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Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles / Université libre de Bruxelles Institutional Repository
Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:
Jaouani, A. (2003). Etude de la dépollution d'un effluent riche en polyphénols, approche physico-chimique et biologique du cas des margines de l'huile d'olive (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences, Bruxelles.
Disponible à / Available at permalink : https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/211168/1/b4b29466-c240-4116-8893-4a0d600cf835.txt
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D 03266 _ »
Département de Biologie des Organismes
ULB
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^2003-2004
Studies on the Depollution of Efûuent Rich in Polyphénols, Physical Chemical and Biological Approach of the
Case of Ohve Oil Mill Wastewaters
Etude de la Dépollution d'un Effluent Riche en Polyphénols, Approche Physico-chimique et Biologique du
Cas des Margines de l'Huile d'Olive
Ir. Atef Jaouani
Thesis submitted in the fulfilment of the requirements for the degree of Doctor (PhD) in Science
Thèse présentée en vue de l'obtention du grade académique de Docteur en Sciences
Promoteur : Prof Michel J Penninckx
La'' — T»u„„:^i^^^ o.t ri'Rr'rtlnaie Microbiennes
Professeur Mada Jésus Martinez
Laboratoire de "Lignin Biodégradation"
Department of Molecular Microbiology Centro de Investigaciones Biolôgicas Ramiro de Maeztu 9, 28040 - Madrid Spain mimartinezOjcib.csic.es
Professeur Monique Laurent
Département de Microbiologie Institut Meurice
Avenue Emile Gryzon, 1, 1070 Bruxelles mm.laurent(5)swlng.be
Professeur Michel Verbanck
Laboratoire de traitement des eaux et pollution
Université Libre de Bruxelles Campus de la Plaine, CP208 Boulevard du Triomphe, 1050 Bruxelles
mikeverb(5)ulb.ac.be Professeur Willy Verstraete
Laboratory MIaobial Ecology and Technology
Faculty of Agriculture & Applied Biological Sciences, Ghent University Coupure Links 653, B-9000 Gent
willv.verstraete(5)UGent.be Professeur Jean Paul Delhaye
Laboratoire d'agrotechnologies végétales (LAV)
Université Libre de Bruxelles Campus du Solbosh CP169, Avenue F.D. Rooseveit 50, 1050 Bruxelles
ipdelhav@ulb.ac.be
Professeur Maxime Vanthoumhout
Service de Chimie et de Biochimie Appliquées Faculté Polytechniques de Mons
Rue de l'Epargne, 7000 Mons
maxime.vanthournhout@fpms.ac.be
M o n Père Ma Mère M e s cimtre frères et cmc\ sœurs
Ma grande famille Ma promise
SoA(jez fiers ôe moi Atef
Tout £ abord, je tiens à eoqprimermes vifs remerciements à Mr!MicfieC<Penninc^ (Directeur du LaSoratoire de (Physiologie et d^Ecologie Micro6iennes, de m'avoir accueilli dans son laboratoire et
davoir dirigé mon travail. Ses compétences pluridisciplinaires et ses approches originales m'ont toujours impressionnées. Son amour pour Chistoire et les arts culinaires m'a profondément marqué.
Je pense que je suis irréversiblement marqué par son empreinte.
J'eoçprime aussi ma prof onde gratitude à Mr Sami Sayadi, (Directeur du LaSoratoire des (Bioprocédés au Centre de (Biotechnologie deSfaoç^de m'avoir offert Copportunité deffectuer ma thèse en dehors
des frontières tunisiennes. Ses discussions fructueuses et ses conseils judiciewç^m'ont été de graru£e utilité afin de m'introduire dans le domaine des margines et des champignons. Qu'il trouve ici
Cejçpression de ma profonde reconnaissance.
J'adresse mes remerciements Ces plus vifs à MrMojçime Vanthoumhout du Service de Chimie et de (Biochimie JtppRquées de la Taculté (Polytechnique de Mons. E n plus de nos discussions scientifiques, je n'ouSlierai jamais son amabilité et son engagement pour les causes justes et un
monde meilleur. Je lui dis continuez. Je suis avec vous.
J'adresse mes sincères remerciements à Mme Maria Jesûs Martinez de m'avoir accueilli dans son dboratoire « Lignin (Biodégradation » au « Centro de Investigaciones (Biologicas ». Ses qualités scientifiques et humaines ne sont pCus à démontrer. J'espère que nous resterons amis et que nous continuerons à collaborer. (Parla même occasion, je souhaite remercier MrJLngelT Marinez pour sa
disponible et ses conseils.
Jlvecplaisir, je remercie Mme Monique Laurent, Mrli^iHy 'P'erstraete, Mr Michell^erSanc^et Mr Jean (Paul(Delhaye qui au^cotés de Mr^anthoumhout et de Mme Marimez ont accepté déjuger
ce travail Leurs précieuses suggestions m'ont permis d améliorer la qualité du présent manuscrit.
En pariicuRer, Ces nomSreuses remarqu£s prodiguées par Mr(Delahaye et Mr'VerSanc^memSres de mon comité d accompagnement m'ont permis de porier un regard critique sur mon travail
Je ne dois pas oublier mes collègues de laboratoire : Çloria, Charles, Jacques, (Bernard, (Philippe, Vladimir, Zaher...et ceivç^qui sont déjàpariis : H^ajia, Jimuar, %arim, Jean Yves, Sophie,..
Leur sympathie et leur soutien inconditionnels m'ont toujours été utiles suriout dans les moments difficiles. Sans eu^sûrement ce travail ne sera pas au stade actuel
Mes remerciements s'adressent aussi à tous ceu^qui ont participé à C histoire de ce travail et qui sont devenus mes véritaSles amis : (patma, Hayat, Çhazi, Matthieu, (Déflorent et ChristelCe. Je leur
souhaite beaucoup de succès dans leurs vies familiales et professionnelles...
