Tesis sobre el tema "Extraction intensification"

Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’effet du traitement par champs électriques pulsés (CEP) sur l’amélioration de la congélation des tissus végétaux. Pour l’ensemble de notre étude, nous avons démontré que l’effet des champs électriques pulsés est complexe. Le prétraitement entraîne une électroperméabilisation des membranes. Les analyses calorimétriques ont mis en évidence que l’électroperméabilisation conduit à une augmentation de la teneur en eau liée. Les transferts de matière entre les milieux intra et extracellulaires sont intensifiés. Cela conduit à une modification dynamique de la composition des deux compartiments au cours de la congélation. En effet, les essais réalisés sur le cryo-pressage assisté par CEP démontrent que les températures de fusion sont plus basses et que le jus récupéré est beaucoup plus concentré. Il a été constaté que le temps de congélation d’un échantillon soumis préalablement à un prétraitement par champs électriques pulsés est sensiblement plus court que celui d’un échantillon sans prétraitement. D’autre part, l’électroperméabilisation facilite les transferts de matière avec le milieu extérieur. Le prétraitement par CEP accélère notamment l’imprégnation des tissus végétaux par des cryoprotectants, l’évaporation de l’eau libre et la sublimation de l’eau congelée. Finalement, le prétraitement par champs électriques pulsés induit des modifications de la structure des échantillons, de leur composition et influence favorablement les transferts couplés de masse et d’énergie
This work is focused on the study of the effects of pulsed electric fields (PEF) on the improvement of plant tissues freezing. These studies have demonstrated that the effects of the PEF are rather complex. The PEF treatment results in membrane electro-permeabilization. Calorimetric analyses showed that the electro-permeabilization leads to an increase in bound water content. It also results in acceleration of mass transfer processes between intra- and extracellular parts of a tissue. The dynamic modification of the composition of these two parts during the freezing was observed. Experimental tests using the PEF-assisted cryo-pressing demonstrated that the melting temperatures were lower and that the extracted juice was much more concentrated as compared to untreated tissues. Moreover, the PEF-treatment allowed significant decreasing of freezing time. Furthermore, the electro-permeabilization facilitates the mass transfer with the external medium. The PEF treatment accelerates the impregnation of plant tissues by cryoprotectants, evaporation of free water and sublimation of frozen water. Finally, the treatment by PEF induces changes in the structure of the samples, their composition and positively influences both the mass and energy transfers

Cette étude porte sur l’analyse fondamentale et expérimentale des processus d’extraction des procédés conventionnels et innovants. L’intensification de ces techniques s’est tout d’abord basée sur des approches théoriques. D’une part, nous nous sommes focalisés sur « le paradoxe » généré par l’extraction conventionnelle des huiles essentielles et les issues et solutions que la Détente Instantanée Contrôlée (DIC) ou les Micro-Ondes (MO) peuvent apporter. D’autre part, nous nous sommes intéressés à la problématique d’intensification des opérations d’extraction par solvant des composés non-volatils à partir de végétaux. La spécificité des processus diffusionnels leur donne une importance particulière en raison de la structure propre de la matière, traduisant ainsi une mauvaise aptitude technologique intrinsèque. L’amélioration de l’extraction par l’action de la DIC sur la structure de la matrice, des MO sur le chauffage et des UltraSons (US) sur la micro-agitation, permet d’envisager un couplage, de conduire à une intensification après optimisation souvent multicritères (cinétique, qualité et énergie). La DIC a été appliquée sur des feuilles de romarin et des écorces d’orange afin d’en extraire les huiles essentielles. Ce traitement a permis d’accéder à une expansion et de parvenir à une intensification de l’extraction des molécules antioxydantes. Nous avons donc procédé à une combinaison DIC/MO pour le romarin et DIC/US pour les écorces d’orange. Enfin, la cinétique de l’extraction d’huiles de colza a été intensifiée par un prétraitement DIC et étudiée à travers une modélisation dont l’un des aspects a été une diffusion de type Fick couplée à une solution de Crank
This study focuses on fundamental analysis and experimental work carried out on extraction via conventional and innovative processes. The intensification of these techniques is first based on theoretical approaches. On the one hand, we focused our meditation on examining the "paradox" generated by conventional steam-distillation of essential oils, and suggested solutions from Instant Controlled Pressure Drop (DIC) or Microwave (MW). On the other hand, we were interested in the problematic of solvent extraction operations of plant-based non-volatile compounds. The specificity of the diffusional process gives them a special importance because of the specific structure of the material, reflecting poor intrinsic technological ability. Improving extraction by letting DIC act on the structure of the matrix, MW on heating, and UltraSound (US) on the micro-agitation, allows to coupling technologies leading to a perfect intensification and thus multi-criteria optimization (kinetics, quality and energy). DIC was applied to the leaves of rosemary and orange peel to extract essential oils. This treatment has access to expansion and to achieve increased extraction of antioxidant molecules. We therefore conducted a combination DIC/MW for rosemary and DIC/US for orange peel. Finally, the extraction kinetics of rapeseed oil has been intensified by DIC pretreatment. This kinetics was identified through modeling including Fick diffusion coupled to a Crank solution

