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L’objectif de ce travail de thèse a été de mettre au point et de développer une technique d’extraction dite « verte » d’huile algale pour la production de biocarburant de nouvelle génération. Afin de répondre à cet objectif, trois démarches ont été fixées :
1. Montrer la capacité des solvants terpéniques à extraire les lipides marins à partir d’une biomasse sèche à l’aide d’une méthode existante,
2. Développer une technique d’extraction permettant l’extraction des lipides à l’aide de solvants terpéniques à partir d’une biomasse humide,
3. Intensifier et optimiser l’extraction des lipides sur une biomasse humide assistée par micro-ondes
En tout premier lieu, un état de l’art sur la filière micro-algues a été réalisé. Il a permis de mettre en évidence la biodiversité des micro-algues qui constitue un réel potentiel exploitable pour l’Industrie. Extrêmement riches en vitamines, lipides, protéines, sucres, pigments et antioxydants, elles sont aujourd’hui utilisées dans de nombreux secteurs (compléments alimentaires, cosmétiques, aquaculture, etc…). Grâce à leurs performances biologiques, elles devraient, dans un avenir proche, être au cœur des nouveaux projets énergétiques et environnementaux de la planète.
Cependant, cet état de l’art a également permis de mettre en évidence des lacunes dans cette filière et plus spécifiquement dans le domaine de l’extraction des lipides de micro-algues pour une application biocarburant. Les procédés d’extraction de lipides actuels demandent une consommation énergétique importante et ont souvent recours à des solvants pétrochimiques.
La première partie de ce travail (chapitre 3) a montré l’efficacité des solvants terpéniques pour l’extraction des lipides issus de micro-algues. La capacité de ces solvants a été testé vis-à-vis du n-hexane à l’aide d’une technique d’extraction de référence pour l’extraction des lipides: le Soxhlet. Ainsi, l’innovation de cette méthode repose sur le fait que l’extraction est réalisée avec des solvants « verts » en évitant l’utilisation de solvants organiques toxiques pour la santé humaine et l’environnement. L’efficacité de ces solvants alternatifs pour l’extraction des lipides provenant de Chlorella vulgaris sèche a pu être montrée avec des rendements lipidiques similaires au Soxhlet n-hexane. Cependant, en comparaison avec les résultats obtenus avec le « Bligh and Dyer » (méthode d’extraction des lipides marins de référence), les rendements lipidiques restent inférieurs autant pour les solvants terpéniques que pour le n-hexane avec des dégradations notamment au niveau des acides gras
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polyinsaturés. Ainsi, la technique en elle-même et l’étape de séchage apparait comme une étape limitante au niveau de la diffusion du solvant dans la cellule à partir d’une biomasse micro-algale.
Pour aller plus loin dans l’étude, la seconde partie de ce travail (chapitre 4) a consisté à mettre en œuvre une technique innovante d’extraction « verte » à partir d’une biomasse humide (sans séchage de la biomasse). Un appareillage de laboratoire nommé SDEP (Simultaneous Distillation and Extraction Process) a été développé, permettant d’extraire les lipides de la « pâte algale » (80% d’humidité) à l’aide de solvants terpéniques (d-limonène, α-pinène et p-cymène). Cette nouvelle méthode a été comparée tout au long de son évolution aux techniques conventionnelles d’extraction des lipides : le Soxhlet et la méthode Bligh and Dyer. Ce nouveau dispositif permet de porter à ébullition, le solvant terpénique en question ainsi que la pâte algale à plus de 80% d’humidité, et par distillation azéotropique de combiner la phase de séchage et la phase d’extraction des lipides. Cette méthode permet d’obtenir des résultats quantitativement (rendement en lipides) et qualitativement (répartition des classes de lipides et profils d’acides gras) équivalents au Bligh and Dyer. Ainsi, cette nouvelle technique a l’avantage de s’affranchir de l’étape préalable de séchage de la biomasse, d’obtenir des extraits lipidiques comparables au Bligh and Dyer mais également de combiner trois étapes (séchage, extraction et élimination du solvant) en un seul dispositif. Par ailleurs, elle met en jeu des agrosolvants, fabriqués à partir de matière première renouvelable, qui constituent une voie potentielle de substitution aux solvants d’origine pétrochimique. Cependant, cette nouvelle technique d’extraction requiert des temps de process (séchage, extraction, élimination du solvant) assez long de l’ordre de 2h.
Ainsi, pour la troisième et dernière partie de cette thèse (chapitre 5), l’intensification et l’optimisation de ce nouveau dispositif d’extraction (SDEP) à l’aide des micro-ondes a été développé. L’utilisation combinée de la température et de la puissance micro-ondes afin d’accélérer la diffusion du solvant dans les cellules et également la diffusion des lipides de la biomasse riche en eau vers l’extérieur (solvant environnant) a été étudiée. La méthode développée à partir du Dunaliella salina a été optimisé en établissant une étude de la puissance tout en gardant les mêmes proportions solvant/biomasse que pour le SDEP conventionnel. Avec une intensification par les micro-ondes du procédé, la durée d’extraction a pu être réduite à 10 min tout en atteignant des rendements lipidiques équivalents à ceux obtenus par chauffage conventionnel pendant 2h. Par ailleurs, les analyses CPG et HPTLC ont
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montré que les micro-ondes ont peu modifié la composition en acides gras ainsi que la réparation des différentes classes de lipides dans les extraits et semblent avoir favorisé l’extraction des triglycérides par rapport au SDEP conventionnel.
Le SDEP assisté par ondes permet donc une extraction des lipides de micro-algues simple, rapide et efficace. Le chauffage sélectif et volumétrique au cœur de la pâte algale apporté par les micro-ondes nous a permis d’exploiter un nouveau dispositif d’extraction à travers une énergie innovante et efficace. La technique permet de réduire considérablement les temps d’extraction sans altérer la composition des extraits. De plus, cette méthode fait un pas en direction des économies d’énergies et du développement durable : recyclage du solvant, diminution de la consommation énergétique et possibilité d’utiliser un solvant « vert ».
Les résultats obtenus pendant ce travail de thèse soulèvent plusieurs questions et donc certaines orientations futures de recherche :
1. Evaluer l’extraction SDEP assisté par micro-ondes à différents taux d’humidité de la biomasse afin de déterminer le seuil minimal et maximal d’humidité
2. Evaluer l’efficacité de l’extraction SDEP assisté par micro-ondes sur d’autres composés valorisables dans la micro-algue comme par exemple les pigments et notamment le β-carotène pour D. salina
3. Tester une technique de déstructuration cellulaire qui n’implique aucun chauffage de la biomasse comme les ultrasons en association avec un solvant terpénique (p-cymène meilleur candidat pour l’extraction des TAG) ou avec un autre solvant alternatif.