Mes remerciements s'adressent aussi au^membres du laboratoire de « Lignin (Biodégradation » avec qui j'ai tissé de réels liens d amitié malgré mon cours séjour en (Espagne: (Patricia, Marta, Isabel,
Mariella, Susanna, Olga, (Paco, Javier, Quique, (David,... J^osfous rires, leur sympathie, leur humour pa fois délirant, leur accueil chaleureu^m'ont permis de surmonter les difficultés linguistiques et de m'intégrer rapidement à C équipe. Je souhaite tant que nos échanges continuent en anglais, français, italien, araSe, espagnol et en ùingue des signes... Je leur dis « Muchas Çracias
para Todasy Todos »
MrSamirJaoua, MrJlCi Çargouri et !Mr^aSiCZ£>uari. Je chuchote à 7{faiedh « Jlttention à Cascenseuret atvç^e-mails». Je cligne à Tathi, SRm et 'Tahar. Jl tous je dis Merci
ZJn grand Merci à Jlnne Lise et ^Nathalie pour leur aide précieuse Cors des anaCyses !H(PLC à Ca TacuCté <Pofytechnique de Mons. Leur sympathie et leur disponiSiUté m'ont profondément touchées.
Jlvec pCaisir, je remercie tout le personneCdu corps enseignant et technique de CEcoCe !NationaCe dIngénieurs de Sfa^ où j'ai effectué durant sept ans mes études dingéniorat et de <iyEJi. E n particuCier, je tiens à remercier mes enseignants et amis MrHamadi Jittia, MrMoncef!Nasri et Mr
Youssef Çargouri auj(queCsje dois Beaucoup de mon savoir et avec qui] ai fait mes premiers pas dam Ca recherche.
Je n'ouSderaipas tous mes amis en (Belgique, en Tunisie ou aiCCeurs qui m'ont incessamment soutenus notamment durant Ces moments dijficiCes et qui ont supporté mon humeur en dents de scie
surtout ces derniers mois. Je cite : JLdnen, Moez, 'Ymène,... Tous mes amis « 'ET^'Piens » et tous mes amis « 'ENlSiens ». Mes vieu^amis de Tunis : %ameC, <Rzouga, Sofiène, jCatem... je leur dis : on se verra au café. Sans Ceurs encouragements et soutien permanents, sûrement Ca thèse ne sera pas
à ce stade.
Si je suis (Docteur c'est essentieCCement grâce à ma grande famiOè Jaouani: mon (Père, ma Mère, mes quatre frères et cinq sœurs, mes Seaujçjrères, mes BeCCes sœurs, mes neveu^et mes nièces. Qu'iCs trouvent ici Cejçpression de ma profonde et sincère reconnaissance. J'espère qu'iCs sont fiers de moi.
Je ne peux^ouBRer ma future BeClefamiCCe et en particuCier ma promise Afif Que (Dieu Ces protège et Ces garde,
(Pour k soutien financier, je tiens à remercier Ca ClV'F-CO(D ainsi que Ca fondation de Meurs (François et ùi fondation (Davidet JlRce 'Van (Buuren.
Je m'ejççuse si je n'ai pu citer tout Ce monde. Je m'e^pise si j'ai ouBRé queCqu'un,
Introduction générale
1 L'olivier 1 2 L'huile d'olive 1
2.1 Fabrication de l'huile d'olive 2
2.1.1 Traitement avant extraction 2 2.1.2 Systèmes d'extraction 3
2.1.3 Comparaison des performances des systèmes d'extraction sur les plans écologique, économique et technique 5
3 Les sous produits de l'oléiculture 7 3.1 Lesgrignons 7
3.2 Les margines 8
3.2.1 Origine et production des margines 8
3.2.2 Composition organique et minérale des margines 9 4 Impact des margines sur l'environnement et législation tunisienne 12
4.1 Impact des margines sur l'environnement 12 4.1.1 Impact sur le milieu naturel 12 4.1.2 Impact sur le réseau public 12 4.2 Législation tunisienne 14
5 Méthodes et systèmes développées pour la valorisation et l'élimination des margines 15
5.1 Méthodes et systèmes envisagés 15 5.1.1 Utilisation comme fertilisant 15 5.1.2 Co-compostage 16
5.1.3 Incinération 16
5.1.4 Concentration thermique par distillation 16 5.1.5 Cryo-concentration 17
5.1.6 Processus membranaires 17
5.1.7 Production de POU (Protéines d'Organismes Unicellulaires) et d'algues 17
5.1.8 Production d'enzymes 18 5.1.9 Production de biopolymères 18
5.1.10 Extraction de molécules à intérêt biopharmaceutique 18 5.1.11 Production de bioénergies 19
5.1.12 Utilisation en génie civil 19
5.1.13 Economie d'eau par réduction d'évaporation 19 5.2 Systèmes appliqués en Tunisie 19
6 Objectifs du travail 21
Matériel & Méthodes
1 Les margines 22 2 Les champignons 22
3 Traitement physico-chimiques : la coagulation - floculation 22 4 Traitements biologiques 26
4.1 Cultures des champignons 26
4.1.1 Cultures sur milieux solides 26 4.1.2 Cultures sur milieux liquides 27
4.1.2.3 Détermination de la biomasse mycélienne : 27 4.1.2.4 Echantillonnage 27
4.1.2.5 Oxygénation 28 4.1.2.6 Immobilisation 28
4.1.2.7 Composition des milieux de culture 28 4.2 Culture du consortium adapté 31
5 Analyses 32
5.1 Matière sèche (MS) 32 5.2 Matières volatiles (MV) 32 5.3 Cendres 32
5.4 Matières en suspension (MES) 32
5.5 Dosage des protéines selon la méthode de FoUn 32 5.6 Dosage des protéines selon la méthode de Bradford 33 5.7 Dosage chimique des sucres réducteurs 33
5.8 Dosage du glucose 34
5.9 Demande chimique en oxygène (DCO) 34 5.10 Demande biologique en oxygène (DBO5) 35
5.11 Dosage de l'azote Kjeldhal 36 5.12 Dosage des orthophosphates 36 5.13 Mesure du pH 37
5.14 Coloration 37
5.15 Extraction des polyphénols des margines 37
5.16 Séparation des composés aromatique des margines par Chromatographie Liquide à Haute Pression (HPLC) 38
5.17 Dosage des phénols par la méthode de Folin 39
5.18 Profil de distribution des composés aromatiques sur gel de fihration Sephadex G50 39
5.19 Détermination des activités enzymatiques 40 5.19.1 Dosage de la lignine peroxydase 40 5.19.2 Dosage de la manganèse peroxydase 40 5.19.3 Dosage de la laccase 41
