valorisation de co-produits d'industrie agro- alimentaire...
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Valorisation de co-produits d'industrie agro-alimentaire par procédés d'éco-extraction de
polyphénols antioxydants
Krasimir DIMITROV
Journées thématiques « Extraction »22 Mars 2018, Amiens
11 Avril 2018, Reims
Institut Charles Viollette(ICV)
ProBioGEM
Procédés Biologiques, Génie
Enzymatique et Microbien
ASQV
Adaptation aux Stress
et Qualité des Végétaux
QSA
Qualité et Sécurité des
Aliments
Institut régional de recherche en Agro-alimentaire et BiotechnologieEA 7394
2
Eco-procédés d’extraction et de purification de biomolécules
Biomolécules fonctionnelles
* Eco-conception
des procédés
* Etude des
transferts
* Etude de la
cinétique
* Intensification
des procédés
* Modélisation
* Optimisation
multicritères
* Changement
d’échelle
Sources (végétales, animales, co-produits)Aronia, caroube, chicorée, cruor, grenade, luzerne, maté, pomme de terre, quinoa ...
Polyphénols, protéines, peptides …
Ingrédients fonctionnelsAntioxydants, colorants, conservateurs naturels
Eco-extraction de
biomolécules
Séparation et purification de
biomolécules
Intégration des procédés pour l’obtention sélective de
biomolécules
Prise en compte de l’impact environnemental des procédés
6 permanents, 4 non permanents (post doc, doctorant, IE)
Eco-procédésICV
4
Exemple de développement des procédés innovants
Intensification par l’intégration des procédés
(extraction et purification simultanées de polyphénols)
4
Eco-procédésICV
5
Baies d’aronia fraiches
Jus d’aronia Co-produit
Extrait d’aronia
Extraction du jus
extraction par solvant
adsorption
Extrait d’aronia enrichi
Industrie alimentaire
cosmétique
pharmaceutique
contient encore jusqu’à 8% de polyphénols
Eco-procédésICV
ExtracteurPompe
Colonne
d’adsorption
Séparation de
l’extrait de la
source épuisée
Etape 2 : Enrichissement par adsorption
Extraction et adsorption successives
Etape 1 : Extraction
Elution de la colonne
Extrait enrichi
6
Eco-procédésICV
Procédé intégré extraction-adsorption
Elution de la colonne
Extrait enrichi
Pompe
colonne
d’adsorption
Extracteur
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Eco-procédésICV
Procédé innovant
Eco-procédé (réduction du nombre des
opérations, de l’énergie et du temps, solvants
de degré alimentaire, pas de chauffage)
Gain en rendement d’environ 25%
Gain en productivité de plus de 2 fois
Fractionnement lors de l’élution
Extraits très concentrés en polyphénols
(jusqu’à 12 g/L)
Enrichissement jusqu’à 15 fois
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Procédé intégré extraction-adsorption
Galván D’Alessandro et al., Separation and Purification Technology 120:92–101 (2013)
Eco-procédésICV
x 50
Evaluation de la faisabilité du procédé intégré à l’échelle pilote
Echelle pilote
Echelle laboratoire
200 g de co-produit d’aronia
200 g d’adsorbant
40 L d’eau
4 g de co-produit d’aronia
4 g d’adsorbant
0,8 L d’eau
Durée de 8h
aux 2 échelles
Les performances du procédé intégré extraction-adsorption sont
maintenues lors de la montée en échelle (facteur 50)
10
Vauchel et al., Journal of Food Engineering 158:1-7 (2015)
Eco-procédésICV
Exemple d’innovation dans la méthodologie
Optimisation multicritères de l’extraction assistée par ultrasons
de polyphénols antioxydants à partir de co-produits d’industrie
agro-alimentaire
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Eco-procédésICV
12
Extraction assistée par ultrasons (UAE) : éco-extraction
• réduction du temps d’extraction
• préservation de molécules thermosensibles
• solvants de degré alimentaire (eau, éthanol, leurs mélanges)
Optimisation et modélisation (deux approches) :
