Critères de sélection

La sélection d’un solvant d’extraction repose sur plusieurs critères :

- Des propriétés physico-chimiques (viscosité, tension superficielle, température d’ébullition) importantes pour le dimensionnement du procédé,

- L’efficacité du solvant pour l’extraction des molécules cibles,

- La dangerosité afin de réduire autant que possible l’impact du procédé sur l’environnement et sur la santé humaine,

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III.3.1.1. Critères physico-chimiques

Les critères physico-chimiques présentés dans le Tableau III-5 permettent de définir un solvant avec des propriétés limitant les contraintes de dimensionnement.

Tableau III-5 : Critères physico-chimiques de sélection de solvants

Critères physico-chimiques Valeurs (unités)

Viscosité dynamique < 5 (cP)

Tension interfaciale Entre 5 et 25 (mN/m)

Température d’ébullition > 60°C

Hydrosolubilité < 100 g / kg

La tension interfaciale doit être suffisamment importante pour garantir la coalescence des émulsions et suffisamment faible pour permettre la dispersion d’une phase dans l’autre afin de garantir les transferts de matières pour atteindre les équilibres liquide-liquide. Une viscosité dynamique faible favorise le transport du produit, notamment en réduisant les pertes de charges. Cela permet également d’avoir des coefficients de transfert de matière élevés. La température d’ébullition doit être suffisamment élevée pour limiter les pertes de solvant par évaporation, qui représentent un danger industriel et humain. Une solubilité avec le liquide d’alimentation inférieure à 10% permet de garantir la démixtion du mélange, de limiter la perte en solvant et d’obtenir des coefficients de partage élevés lors des équilibres liquide- liquide. Ici, les solvants sont utilisés pour extraire des composés en phase aqueuse donc l’hydrosolubilité sera prise en considération. Ces critères physico-chimiques sont obtenus par des mesures expérimentales et sont disponibles dans la littérature pour de nombreux solvants.

III.3.1.2. Dangerosité

L’un des objectifs du développement des bioraffineries est de limiter l’impact de l’utilisation des carburants sur la santé et sur l’environnement. Par soucis de cohérence avec la philosophie de ce projet, des critères de dangerosité du procédé de bioraffinage doivent être pris en compte (toxicité, impact environnemental…). La classification de la dangerosité des produits est normée et internationale, à l’aide du système GHS (Globally Harmonized System) [29]. Il y a 9 classes de dangerosité, et les solvants peuvent être concernés par 6 d’entre elles : inflammabilité, corrosivité, toxicité aigüe, irritant, CMR (Cancérigène, Mutagène, Reprotoxique), dangerosité pour l’environnement.

Pour chaque classe, il existe plusieurs catégories de dangerosité qui sont répertoriées en Annexe C. Une description des différentes classes de dangerosité est présentée dans le Tableau III-6 [29].

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Tableau III-6 : Catégorie de dangerosité des solvants

Code Sigle Nom Description

SGH02 Inflammable -

SGH05 Corrosif Corrosif pour les métaux ou pour la

peau

SGH06 Toxique Toxicité aigüe, Rend SGH07 facultatif

SGH07 Toxique, Irritant, Sensibilisant,

Narcotique -

SGH08 Cancérigène, Mutagène,

Reprotoxique (CMR)

Risques présumés ou avérés, pour expositions unique ou répétées

SGH09 Danger pour l'environnement Milieu aquatique ou couche d'ozone

Un système de notation de la dangerosité a été mis en place afin de pouvoir classer les solvants. Pour chacune des classes de dangerosité un certain nombre de points est attribué en fonction de la catégorie, et la note globale de dangerosité du solvant est la somme des points obtenus dans chacune des classes. Le Tableau III-7 explicite la notation choisie.

Tableau III-7 : Notation de la toxicité et de la dangerosité des solvants

Code Catégorie 1 Catégorie 2 Catégorie 3 Catégorie 4 Catégorie 5

SGH02 1 0,5 0 0 - SGH05 2 - - - - SGH06 3 3 2 - - SGH07 1 0,5 0,5 0,5 0,5 SGH08 2 2 - - - SGH09 3 3 2 2 -

Par exemple l’acétate d’amyle est un liquide très inflammable (SGH02 catégorie 2), provoque des irritations de la peau et des yeux (SGH07 catégorie 2), et cause des dommages aux organes suite à une exposition prolongée ou répétée (SGH08 catégorie 1). Son « score de toxicité » sera donc 3 (=0,5+0,5+2).

