II.3 Essais de type batch
II.3.3 Essais de concentration
Bien souvent, dans les opérations d’extraction solide-liquide, les ratios L/S sont tels que le solvant n’est jamais saturé en soluté. Si l’on se préoccupe maintenant de développer des procé- dés plus économes en solvant, il peut s’avérer important de quantifier les limites de solubilité en soluté et donc de déterminer la concentration d’équilibre. Pour cela, nous avons opéré avec du solvant qui se concentre progressivement au fur et à mesure de contacts successifs avec des charges de plante fraîche. Nous avons recherché aussi à simuler ces essais de concentration du solvant.
II.3.3.1 Méthode opératoire
Les extractions ont lieu dans un réacteur batch de 2 L, avec un agitateur mécanique. Les batchs durent 1 h et sont effectués à température ambiante. Le solvant est un mélange métha- nol/eau 90/10 v/v. On garde un ratio L/S de 10 afin de conserver une bonne agitation du milieu tout au long de l’essai car la viscosité de la solution augmente avec la charge en ballast. La séparation solide-liquide entre chaque batch se fait sur büchner sans filtre par gravitation. On n’utilise pas le vide afin de ne pas évaporer le méthanol. Après chaque séparation, un échantillon de liquide est prélevé puis analysé par dosage HPLC.
Lors du premier essai, les masses de solide sont préalablement pré-imprégnées par du solvant frais, le volume correspond à 1,5 fois la masse pesée. Au second essai, le solide est introduit sec dans le jus d’extraction, celui-ci diminue donc au cours du temps.
II.3.3.2 Résultats et commentaires
La figure II.11 représente la concentration des jus lors du premier essai. La droite correspond aux évolutions calculées à partir d’un bilan matière. Ce calcul ne tient pas compte de la satura- tion des jus et suppose que 70 % du soluté est récupéré à chaque batch. A partir d’une certaine concentration, le transfert du soluté est ralenti car le potentiel d’échange entre la particule solide et le solvant est plus faible qu’initialement.
Ces résultats montrent que la pré-imprégnation avec du solvant frais entraîne une stabilisa- tion rapide de la concentration des jus empêchant d’atteindre la saturation de la solution. Le solvant frais ajouté au moment de l’imprégnation dilue la solution des jus. La quantité de soluté extraite permet juste de revenir à la concentration initiale. De plus ce lot de plante présente un potentiel plante anormalement bas. Il est de 850 mg/kg FV pour la vindoline alors que la moyenne est de 2000 mg/kg FV.
Fig. II.11 – Évolution de la teneur en soluté lors de la concentration avec pré-imprégnation
Un second essai a donc été effectué sans ajout de solvant pour l’imprégnation de la plante avant l’extraction. Le potentiel plante a été vérifié au préalable pour s’assurer d’être en présence d’un lot représentatif des lots couramment extraits. Il est de 2140 mg/kg FV pour la vindoline et de 810 mg/kg FV pour la catharanthine. Le pourcentage d’extraction au cours du premier batch, obtenu lors de la détermination du potentiel plante, est de 70 %.
L’évolution de la concentration en fonction du nombre de contacts est représentée sur la figure II.12. Les points sont les valeurs expérimentales obtenues par dosage HPLC. La droite représente toujours la concentration calculée à partir du bilan matière.
Fig. II.12 – Évolution de la teneur en soluté lors de la concentration sans pré-imprégnation On constate que les concentrations sont beaucoup plus importantes que celles obtenues précé- demment. On atteint 90 mg%mL. On constate qu’à partir du 6`emebatch les points expérimentaux
se décrochent de la droite calculée, l’écart est déjà de 20 %. Les concentrations continuent tout de même à augmenter. On n’observe aucune stabilisation qui pourait être synonyme de saturation
des jus.
Cette diminution de quantité extraite peut être reliée à la diminution du potentiel d’échange entre le solide et le jus. On calcule (Equ. II.3.1) qu’à l’équilibre entre le solide et le volume d’imprégnation avec du solvant frais, la concentration théorique maximale est de 143 mg%mL pour la vindoline. A cette teneur le potentiel d’échange est nul entre le jus et de la plante fraîche. Au niveau du 5`eme batch, la concentration est de 66,5 mg%mL pour la vindoline, soit
pratiquement la moitié de la concentration théorique maximale.
Cth´eo max =
P P Vimp
(II.3.1) Où :
Cth´eo max – concentration théorique maximale (mg/L),
P P – potentiel plante (mg/kg), Vimp – volume d’imprégnation (L/kg).
La figure II.13 représente l’évolution des pourcentages d’extraction en fonction de la concen- tration du jus normalisée par la concentration théorique maximale. Les pourcentages sont quasi- ment constants jusqu’à un point puis ils diminuent jusqu’à la concentration théorique maximale. Ils diminuent lorsque la concentration des jus atteint 40 à 50% de cette dernière. Cette chute d’extraction est donc bien liée à la concentration des jus et à la baisse du potentiel d’échange qui régit le transfert.
Fig. II.13 – Évolution du pourcentage d’extraction en fonction de la concentration des jus
Nous avons appelé cette cassure dans l’évolution du pourcentage : le point de rupture (PR). Il représente la concentration en soluté dans les jus à partir de laquelle l’extraction est ralentie.
II.3.3.3 Simulation
Pour modéliser la concentration des jus, on s’est appuyé sur le programme utilisé pour dé- terminer le coefficient de diffusion. On l’a modifié de sorte à tenir compte de la considération suivante : le solvant pénètre dans la matrice végétale à la concentration du jus. De ce fait, le soluté passe en phase liquide seulement si la concentration est inférieure à une concentration d’équilibre. Pour celle-ci, on a choisi de tester la valeur de la concentration théorique maximale, soit 143 mg%mL.
La seule variable entre deux simulations est la concentration initiale du solvant. On relève à 60 min la valeur de la concentration des jus et on l’introduit comme concentration initiale de la simulation suivante.
Les figures II.14(a) et II.14(b) comparent les points expérimentaux au modèle ainsi établi pour les deux essais. Le modèle décrit correctement la concentration successive des jus qu’il y ait ajout ou non de solvant frais à chaque batch. La concentration d’équilibre, à partir de laquelle l’extraction est ralentie, est la concentration théorique maximale. Cela signifie qu’il n’y a pas de problème de «saturation» au sens strict du terme.
(a) Essai avec pré-imprégnation (b) Essai sans pré-imprégnation
Fig. II.14 – Simulation des essais de concentration
Afin de mieux observer l’influence de la concentration sur l’extraction, on regarde l’évolu- tion du pourcentage d’extraction (Fig. II.15). Les concentrations des jus ont été normalisées par rapport à la concentration limite. Le modèle corrobore correctement les points expérimentaux. On observe bien une diminution constante du pourcentage d’extraction. Mais elle ne devient signifiquative qu’à partir de 45 % de la concentration limite.
Fig.II.15 – Simulation du pourcentage d’extraction
Remarque
Le modèle est aussi efficace pour représenter le cas de la catharanthine. On observe le même comportement pour les deux solutés sur la figure II.16. La concentration de saturation utili- sée pour la catharanthine est aussi sa concentration théorique maximale qui a été estimé à 54 mg%mL (Equ. II.3.1).
Fig. II.16 – Simulation du pourcentage d’extraction pour la catharanthine et la vindoline
On peut donc en conclure que l’extraction est ralentie à partir d’une concentration de 65 mg%mL en vindoline et de 25 mg%mL en catharanthine.