• Plan d’expériences (les paramètres principaux étudiés à 3 niveaux : -1, 0 et +1)
• Modèles cinétiques (suivi de l’évolution du rendement en fonction du temps) :
très important d’arrêter l’extraction au moment juste : réduire l’énergie et le
temps
Manque d’information concernant la consommation d’énergie aux cours de
l’extraction
Eco-procédésICV
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Développement d’un nouveau modèle d’optimisation multicritères en
considérant à la fois :
- le rendement d’extraction de polyphénols totaux (TP)
- l’activité antioxydante d’extraits (AA)
- la consommation d’énergie (E)
Modélisation de la cinétique des TP, AA and E en fonction des paramètres
opératoires :
- Température (T)
- Teneur d’éthanol dans le solvant (S)
- Puissance d’ultrasons (US)
Modèle hybride combinant les avantages du plan
d’expériences et les modèles cinétiques
Eco-procédésICV
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Paramètres variés :
- T (20-60°C)
- S (0-60% EtOH)
- US (0-100W)
Moteur d’agitation
Thermostat
Générateur d’ultrasons
100 Watt
Mesure de la consommation d’énergie
Paramètres fixes :
- Ratio solide-solvant (1/40)
- Vitesse d’agitation (160 rpm)
- Taille de particules (~ 5-10 mm)
- t (0-120 min)
Plan d’expériences
Plan composite à faces centrées17 expériences (3 niveaux: T, S et US)
+Suivie de la cinétique de TP, AA
et E pour chaque expérience14 échantillons en fonction du temps
Eco-procédésICV
15
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 50 100 150
Re
nd
em
ent p
oly
ph
eno
ls to
tau
x, m
g EA
G/1
00
g M
.S.
Temps, min
60% EtOH, 60°C, 100W - exp
60% EtOH, 60°C, 100W - mod
Validation 45% EtOH, 50°C, 75W - exp
Validation 45% EtOH, 50°C, 75W - mod
30% EtOH, 40°C, 50W - exp
30% EtOH, 40°C, 50W - mod
0% EtOH, 20°C, 0W -exp
0% EtOH, 20°C, 0W -mod
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 50 100 150
Con
som
mat
ion
d'é
ner
gie,
kW
h
Temps, min
60% EtOH, 60°C, 100W - exp
60% EtOH, 60°C, 100W - mod
Validation 45% EtOH, 50°C, 75W - exp
Validation 45% EtOH, 50°C, 75W - mod
30% EtOH, 40°C, 50W - exp
30% EtOH, 40°C, 50W - mod
0% EtOH, 20°C, 0W -exp
0% EtOH, 20°C, 0W -mod
60 % EtOH, 60 °C, 100 W
45 % EtOH, 50 °C, 75 W
(validation)
30 % EtOH, 40 °C, 50 W
0 % EtOH, 20 °C, 0 W
Moyenne des 17 essais Validation
PT AA E PT AA E
NRMSD moyen
[Min-max] (%)
5
2,4-10,6
7,2
3,2-14,4
2,5
0,4-7,6
5,5 9,5 2,05
Eco-procédésICV
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Le modèle décrit bien les cinétiques expérimentales
Permet de voir les impacts des différents paramètres opératoires sur les 3
réponses PT, AA et E
Offre la possibilité de faire différentes simulations :
• Définir les conditions opératoires pour obtenir :
- une valeur cible de TP ou d’AA en minimum de temps
- une valeur cible de TP ou d’AA en utilisant minimum énergie
• Différentes restrictions peuvent être imposées :
- extraction sans US
- extraction à température ambiante
- extraction aqueuse
Eco-procédésICV
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Exemple :
Objectif : obtenir une valeur de PT en utilisant minimum énergie(720 mg GAE / 100 g dw: 95% du rendement maximal dans les conditions moins favorables)
Pradal et al., Ultrason. Sonochem., 32, pp. 137-146, 2016
Sans assistance d’US
(restriction dans le modèle)
Avec assistance d’US
(pas de restrictions)
US = 0 W US = 100 W
T = 23 °C T = 24 °C
S = 51 % EtOH S = 60 % EtOH
t = 113 min t = 59 min
0,42 kWh 0,37 kWh
Energie : 13% moins d’énergie dans le cas d’assistance d’US (100 W)
Temps : Presque 2 fois plus rapide dans le cas d’assistance d’US (100 W)
Eco-procédésICV
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Exemple :