6 Purification et caractérisation de la laccase de P. coccineus 41 6.1 Purification de la laccase 41
6.2 Propriétés de la laccase purifiée 42 6.2.1 Masse moléculaire 42 6.2.2 pHi 42
6.2.3 Glycosylation 43
6.2.4 Séquence N-terminale 43 6.2.5 Spectre UV-Visible 43
6.2.6 pH optimal et température optimale 43 6.2.7 Stabilité envers le pH et la température 43 6.2.8 Constantes cinétiques 44
6.2.9 Tests d'inhibition 44
7 Application de la laccase purifiée sur les margines 44
7.1 Application sur les composés phénoliques et non phénoliques simples 44 7.2 Application sur les margines entières et sur les fi^actions phénoliques de
différentes masses moléculaires 44
Introduction bibliographique 1 La lignine 45
1.1 Structure et biosynthèse 45 1.2 Dégradation de la lignine 46 2 Les champignons de pourriture de bois 47
2.1 Appellation 47
2.2 Système lignolytique des champignons de pourriture blanche de bois 49
2.2.1 Les peroxydases 49 2.2.2 La laccase 51
2.2.3 Les métabolites de faibles masses moléculaires 52 2.2.4 Les enzymes génératrices de H2O2 53
2.3 Applications des champignons de pourriture blanche de bois et de leurs enzymes lignolyqtiues 53
Chap I: Potent Fungi for Decolourisation of Olive Oil Mill Wastewaters 55 Abstract 55
1 Introduction 55
2 Material and Methods 56 3 Resuhs 57
3.1 Primary screening on solid média 57 3 .2 Poly R decolourisation in liquid culture 58 3.3 OOMW decolourisation in Hquid cultures 58 4 Discussion 60
Chap n : Ligninolytic system of Conolopsis polyzona and its rôle in olive oil mill wastewaters decolourisation 63
Summary 64 1 Introduction 65
2 Materials and Methods 66 3 Results 68
3.1 Optimisation of ligninolytic enzymes production 68 3.1.1 EfFect of possible inducers 68
3.1.2 Effect of Carbon and nitrogen source 69 3.1.3 Effect of veratryl alcohol concentration 71 3.1.4 Effect of02,Mn^^ and Tween 80 71
3 .2 Rôle of ligninolytic enzymes in OOMW decolourisation 72 4 Discussion 76
ChapIU: Production, purification and characterization of a laccase from Pycnoporus coccineus: Its rôle in dégradation of aromatic compounds in olive oil mill wastewater 85
Summary 86 1 Introduction 87
2 Material and Methods 88 3 Resuhs 91
3.1 Laccase production and purification 91
3.4 Substrate specificity 97 3 .5 OOMW dégradation 100 4 Discussion 102
Chap IV: Optimisation des conditions de dépollution des margines par des cultures libres et immobilisées de
Coriolopsis polyzona et Pycnoporus coccineus 110 1 Introduction 111
2 Résultats 111
2.1 Optimisation des conditions de traitement des margines par C. polyzona 111
2.1.1 Influence de la taille de 1 ' inoculum 111 2.1.2 Influence de la DCO initiale 112
2.1.3 Influence de la source d ' azote 113 2.1.4 Influence de l'agitation 115
2.1.5 Influence de l'immobilisation 116
2.1.6 Réutilisation de la biomasse immobilisée dans des batchs successifs 117
2.2 Optimisation des conditions de traitement des margines parf. coccineus 121
2.2.1 Influence de la taille de l'inoculum 121 2.2.2 Influence de la DCO initiale 121 2.2.3 Influence de la source d'azote 122 2.2.4 Influence de l'agitation 123 2.2.5 Influence de l'immobilisation 124
2.2.6 Réutilisation de la biomasse immobilisée dans des batchs successifs 125
3 Discussion 127
Partie B : Traitements physico-chimiques couplés aux traitements biologiques Généralités : Déstabilisation par voie chimique : Coagulation - Floculation 130
1 Introduction 130
2 Définitions mécanismes mis en jeu 130
2.1 Compression de la double couche éléctrique 130 2.2 L'adsorption d'ions 130
3 Les coagulants utilisés 131
3.1 Les coagulants minéraux 131
3.2 Coagulants organiques de synthèse 131 4 Les floculants organiques de synthèse 132
5 Les stades du processus de coagulation floculation 133 6 Influence de la composition physico-chimique des eaux 133 7 Mode d'action des coagulants sur la matière organique 134
Abstract 137 1 Introduction 138
2 Material and Methods 139 3 Results and Discussion 142
3 .1 Coagulation flocculation 142
3.2 Comparison of the performances of the adapted aérobic consortium (AC) and the white rot fungus (WRF)
in the treatment of the OOMW 145
3 .3 Optimisation of culture conditions of adapted aérobic consortium 147 4 Conclusion 148
Conclusion générale & Perspectives 151 Références bibliographiques 159
Annexes
1 L'olivier
L'olivier est un arbre millénaire jetant son ombre sur les civilisations les plus anciennes. Grâce à sa capacité d'adaptation, la culture de l'olivier s'étend à fur et à mesure que la civilisation Gréco-Romaine agrandit son territoire. En effet, l'olivier (0/ea Eumpeà) compte parmi les arbres les plus importants et les plus cultivés dans le bassin méditerranéen. Il pousse dans les climats tempérés et est parfaitement adapté aux sols rocheux et calcaires ; de plus, il ne nécessite pas d'apports en fertilisants ni en irrigation (la culture de l'olivier est conduite à 95% en sec).
Selon Sophocle l'olivier est immortel. Dans la mythologie Romaine, Jupiter a choisi l'olivier comme un don divin, plaçant une branche dans la main de Minerve (le dieu de la sagesse) ; la création de l'olivier était alors attribuée à Minerve. Ainsi, l'olivier a pris une vocation religieuse dans de nombreuses civilisations, notamment en Tunisie où il a acquit le caractère " Saint ".