Ce choix de notation a été réalisé afin d’éviter notamment les composés ayant un impact irréversible sur la santé ou sur l’environnement. Une note de maximale a été attribuée aux composés ayant une toxicité aigüe (SGH06) et ayant un impact environnemental néfaste (SGH09). Pour les composés appartenant aux catégories 1 et 2 de la classe SGH06, les effets peuvent être mortels, la note est donc

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plus élevée que pour la catégorie 3. Dans la classe SGH09, une différenciation et faite entre les composés nuisibles pour l’environnement (catégories 3 et 4) et les composés toxiques pour l’environnement (catégories 1 et 2). Les composés de la classe SGH05 ont une note inférieure car leurs effets sur la santé humaine ne sont pas mortels et leurs effets sur les matériaux relèvent d'une problématique économique. Les composés de la classe SGH08 ont également une note de 2 car leurs effets néfastes sur la santé humaine apparaissent après une exposition prolongée ou répétée. Les composés des classes SGH02 et SGH05 (inflammables et irritants) ont une note encore inférieure car leurs effets sont moins néfastes.

Ce système de notation a été créé pour être utilisé dans le cadre de cette étude pour le classement des solvants par dangerosité, il peut être amené à être modifié.

III.3.1.3. Aspects économiques

Le prix d’un solvant est évidemment un critère déterminant pour l’optimisation économique des procédés de séparation. Le prix de vente industriel des solvants les plus courants peut être obtenu dans la littérature, cependant, ce n’est pas le cas de la plupart des solvants considérés. Afin de pouvoir comparer le prix des solvants et d’effectuer un classement, les prix de vente sur la plateforme de vente de produits chimiques Sigma Aldrich ont été considérés [30]. Ces valeurs sont très éloignées des prix pouvant être obtenus à l’échelle industrielle mais donnent une première approximation pour le classement de prix dans le cadre du screening de solvants.

III.3.1.4. L’efficacité

III.3.1.4.1. Coefficient de partage

Le coefficient de partage est le rapport de la concentration massique du soluté dans la phase organique et de sa concentration massique dans la phase aqueuse. Il détermine la capacité d’extraction du solvant. Plus il est grand, plus la proportion relative de soluté dans l’extrait est importante et donc plus le soluté sera facilement extrait (nombre d’étages, débit de solvant…).

(3)

III.3.1.4.2. Sélectivité

La sélectivité d’un solvant pour séparer un composé d’un composé 𝑗 est le rapport du coefficient de partage du composé et du coefficient de partage du composé 𝑗. La sélectivité est analogue à la volatilité relative en distillation. Plus la sélectivité est proche de 1 plus la séparation est difficile.

(4)

III.3.1.4.3. Perte en solvant

La perte en solvant est la concentration de solvant dans le résidu. L’objectif est de minimiser cette perte pour que le recyclage du solvant soit le plus efficace possible et que l’appoint en solvant

/𝑗 = 𝑜 𝑔 𝑗𝑜 𝑔 𝑎 𝑗 𝑎 = _𝑗

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nécessaire pour la séparation soit minimisé. Ce critère est lié à l’hydrosolubilité du solvant (dans le cas où il s’agit d’extraire une molécule en phase aqueuse).

(5)

III.3.1.4.4. Volatilité relative

La volatilité relative du solvant et des solutés extraits doit être la plus grande possible afin de faciliter la régénération du solvant par distillation.

𝛼

(6)

L’acquisition de ces critères d’efficacité nécessitent des données expérimentales, et de fait un travail qui peut être long et couteux, surtout si le nombre de couple solvant/soluté est important. Certains modèles thermodynamiques peuvent nous fournir une estimation de ces paramètres. Cela va permettre d’avoir un classement préliminaire de l’efficacité des solvants et d’identifier les systèmes pour lesquels un travail expérimental est nécessaire.

III.3.1.5. Méthode de sélection

L’objectif du screening de solvant est de sélectionner un solvant adapté à un schéma de procédé. Les critères physico-chimiques détaillés précédemment doivent impérativement être respectés et une base de données a été créée avec les solvants respectant ces critères. Il est ensuite nécessaire de trouver un compromis entre les critères d’efficacité, les critères de dangerosité et le critère économique. La Figure III-20 représente la méthode de screening de solvants.

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