d’obtenir des rendements de récupération en matière organique nettement plus élevés. Ceci peut être expliqué par le fait que le volume des extraits filtrés (batch de 20 litres) sont largement supérieurs au volume mort de l’installation (0,5 litre).