Modélisation du procédé de fractionnement

L’objectif est de modéliser chacune des étapes unitaires constitutives du procédé de fractionnement de micro-algues. Elles sont modélisées une à une, séparément à l’aide de modules

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utilisateur sur ProsimPlus®. Ces modèles visent à prédire les performances du procédé, en termes de flux générés ou de composition détaillée des différents produits obtenus.

Pour chaque opération unitaire, les équations permettant de calculer les bilans matière et énergie sont dépendantes de plusieurs facteurs, dont certains sont des conditions opératoires qu’il est possible d’appliquer à l’opération unitaire en question.

Les modèles utilisés sont purement empiriques et n’ont pas été validés par des travaux expérimentaux. Il ne s’agit pas de modèles physiques, mais simplement d’équations faisant intervenir les conditions opératoires ayant un rôle important dans les performances d’extraction du procédé de fractionnement de micro-algues. Des modèles prédictifs faisant intervenir tous ces paramètres, identifiés lors des travaux de thèse de Safi (2013)14_{, n’ont pu être trouvés dans la}

littérature. Ainsi, pour démontrer la faisabilité de la méthode et le couplage entre le Génie des Procédés et l’Analyse du Cycle de Vie, des équations faisant intervenir tous les paramètres sont utilisées bien qu’elles ne reposent sur aucune validité physique. Des travaux au sein du Laboratoire de Chimie Agro-industrielle sont en cours afin d’améliorer ces modèles. Les modèles utilisés sont présentés en annexe.

2.1 Etape de broyage

La première étape du procédé, le broyage de la biomasse algale, est une opération unitaire composée d’une entrée, l’introduction de micro-algues, et d’une sortie matière : les micro-algues broyées. La figure 1 permet de mettre en évidence la simulation de cette étape à l’aide du logiciel de simulation de procédés ProsimPlus®.

Le broyage est modélisé à partir d’équations permettant le calcul des rendements d’extraction des différents constituants de la matière première en fonction de certaines conditions opératoires du broyage et de certains facteurs de caractérisation des micro-algues.

Ainsi, les facteurs qu’il est possible de moduler sont :  Le temps de broyage (t) (en minutes)

 Le diamètre des billes utilisées pour le broyage (D) (en mètres)  La masse volumique de la matière première à broyer (ρ) (en kg/m3₎

 La vitesse de rotation au sein du broyeur (v) (en tour/s)  Le taux de remplissage du broyeur (𝜏) (en %)

Figure 1. Représentation de l'opération de broyage des micro-algues. VBS

Broyage

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2.2 Etape de centrifugation

La centrifugation du flux sortant de l’opération de broyage permet d’obtenir deux sorties matière distinctes : le gâteau de filtration (considéré comme la phase solide) et le filtrat, liquide, qui contient les fractions d’intérêt (figure 2).

Les modèles utilisés pour la simulation de l’étape de centrifugation font intervenir différents facteurs. Les facteurs modulables liés à la centrifugation sont :

 La masse volumique des particules en suspension (ρp) (en kg/m3)

 La masse volumique du fluide (ρf) (en kg/m3)

 Le diamètre du bol (Db) (en mètres)

 La viscosité de la solution (η) (en cp)  Le temps de centrifugation (t) (en minutes)

 Le facteur d’accélération appliquée à la centrifugeuse (g) (en m/s2₎

 La constante de séparation (C) (adimensionnelle)  L’hygroscopie du solide (h) (en %)

Figure 2. Représentation de l'opération de centrifugation appliquée à l’issu du broyage des micro-algues.

2.3 Etape d’extraction liquide-liquide

Ensuite, le filtrat est soumis à une étape d’extraction liquide-liquide, dans un décanteur, à l’aide d’un mélange de solvants méthanol-chloroforme (à un rapport 2:1 v:v) dans le but d’extraire la fraction lipidique. Il est à noter que les pigments sont également extraits lors de cette étape. Ainsi, l’extraction liquide-liquide est constituée de deux entrées matière : l’entrée de solvants et l’entrée du filtrat après centrifugation ; et de deux sorties : l’extrait, enrichi en lipides (et en solvant) et le raffinat, comme le montre la figure 3.

La modélisation de l’extraction fait intervenir différents paramètres :  Le taux de solvant (𝜏 ) (adimensionnel)

 La solubilité soluté-solvant (Ss-s) (en g/L)

 Une constante d’extraction, spécifique à chaque composé (Cext) (adimensionnelle)

Micro-algues broyées

VBS Centrifugation

Phase solide Phase liquide

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Figure 3. Représentation de l'étape d'extraction liquide-liquide.

2.4 Etape d’ultrafiltration

La dernière étape du procédé est une ultrafiltration permettant la séparation des deux dernières fractions d’intérêt : les protéines et les polysaccharides. La figure 4 met en évidence l’entrée matière ainsi que les deux sorties distinctes.

Le modèle permettant de calculer les taux de rétention des différentes fractions d’intérêt est soumis à l’influence de différents facteurs :

 La pression transmembranaire (P) (en bars)  La vitesse tangentielle (vt) (en m/s)

 Le facteur de concentration volumique (FCV) (adimensionnel)

Figure 4. Représentation de l'ultrafiltration permettant la séparation des protéines et des polysaccharides.

Lipides VBS Extraction liquide-liquide Solvants Filtrat liquide Lipides Polysaccharides VBS Ultrafiltration Protéines Raffinat

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Finalement, la figure 5 permet de visualiser la représentation de l’enchainement des opérations unitaires et de sa simulation à l’aide du simulateur de procédés ProsimPlus®.

Figure 5. Représentation de la simulation du procédé de fractionnement des micro-algues.

D’un point de vue global, ce procédé est donc constitué de deux entrées. La première permet l’introduction des micro-algues tandis que la seconde est dédiée à l’introduction du mélange de solvants permettant l’extraction lipidique. Quatre sorties constituent ce procédé. La première permet l’isolation de la phase solide après centrifugation. Cette phase solide, appauvrie en fractions d’intérêt est considérée comme un déchet. Les trois autres sorties du procédé sont dédiées à la récupération des différents constituants valorisables que sont les lipides, les protéines et les polysaccharides.

3. Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues pour la