Les méthodes de décoloration : La percolation sur résine

Les produits colorants sont majoritairement des polymères de masse moléculaire relativement élevée (>50 kD). Ces composés ont donc des poids moléculaires relativement proches de celui des hémicelluloses. Par contre, leur comportement est assimilé à celui d’acides très faibles AH/A- _{. Ils sont sous forme neutre à pH acide ou neutre, et ionisés à pH basique. Ils sont donc}

susceptibles d’interagir avec des échangeurs d’ions du type résine (Maréchal, 2001).

L’échange d’ions est un procédé dans lequel les ions, d’une certaine charge, contenus dans une solution (par exemple des anions) sont éliminés de cette solution par adsorption sur un matériau solide (l’échangeur d’ions), pour être remplacés par une quantité équivalente d’autres ions de même charge émis par le solide. Les ions de charge opposée ne sont pas affectés.

L’échangeur d’ions est un sel, un acide ou une base, solide et insoluble dans l’eau, mais hydraté. La teneur en eau d’un matériau apparemment sec peut être de plus de 50% de sa masse totale et les réactions d’échange se déroule dans cette eau, dite eau de gonflement ou

Les squelettes des résines échangeuses d’ions peuvent être polystyrénique (polymérisation du styrène) ou polyacrylique (polymérisation d’un acrylate, d’un méthacrylate ou d’un acrylonitrite). Selon les groupes fonctionnels, il existe des échangeurs de cations sulfoniques ou carboxyliques fortement acides, des échangeurs de cations faiblement acides, des échangeurs d’anions fortement basiques et ayant des groupes ammonium quaternaire et des échangeurs d’anions faiblement basiques et ayant des fonctions amine tertiaire.

Les résines échangeuses d’ions peuvent être caractérisées par leur capacité d’échange appelée « capacité totale d’échange ». Cette capacité est exprimée en équivalents par unité de masse (éq/kg de résine sèche) ou en équivalents par unité de volume (éq/L de résine humide), elle représente le nombre de sites actifs disponibles. La partie de la capacité totale réellement utilisée au cours de l’échange d’ions est appelée « capacité utile ». La capacité utile peut représenter une partie plus ou moins grande de la capacité totale et elle est déterminée par un grand nombre de paramètres : concentration et type d’ions à fixer, débit de percolation, température, hauteur du lit de résine, type, concentration et dosage du régénérat.

Les résines utilisées pour la décoloration des extraits d’hémicelluloses peuvent être classées en deux familles : les résines échangeuses d’ions et les résines adsorbantes. Ces résines fixent essentiellement les composés phénoliques (Lam et Shaw, 1970 ; Ou et al., 2007 ; Richard et al., 2010).

X.3.3.1. Les résines échangeuses d’ions

Ce sont généralement des résines de type anionique fort. Elles ont des matrices macroporeuses faites soit d’un co-polymère styrène-divinylbenzène, soit d’un polymère acrylique. Elles sont fortement fonctionnalisées par des groupements ammoniums quaternaires et sont utilisées sous forme de chlorure.

Deux types de mécanismes de fixation peuvent être mis en jeu lors du passage de colorants sur une résine :

- d’une part, le mécanisme d’échange d’ions entre les parties chargées du colorant et les contre-ions de la résine,

- d’autre part, les mécanismes d’interactions faibles du type Van der Waals (dipôle- dipôle) et les liaisons hydrophobes. Ce type de liaison se développe entre les parties hydrophobes des colorants et le squelette de la résine s’il est, lui aussi, hydrophobe.

X.3.3.2. Les résines adsorbantes

Les résines adsorbantes sont des résines constituées par un squelette hydrophobe très peu fonctionnalisé. Il s’agit d’un polymère macroporeux fortement réticulé et possédant une grande surface spécifique.

Des études préliminaires ont été réalisées au LCA, afin de comparer l’éfficacité des résines échangeuses d’anions et des résines adsorbantes sur la décoloration des extraits

d’hémicelluloses du son du maïs. Ces études ont montrées que les résines adsorbantes sont les moins efficace, les composants colorants (composés phénoliques et composés de Maillard) s’adsorbent partiellement par interactions hydrophiles-hydrophobes.

Les résines échangeuses d’anions à matrice polystyrénique, sous forme Cl-_{, permettaient}

d’obtenir des poudres hémicellulosiques de couleur relativement claire, mais leur capacité de traitement reste faible. En revanche, les résines échangeuses d’anions à matrice acrylique, conduisaient aux meilleurs résultats de blancheur. De plus, leur capacité de traitement est élevée et leur régénération par une solution de chlorure de sodium est facile.

Cependant, le mode de séchage des hémicelluloses reste déterminant sur la coloration des produits finaux, la bonne efficacité de décoloration des extraits ne permettait pas de limiter la reprise de couleur lors de l’étape de production finale (séchage à 50°C ou atomisation).

D’autres études (Kammerer et al., 2010 ; Kammerer et al, 2011) montrent que la fixation des composés polyphénoliques par les résines échangeuse d’anions peut être influencée ou même limitée par la présence des structures saccharidiques (hémicelluloses, pectine) et protéique (acides aminés) dans les extraits végétaux.

Le couplage des techniques de séparation membranaire, notamment l’ultrafiltration, et des techniques de purification par percolation sur résine échangeuse d’anions peut permettre l’obtention de polysaccharides très purs (pureté > 70%). En effet, l’ultrafiltration concentre les composés visqueux polysaccharidiques et protéiques dans le rétentat et élimine les structures phénoliques (acide coumarique, acide férulique) dans le perméat. L’échangeur d’anions améliore ensuite le degré de pureté des polysaccharides en fixant le reste des structures phénoliques encore accessibles dans la solution (Ou et al., 2009).

XI. Conclusion

Les hémicelluloses, polysaccharides pariétaux, sont le plus souvent extraits avec des solutions alcalines. Leur extraction et leur purification nécessite la mise en œuvre de multiples étapes et opérations, par conséquent, de nombreuses études ont été effectuées. La plupart de ces études traite des opérations unitaires, mais n’évoque jamais un procédé complet.

C’est ainsi que nous nous sommes attaché, dans la suite de ces travaux, à déterminer et définir un procédé d’extraction et de purification complet et continu des hémicelluloses du son et de la paille de blé.

Ce procédé, s’il permet de produire des hémicelluloses de grande pureté, va devoir permettre leur intégration dans de nombreux domaine d’applications, notamment la production des films.

Procédés de fractionnement de la matière végétale – Application à la production des