Dans le monde il y a actuellement 600 millions de pieds d'oliviers qui occupent une surface de 7 millions d'hectares. Les productions mondiales d'olives et d'huile d'olive sont estimées à 8 et 1,6 millions de mètres cube. Le bassin méditerranéen, fournit 98% de la surface totale cultivées et 97% de la production totale d'olives. La culture des oliviers est particulièrement importante en Espagne, Italie, Grèce et en Tunisie (Molina Alcaide et Nefzaoui, 1996).
En Tunisie la culture de l'olivier joue un rôle de premier plan dans l'économie agricole, et ce, en raison de l'importance de son impact sur la balance commerciale, sur l'emploi ainsi que sur l'atténuation de l'exode rural. En effet, avec 57 millions de pieds d'oliviers et plus de 1300 huileries, il est indéniable que le secteur oléicole occupe une place de choix tant au plan agricole qu'au plan socio-économique (environ le tiers (1 539 200 ha) des terres agricoles cultivées) (Trigui 1993).
Actuellement, dans des conditions climatiques et culturales optimales, la production d'olives à huile peut atteindre voire dépasser un million de tonnes.
2 L'huile d'Olive
Autrefois, l'huile d'olive était utilisée à plusieurs fins : les athlètes se massaient les muscles pour les rendre plus souples, les femmes en enduisaient leur peau pour paraître plus jeunes ; elle était considérée comme un tonique et un fortifiant pour la prévention des calvities ; on l'a mélangée avec du vin et certaines épices pour en faire des huiles
cosmétiques qui datent du second millénaire Av. J.C. D'autre part, d'innombrables travaux sont venus confirmer la valeur nutritionnelle de l'huile d'olive vierge établie depuis des
siècles par les peuples qui l'utilisaient et sa qualité préventive pour les problèmes cardio- vasculaires (Giugliano 2000 ; Massaro et al. 1999) et certaines formes de cancers (Newmark 1999). L'huile d'olive est utilisée avec d'excellents résultats, dans les soins musculaires, les insuffisances hépatiques et l'ulcère. L'utilisation cosmétique de l'huile d'olive est aussi très répandue comme base pour les balsams, les shampooings et les crèmes de beauté ainsi que dans la fabrication des savons naturels.
En Tunisie, l'huile d'olive constitue la production principale de la culture de l'olivier ; en effet, 90% des oliviers sont destinés à la production d'huile
Le secteur oléicole assure le revenu de tout ou partie, directement ou indirectement d'environ un million de Tunisiens ainsi qu'une activité oléicole agricole et industrielle offrant de 25 à 30 millions de journées de travail par an.
Par ailleurs, il y a lieu de signaler que les exportations d'huile d'olive assurent une recette qui représente 37% de celle des produits agricoles et agro-alimentaires exportés et 4 à 5% des recettes de toutes les exportations tunisiennes.
2.1 Fabrication de l'huile d'olive
La fabrication de l'huile d'olive passe par des opérations unitaires communes à tout système, après quoi, l'huile est extraite par différents systèmes.
2.1.1 Traitement avant extraction
Ce sont les opérations unitaires communes à tous les systèmes d'extraction : a) Nettoyage des olives (effeuillage, lavage...).
b) Broyage : C'est la dilacération des olives et leur réduction en une pâte à partir de laquelle on peut tirer facilement, après brassage, le moût huileux constitué par un mélange d'eau de végétation et l'huile.
c) Malaxage : l'opération consiste en un brassage lent et continu de la pâte qui s'effectue dans des récipients en acier inoxydable (malaxeurs) de forme semi- cylindrique ou semi-sphérique, munis d'un système de chauffage approprié.
L'opération permet d'accroître le taux d'huile libre en favorisant, d'une part, l'assemblage des gouttelettes d'huile en des gouttes plus grosses, et par conséquent, leur séparation et la formation d'une phase liquide continue, et d'autre part la rupture de l'émulsion huile/eau. Le prolongement de la durée de l'opération de malaxage se traduit par une réduction de la teneur en polyphénols des huiles.
2.1.2 Systèmes d'extraction
Pour l'extraction de l'huile d'olive on utilise actuellement les trois systèmes suivants :
• Système discontinu de presse (classique).
• Système continu à trois phases (traditionnel).
• Système continu à deux phases (innovation).
Dans tous les types de moulins à huile, on utilise de l'eau en quantités comparables dans les processus de nettoyage (10 à 12 1/100 Kg d'olives), broyage (10 à 15 1/100 kg d'olives) et purification (10 à 15 1/100 kg d'olives). Cependant les quantités d'eau utilisée dans les processus spécifiques à chaque système varient substantiellement
a) Système discontinu de presse (classkiue)
Le système par pression ou système discontinu (Fig la) fait appel aux presses hydrauliques pour la séparation des grignons du mélange huile et eaux résiduelles. Ce mélange est séparé par décantation puis par centrifugation. Lors du dernier broyage, 2 à 5 1/100 kg d'olives sont ajoutés pour faciliter le détachement de l'huile.
b) Système continu à trois phases (traditionnel)
Le système d'extraction par centrifugation ou système continu (Fig Ib) requiert des pâtes plus fluides, diluées à l'eau chaude à raison de 50 à 80% du poids des olives afin de faciliter la séparation des phases.
La phase liquide est envoyée vers les séparateurs centrifuges pour la séparation de l'huile et de l'eau, alors que la phase solide (grignon) peut être transférée aux usines d'extraction utilisant des solvants pour la récupération de l'huile résiduelle.
c) Système continu à deux phases (inrwvation)
Ce système, appelé aussi écologique (Fig le) est une innovation du système à trois phases. Il consiste essentiellement en la modification des centrifugeuses horizontales ou décanteurs avec lesquels on obtient trois phases (huile, marc et margines), afin que se produisent seulement deux phases (huile et marc). Le marc contient presque la totalité de l'eau de végétation de l'olive (margines). D'autre part, le système fonctionne sans addition d'eau à la masse d'olive ; grâce à cela on économise 1 litre d'eau par kilogramme de fruit.
L'unique inconvénient de ce système est l'augmentation de l'humidité du marc qui rend difficile son maniement et son séchage pour l'extraction postérieure de son huile moyennant des dissolvants.