Objectif : obtenir une valeur d’AA en utilisant minimum énergie
(2200 µM TEAC / g dw : 95% de l’AA max dans les conditions moins favorables)
Sans assistance d’US
(restriction dans le modèle)
Avec assistance d’US
(pas de restrictions)
US = 0 W US = 100 W
T = 59 °C T = 59 °C
S = 16 % EtOH S = 16 % EtOH
t = 198 min t = 132 min
2.65 kWh 1.70 kWh
Energie : 36% moins d’énergie dans le cas d’assistance d’US (100 W)
Temps : 76 min plus rapide dans le cas d’assistance d’US (100 W)
Utilisation du modèle pour autres sources :
Extraction à partir des écorces de grenade
Eco-procédésICV
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Effet bénéfique d’US sur l’AA (similaire pour les PT) :
- Temps : effet d’US très important au début, diminue avec le temps
- Température : effet d’US diminue avec l’augmentation de la T
Gain en % en AA lorsque l’US est utilisé à puissance max (100 W)
(comparaison sans et avec US, S = 0 % EtOH, US = 100 W, données modèle)
20 30 40 50 60
0
50
100
150
200
250
550
95140
185230
T (°C)
t (min)2030
4050
60
0
10
20
30
40
50
60
70
80
550
95
T ( C)
Impact des US sur AA (%)
t (min)
Marc de chicorée Ecorces de grenade
Eco-procédésICV
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Résultats
L’application d’ultrasons permet de réduire :
- la durée d’extraction
- la consommation énergétique du procédé
Critères
• Rendement d’extraction
• Activité antioxydante
• Consommation énergétique
+ indicateurs d’impacts
environnementaux???
Evaluation des impacts environnementaux
Eco-procédésICV
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L’analyse du cycle de vie
• Multi-étapes • Multi-critères
« Les ACV examinent de manière systématique les aspects et les impacts
environnementaux des systèmes de produits, depuis l'acquisition des matières
premières jusqu'à l'élimination finale (…) » ISO 14040
Eco-procédésICV
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Analyse comparative : Effet des ultrasons
Conditions opératoires : eau comme solvant, 20°C
Outil : SimaPro PhD v. 8.1.1.16
Données : EcoInvent 3.1
Méthode : ILCD 2011 midpoint
Climate change (CC)
Ozone depletion (OD)
Particulate matter (PM)
Acidification (A)
Terrestrial eutrophication (TEu)
Freshwater eutrophication (FEu)
Marine eutrophication (MEu)
Land use (LU)
Water resource depletion (WD)
Mineral, fossil & renewable
resource depletion (RD)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Rela
tive i
mp
act
(%)
Impact categories
without US with US
Eco-procédésICV
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Projet INEXUSprojet international, programme Ira-SME
(1 480 k€), 5 partenaires dont 2 entreprises
(2017-2020)
Projet ALIBIOTECHfinancement par la région Hauts-de-France et les fonds européens pour le
développement régional CPER – FEDER (environ 4 000 k€),
6 partenaires, ICV porteur du projet (2016-2020)
WP3 : Intensification des Eco-procédés d’extraction, fractionnement et
purification pour la bio-valorisation de ressources agro-alimentaires et agricoles
Projet ACV-ProPABioprojet régional Hauts-de-France (100 k€),
4 partenaires dont 1 entreprise,
ICV porteur du projet (2015-2017)
Projet PEPSprogramme PEPS, financé par la région
Hauts-de-France (15 k€), 3 partenaires,
ICV porteur du projet, 1 an (2016)
Eco-procédésICV
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Echelle laboratoire (1 L)
Echelle pilote (50 L)
Prototype grand volume (400 L)
Verrous technologiques- Homogénéité de la sonication- Résistance des générateurs US- Adaptation à des équipements industriels existants
Echelle Industrielle
(1000-5000 L)
Eco-procédésICV
INtensification of EXtraction processes of bioactive compounds from plant material with Ultrasonic Systems (INEXUS)