M a l a x a g e M a l a x a g e E a u M a l a x a g e
Doseur - Décanteur
Pression
Grignon
1
Moût huileux
Séparateur centrifuge (axe vertical)
Huile Margines
Décanteur centrifuge
Grignon Moût huileux
Séparateur centrifuge (axe vertical)
Huile Margines
D é c a n t e u r centrifuge
Grignon
Séchoir
Grignon s è c h e
Eau de lavaae
Moût huileux
Séparateur centrifuge (axe vertical)
Huile Margines
F i g l a : S y s t è m e discontinu de
presse classique Fig I b : S y s t è m e continu à trois phases (traditionnel)
Fig l e : S y s t è m e continu à deux phases (innovation)
2.1.3 Comparaison des performances des systèmes d'extraction sur les plans écologique, économique et technique
En Tunisie, bien que le système d'extraction continu semble prendre de l'expansion, le système dit classique, c'est à dire de presse, domine toujours largement le paysage olérfacteur. En effet, les systèmes discontinu de presse, continu à trois phases et continu à deux phases sont respectivement adoptés par 62,9%, 25,8% et 11,3% des huileries
tunisiennes (Bemdtef a/. 1996).
La table 1 résume les principaux avantages et inconvénients, tant sur le plan écologique, économique que technique, des trois systèmes d'extraction de l'huile d'olive.
Critères Ecologique Economique Technique
Système Avaitage Inconvénient AvaTtage Inconvénient AveuTtage Inconvénient
Assse fdbcontinu C§BSSKfU9)
- résidus de presse compacts avec M)le hurr^dtté, séchage au soleil. Aucune énergie si|3plémerTtaire pour séchage.
- consommation d'eau propre.
-formation d'eau résiduaires fortement chargée.
- fai)le dépense en énergie.
- consommation d'eau plus fable qu'en continu.
- stodoge de pignons réduit
- rendemerrt de l'huile plus faiÀe qu'en continu, -consommation de garniture de pression.
- besoin en personnel important
-investissements coûteux pour traitement desmargines.
- manipulation aisée, machines simples.
-pompes et presse hydrauliques
fonctionnent à pressions élevées, risque d'usure, -encombrement important
-installation de ti^ment des eaux fonctionnent à des technologies contraignantes.
Continu à tvis phases (tadUonneO
Aucun. - forte consommation d'eau propre.
- quantité importante d'eau rësiduaire.
-grignon très humide nécessitant séchage mécanique,
consommation d'énergie.
- production d'huile supérieure au procédé par pression.
- faùe Isesoin en personnel.
- transport et stockage plus fade des gtignons.
-forte dépense en énergie.
- consommation d'eau propre importante, -frais dépuration relativement élevés vu la grande quantité des margnes.
- fable encombrement -révisions des machines et réparations
importantes,
-personnel quaffié pour traitement des eaux.
Continu à deux phases (^mwaOon)
- latle consommation d'eau.
-aucun rejet d'eau rësiduaire fortement chargé.
- fakÀe consommation de combusti)le pou- chauffage de Peau propre de production.
-consommation d'énergie électrique et combustible pour le séchage partiel des gtignons humides
-production d'huile supérieure aux autres procédés.
- faille consommation d'eau propre, -huledemeileure qualité.
-faisie besoin en personnel.
- fables frais d'énergie.
- grignons très humides n'apportent pas de recette.
- fable encombrement - pas d'installation de traitement des eaux.
-révisions des machines et réparations
importantes
-grignons tés humides nécessité d'un séchoir.
3 Les sous produits de l'oléiculture
Les oliviers ainsi que l'industrie oléicole produisent de larges quantités en sous produits. Ces derniers sont énumérés par la commission techniques de la valorisation des sous produits de l'olivier, réunie à Madrid en 1983 (Nefzaoui 1987) (Fig 2).
L'olivier
Les olives
Broyage Eau
chaude
Centritugation
Liquide : Eau -•• Huile
Centrifligation
Huile d'olive
Extraction a u solvant
Huile d* extracation
Résidus de l a taille : fisuilles, b r a n c h e s 2 5 kg/arbre/année
P u l p e I
Noyaux
Solide : grignons j 3 5 k g / 1 0 0 kg olives
-^^^^Mgnons eputséêè
M a r g i n e s
I
1 0 0 litres/100 kg olives
Fig 2 : Les sous produits de l'oléiculture 3.1 Les grignons
Les grignons d'olives sont dérivés de la trituration des olives avec leurs noyaux, que ce soit par pressage ou par centrifugation.
Traditionnellement, ceux-d sont utilisés sous leurs différentes fonmes comme aliment pour le bétail, cet apport de nourriture est particulièrement apprédé en période de manque de fourrage, moyennant un complément en protéines et sels minéraux.
Les grignons peuvent également faire office de combustible (utilisation la plus répandue en Tunisie) notamment dans les domaines de la briqueterie, de la poterie ou encore de la savonnerie, et ce, malgré leur modeste valeur calorifique (de 2900 à 3000 kcal/kg) (Bemdtef a/. 1996).
3.2 Les tnargines
3.2.1 Origine et production des margines
Les déchets produits par les moulins à huile, dénommés « margines ». Sont des effluents liquides, visqueux, d'une coloration brune qui semblent se décomposer et fermenter assez rapidement (Nefzaoui et Zidani 1987).
Les margines proviennent pour 40 à 50% du fruit et le reste provient des quantités d'eau utilisées pour le lavage des olives et leur trituration. Cela aboutit à un contenu de 80 à 90% d'eau dans le cas des margines provenant des moulins à huile classique (système discontinu). Ce taux passe à environ 97% dans le cas des moulins à huile modernes où l'extraction de l'huile d'olive se fait par centrifugation continue (système continu).
Une tonne d'olive traitée permet d'exb^ire 200 kg d'huile et engendre l'écoulement de 0,5 à 1,25 m» par le système continu et 0,875 m^ par le système mixte. Achjellement, une capacité de trituration (tous systèmes confondus) en Tunisie de 19 250 tonnes d'olives/jour engendre l'écoulement de 13 572 m^/jour (Badis 1994, Bemdt et al. 1996). Ceci
correspond à un écoulement moyen de 0,705 m^ de margines par tonne d'olives.
La production moyenne de ce sous-produit en Tunisie est d'environ 500 000 m^/an (Table 2). Elle dépasse dans l'ensemble des pays oléicoles du bassin méditerranéen les 30 millions de m^ par an (Fiestas Ros de Ursinos et al. 1981).
Table 2 : Production annuelle d'olives à huile et estimation des quantités de margines en Tunisie entre 1990 et 1998
Campagne agricole Production d'olive à huile (tonnes) *
Quantité de margines (m^ **
1990/1991 825 000 581 625
1991/1992 1 345 100 954 640
1992/1993 587 000 413 835
1993/1994 1 065 200 750 966
1994/1995 344 350 242 767
1995/1996 308 550 217 528
1996/1997 1 410 100 9 9 4 1 2 0
1997/1998 485 000 341 925
*Source; direction générale d e la production agricole (Tunisie)
* * estimée en s e basant sur le fait q u e la trituration d'une t o n n e d'olives e n g e n d r e un écoulennent nnoyen d e 0 , 7 0 5 (Berndt e^ al. 1996).
3.2.2 Composition organique et minérale des margines
Les margines sont des effluents biphasiques comportant, une phase liquide (émulsion) issue de la séparation huile/eau et une phase solide résiduelle (suspension) résultant du procédé de séparation liquide/solide. Elles sont acides (pH de 4 à 6 ) à fort pouvoir tampon et forte charge saline et organique. Elles présentent une composition variable qui dépend e n partie (Table 3):
• d e la variété des olives;
• des conditions climatiques et du lieu de culture des olives ; ' du stade d e maturation des olives ;
• du procédé d'extraction: presse ou centrifugation ;
• de l'âge des margines.
La phase liquide comporte approximativement :
• 9 0 % d'eau ;
• 7 à 1 5 % de matières organiques solubles ;
• 1 à 2 % de substances minérales ;
• 0,1 à 0 , 5 % d'huile résiduelle.
Table 3 : Volume et caractéristiques polluantes des margines issues des différents systèmes d'extraction (Bemdt et al. 1996)
Paramètres Presse Trois phases Deux phases
Volumes des déchets (litres/kg d olives)
0 , 5 - 0 , 6 1 , 2 - 1 , 5 0,1 - 0 , 1 5
• •
PH 4,5 - 5 4,7 - 5,2 5,2 - 6,0
DCO (g O2/I) 120 - 130 4 5 - 6 0 2 - 3
on m n ou — «fO 1 — £,
MES (g/1) 1 - 2 6 - 9 1 - 2
MS(g/0 1 0 0 - 1 2 0 5 0 - 6 0 2 - 3
Cendres (g/1) 1 2 - 1 5 6 - 7 0,5
MV(g/l) 8 8 - 1 0 5 4 4 - 5 3 1 . 5 - 2 . 5
La fraction organique des margines est très complexe et hétérogène. Elle est principalement constituée de glucides complexes (cellulose) et simples (raffinose, mannose, saccharose, glucose arabinose et xylose) représentant 30 à 50 de la matière sèche. Les margines contiennent aussi une faible fraction azotée (moins de 10 % de la matière sèche) présente sous fomie de protéines (Salvemini 1985). Plusieurs acides organiques ont été détectés dans les margines tels que les acides fumarique, glycérique, lactique malique et malonique (Fiestas Ros de Ursions 1981, Salvemini 1985) représentant avec l'huile résiduelle entre 12 et 35 % de la matière sèche.
Par ailleurs, les composés aromatiques, essentiellement phénoliques, représentent entre 5 et 25% de la matière sèche des margines. Outre la couleur, ils sont responsables de la toxicité des margines envers les animaux (Paixâo et al. 1999) les plantes (Capasso et al. 1992) et les microorganismes (Moreno et al. 1987, Rodriguez et al. 1988, Capasso et al. 1995). Plusieurs travaux ont été dédiés à l'identification des composés phénoliques des margines que ce soit pour des études de toxicité (Capasso 1997), d'effet anti-oxydant (Visioli et al. 2Q0^) ou de simple quantification (Lesage-Meessen et al. 2001) (Fig 3).
Cependant, ces études étaient limitées aux composés monoaromatiques séparés par HPLC en phase inverse.
Il est important de noter que certains auteurs ont rapporté l'existence de composés aromatiques de hautes masses moléculaires tels que les anthocyanes et les « tannins- like » (Balice et ai 1982, Hamdi 1991, Zouari 1996) cependant leur structure n'a pas été
définie. Récemment, une molécule complexe « mélanine-like » a été isolée des margines contenant aussi des polysaccharides et des protéines (Renato Capasso 2003,
communication personnelle).
C O O H
R = H tyrosol R= OH hvdrxvtvrosol
Ri = OH et R2 = H -> adde protocatechuique Ri = R2 = OH -» adde gallique
Ri = R2 = OCHa adde syringique
COOH
OCHo
OH
Ri = COOH adde vanillique Ri = COH vanilline
OH
Lutéoline
Ri = OCH3 et R2 = H adde ferrulique Ri = OH et R2 = H adde caféïque Ri = R2 = H -> adde para coumarique
Adde dnnamique
Fig 3 : Les pn'ndpaux composés aromatiques identifiés dans les margines (compilation de plusieurs publications citées dans le texte). La lutéoline et l'apigénine sont des flavonoïdes considérés
comme des unités tonnants les tannins condensés
En revanche la fraction minérale des margines est caractérisée par une forte teneur en potassium, sodium et phosphore (Salvemini 1985). Il n'a jamais été décrit la présence de métaux lourds.
4 Impact des margines sur l'environnement et législation tunisienne
4.1 Impact des margines sur l'environnement
Vu la charge polluante importante des margines, le préjudice qu'elles portent au
milieu récepteur est très important, qu'elles soient rejetées dans le milieu naturel ou dans le réseau public (Bemdt et al. 1996).
4.1.1 Impact sur le milieu naturel
Les margines sont dans la plupart des cas déversées brutes dans le milieu naturel.
Les nuisances et les risques de pollution que peuvent engendrer de tels rejets s'expliquent par la nature même de la margine.
En effet, la forte acidité des effluents a un impact négatif sur le sol et ces constituants. La microflore bactérienne du sol peut être détruite à l'acidification du milieu.
Par ailleurs, le caractère visqueux des margines entraîne la fonnation d'un dépôt
huileux sur le sol et provoque son imperméabilisation en premier stade et son asphyxie par la suite.
Les fortes teneurs en sels potassiques ont aussi un effet néfaste su les plantations.
Les concentrations de phénols existant dans les margines constituent à elles seules un risque important quant à la pollution des nappes souten-aines à la suite des
déversements des margines dans les oueds, milieu favorable à une alimentation directe de la nappe.
Il est à signaler que les margines représentent une charge équivalente au rejet de 2,5 millions d'habitants pour chaque jour de campagne. Cette concentration, 200 fois plus élevée que celle des eaux usées urtsaines, est de nature à sursaturer le milieu récepteur et provoquer des conditions d'anaérobiose et des dégagements d'odeurs nauséabondes.
4.1.2 Impact sur le réseau public
Une des caractéristiques dominantes des eaux de margines est leur agressivité, due bien entendu à leur degré d'acidité considérable, vis-à-vis des matériaux constituant la canalisation.
D'autres part, la présence de matières en suspension, provoque des dépôts de sédiments, surtout au niveau des premiers tronçons des collecteurs. Les problèmes majeurs résultant de ces dépôts sont :
• La réduction du débit des canalisations et les risques de débordement que peuvent occasionner de tels incidents.
• La fermentation anaérobie de ces résidus organiques et la formation de gaz dangereux. Ces derniers, outre l'odeur nauséabonde et les nuisances qu'ils peuvent occasionner aux riverains, contiennent un gaz très corrosif et très toxique, à savoir l'hydrogène sulfuré (H2S). Celui-ci est responsable de la corrosion aussi bien des parois en t>éton que des équipements métalliques.
Quant aux installations de traitement biologiques, des problèmes surgissent lorsque les margines déversées dans le réseau public, parviennent à la station de traitement des eaux résiduaires. Des situations de ce genre sont très fréquentes dans les régions du Sahel de la Tunisie et compromettent l'efficacité du traitement des eaux usées urbaines.
Cet état de choses compromet gravement tant la phase primaire du traitement que sa phase oxydante. Il est à signaler que le total des matières en suspension des margines est 100 fois plus important que celui d'une eau usées domestique brute. De ce fait, même lors d'un faible débit de margines comparé au débit des eaux usées domestiques, l'apport de matières en suspension à la station est loin d'être négligeable. Il y a lieu de noter que, lors de la conception des dites stations de traitement, il ne serait certainement pas économique de prévoir une augmentation correspondante de la capacité de digestion des boues pour des besoins qui ne sont en fait que saisonniers. De plus, le fait que la période oléicole coïncide avec la saison humide et pluvieuse, rend le séchage des boues encore plus difficile et par conséquent aggrave le problème des nuisances. L'impact sur le traitement secondaire (phase oxydante) est souvent négatif. L'efficacité de l'épuration est
considérablement réduite. Cette présence de matière organique a pour conséquence une surcharge des bassins d'oxydation, ce qui nécessité leur sur-dimensionnement. Les équipements d'oxygénation, aérateurs ou surpresseurs, ne suffiront pas pour fournir l'oxygène nécessaire à l'oxydation biochimique des composés organiques. De ce fait, le rendement diminue et la qualité de l'eau épurée ne peut plus être garantie.
4.2 Législation tunisienne
Face à la pollution engendrée par l'oléiculture et l'importance économique de ce secteur dans les pays méditerranéens, notamment en Tunisie des mesures sont prises pour susciter l'engagement tant financier que civique des acteurs de ce secteur.
L'analyse de la législation tunisienne intéressant directement ou indirectement l'environnement démontre l'existence de plusieurs textes régissant la matière. Ces textes peuvent être rassemblés en trois sous-thèmes :
• La protection de l'environnement naturel ;
• La protection des établissements humains ;
• La lutte contre la pollution ;
La problématique des margines est reprise dans les trois thèmes. La protection des eaux continentales est régie par de nombreux textes dont le plus important, le code des eaux, qui fut promulgué par la loi 75-16 du 31 mars 1975. Cette loi prévoit une série d'interdictions propres à prévenir la pollution des eaux de surface et des eaux
souterraines. Elle dégage les dispositions légales relatives au traitement des eaux usées urbaines et à l'assainissement individuel et énonce les conditions générales de rejets dans les milieux récepteurs.
La législation tunisienne est considérée d'avant-garde du fait qu'elle prévoit
l'utilisation d'éléments financiers pour encourager les industriels à entreprendre des projets de dépollution.
La promulgation des normes dans tous les domaines incombe à l'Institut National de la Normalisation et de la Propriété Industrielle (INNORPI). A cet effet, des commissions techniques spécialisées ont été fomiées pour étudier, proposer et adapter les normes internationales au contexte tunisien.
Dans le domaine de la protection de l'environnement, plusieurs normes ont été adoptées. Elles concernent notamment la qualité de l'eau (57 normes), de l'air (35 normes) et la protection de l'environnement (3 normes).
C'est le Ministère de l'Environnement et de l'Aménagement du Territoire (MEAT), via ses opérateurs sous tutelle : l'Office National de l'ASsainissement (ONAS) et l'Agence Nationale pour la Protection de l'Environnement (ANPE), qui effectue le contrôle des entreprises.
5 Méthodes et systèmes développées pour la valorisation et l'élimination des margines
5. / Méthodes et systèmes envisagés
Bien que l'olivier existe depuis l'époque romaine, le problème de la pollution n'est apparu que dans la décade des années soixante. L'extraction de l'huile d'olive fut intégrée traditionnellement par un grand nombre de petits moulins disséminés dans les régions de l'olivier et leurs déchets, de faible débit, se perdaient dans la campagne sans atteindre les voies d'eau.
Avec le développement du processus d'industrialisation au cours des années
cinquante, la plupart de ces moulins disparurent dans toute la zone méditerranéenne. Des coopératives et grandes firmes furent construites, et leurs déchets affectèrent de plus en plus l'environnement. De ce fait, plusieurs chercheurs du bassin méditerranéen se sont proposés depuis les années soixante, de travailler sur la mise en œuvre des moyens et techniques de traiter et/ou valoriser les margines. Les solutions étudiées à ce propos impliquent des procédés physiques, chimiques et biologiques. Souvent une combinaison de deux étapes ou plus est proposée afin d'assurer l'efficacité du traitement. Loin de faire une liste exhaustive, voici quelques systèmes envisagés :
5. /. I Utilisation comme fertilisant
Les margines peuvent être utilisées comme fertilisant de par leur contenu en minéraux (Restas Ros de Ursinos et al. 1981); panni lesquels il y a lieu de distinguer le potassium, le phosphore et le magnésium. Ci dessus sont indiquées les caractéristiques les plus importantes pour l'utilisation agricole des margines (Table 4) (Morisot 1979).
Table 4 : Caractéristiques les plus importantes pour l'utilisation agricole des margines
Solides totaux (%) 5,5--15 P2O5 (ppm) 650 - 2000
PH 4.5 - 5 K2O (ppm) 3500-11200
Conductivité électrique (pS) 8 - 16 MgO (ppm) 150 - 500 N total (ppm) 3 0 0 - 1200 Polyphénols (ppm) 3000 - 8000
Les margines sont très riches en éléments fertilisants, particulièrement en potassium.
Leurs caractéristiques négatives sont leur acidité et salinité, ainsi que leur forte teneur en polyphénols.
• Etant des efHuents acides et très salins, les margines doivent toujours être utilisées avant les semailles ou pendant les périodes de repos des cultures arboricoles. La période écoulée entre l'irrigation et la semaille ne doit pas être
inférieure à trois semaines. Si l'addition est faite pendant les périodes végétatives, celle-ci doit être réalisée lentement afin d'éviter l'action négative éventuelle du changement brusque de la pression osmotique.
• Le potassium et le phosphore contenu dans les margines peuvent remplacer avantageusement le potassium et le phosphore des engrais minéraux que l'on trouve sur le marché.
• L'irrigation avec des margines du terrain cultivable pour des légumes verts à des doses de 100 m^/ha augmente le rendement dans les cultures
expérimentales.
• L'im'gation des oliveraies à des doses de 100 m % a ne suppose pas de toxicité et améliore l'aspect des arbres (Gonzales et al. 1996).
5.1.2 Co-compostage
Le compost s'obtient principalement par la dégradation aérobie-anaérobie de la matière organique présente dans les déchets solides urbains. Une source alternative possible pour l'obtention du compost peut consister en un mélange de déchets agricoles, forestiers et urbains avec les margines. Le but de ce processus serait de favoriser la croissance des micro-organismes étant donné leur contenu élevé en substances facilement fermentescibles.
Actuellement, on commercialise, avec de très bons résultats pour son application en serres, le compost résultant de l'évaporation des margines stockées dans des bassins.
Ces composts ne contiennent pas d'organismes pathogènes et peuvent donc rivaliser avec ceux provenant des poubelles ou de la boue d'épurateurs (Montano et Zafra 1986). Une installation pilote assurant la co-digestion des margines avec les grignons a aussi montré son efficacité (Vlyssides et al. 1996).
5.7.5 Incinération
Les margines sont out d'abord séchées avant que la matière organique qu'elles contiennent ne soit calcinée (Arpino 1979) ; cependant, la technique reste non rentable économiquement (Bemdt et al. 1996).
5.1.4 Concentration thermique par distillation
Des essais de distillation ont été entrepris en 1977 par l'Office National
d'Assainissement (ONAS) sur une installation pilote. Le procédé adopté est celui de la distillation étagée avec circulation naturelle pour les deux premiers étages et une
circulation forcée pour le troisième. A l'issue du troisième étage, le distillât obtenu présente
une DCO dix fois inférieure à sa valeur initiale (Bemdt et al. 1996). L'application de ce procédé diminue de 70 à 75% le volume d'eaux résiduelles. Le concentré obtenu peut servire d'additif de haute valeur nutritive dans l'alimentation animale, de fertilisant ou de combustible dans la chaudière de distillation. De plus, l'eau évaporée et épurée peut être réutilisée dans le moulin à huile (Amirante 1983 et Valenzuela 1986). Bien que ce procédé ait fournit d'excellents résultats sur le plan de l'épuration, des problèmes d'exploitation ont été relevés lors des essais. En effet, des phénomènes d'incrustation ont été identifiés au niveau des surfaces d'échange de chaleur, rendant nécessaires des opérations fréquentes de décapage. D'autre part, les teneurs élevées en chlorures combinées au pH acide sont de nature à induire des phénomènes de corrosion. Au vu de ces problèmes, il ressort clairement que l'exploitation à l'échelle industrielle serait très sophistiquée requérant un personnel hautement qualifié et des frais d'exploitation élevés. Cependant, plus
récemment, Amirante et ses collaborateurs (1996) ont décrit une installation qui au bout de trois ans d'exploitation semble fournir des résultats concluants.
5.1.5 Cryo-concentration
Le principe consiste à refroidir les margines jusqu'à congélation. L'eau pure forme des cristaux qui, du fait de leur faible densité, vont monter vers la surface, en laissant au fond un sirop de polluants organiques (Francione et al. 1996).
5.1.6 Processus membranaires
Ces techniques visent la séparation des substances qui constituent les margines selon leurs poids moléculaires, la taille des particules ou la charge électrique. Ce sont des membranes asymétriques poreuses de différents diamètres. L'avantage de ces techniques dans le cas des margines est double. D'une part, elles permettent d'associer à l'épuration, la récupération de produits d'intérêt industriel. Les inconvénients de ces techniques sont dus aux tensions superficielles et interfaciales élevées des margines qui provoquent des phénomènes de polarisation lors du passage à travers les membranes ce qui empêche généralement le fonctionnement correct du procédé (Carrieri 1978 et Reimer 1983).
5.1.7 Production de POU (Protéines d'Organismes Unicellulaires) et d'algues
Les protéines d'organismes unicellulaires, destinées à l'alimentation animale, connurent beaucoup de succès dans les années 70 et 80. Sur les margines, plusieurs micro-organismes peuvent être utilisés à cet effet.
• Les levures : Les principaux essais de production de levures en tant
qu'aliments sont ceux de Restas Ros de Ursinos (1981) qui rapporte des concentrations finales en Torulopsis utilis de 13 g/1, et ceux de Ercoli et Ertola