L’éco extraction apparaisse depuis quelques années comme une nouvelle tendance en matière de technique de valorisation des ressources naturelles. Avec une préoccupation de plus en plus importante concernant la sécurité, la santé mais également l’environnement, l’utilisation d’huiles végétales en tant que solvant alternatifs a été envisagée dans ce travail pour réaliser l’extraction de substances naturelles. Divers composés, avec des propriétés plus ou moins polaires ont été extrait à partir d’une sélection très variée d’huiles végétales.Dans un premier temps, la solubilité de composés aromatiques a été étudiée, de manière originale, grâce à une modélisation théorique des paramètres de solubilités de Hansen. Puis, des études expérimentales ont été réalisées afin de conforter cette approche. Des analyses statistiques permirent d’établir un classement selon le pouvoir solvant de ces derniers, ce qui nous a permis de sélectionner la meilleure huile pour l’extraction des composés aromatiques. Nous nous sommes également inspirés de la théorie du paradoxe polaire, pour réaliser l’extraction de composés phénoliques à l’aide d’huiles végétales. A ce stade, l’addition appropriée de tensioactifs; pourrait permettre d’augmenter significativement l’efficacité de l’extraction des composés cibles ce qui a été analysé de manière plus poussée afin de mettre en évidence l’effet des tensioactifs sur la structure supramoléculaire des huiles végétales. Pour terminer ce travail, l’extraction des caroténoïdes a été intensifiée à l’aide des ultrasons, tout en utilisant l’huile de tournesol comme solvant. Ce procédé optimal a été comparé au procédé conventionnel en termes de temps, de rendement mais également d’impacts environnementaux
The green extraction has arisen as a new trend in the valorisation of natural resources. As the growing concern on thesafety, health and environment, vegetable oils as alternative solvents have drawn great interests in the green extractionof bioactive compounds from nature plants. Apart from lipophilic carotenoids in this work., compounds with more polarproperties have been initially studied.Firstly, the solubility of major volatile aroma compounds in various vegetable oils was originally investigated through atheoretical modelling of their Hansen solubility parameters, followed by real experimental extractions for verification.Multivariate statistical analyses assisted to classify the solvent power of these oil solvents so as to select the optimal oil.Secondly, the revisit of polar paradox theory inspired us to achieve direct extraction of phenolic compounds usingvegetable oils as solvents. The appropriate addition of surfactants could significantly increase the extraction efficiency.The small angle X-ray scatting helped to further study the effect of surfactants on the supramolecular structure of thevegetable oils. Lastly, the extraction of carotenoids was intensified with the integration of ultrasounds and sunflower oilas the substitute to organic solvents, in which the optimized procedure has been compared with the conventional organicsolvent extraction in terms of procedures, kinetics, yields and environmental impacts

Виконано дослідження по встановленню перспективних способів, принципових та конструктивних рішень для інтенсифікації отримання екстрактів із заморожених плодів та ягід, запропонована нова конструкція екстрактора з гідроімпульсним приводом.
The research to establish perspective methods, principle and structural decisions for the intensification of obtaining extracts from frozen fruits and berries, , a new design of an extractor with a hydropulse drive was proposed

Cette étude porte sur l’amélioration de l’extraction des polyphénols à partir des marcs de raisin par des électrotechnologies : les décharges électriques de haute-tension (DEHT) et les champs électriques pulsés (CEP). Ces techniques permettent d’endommager les membranes et/ou parois cellulaires facilitant ainsi la libération du contenu intracellulaire vers le milieu extérieur. Le procédé global d’extraction développé se compose d’une diffusion aqueuse ou hydro-alcoolique assistée par un prétraitement électrique (CEP ou DEHT), suivie d’une étape de purification par extraction sur phase solide, et d’un séchage par lyophilisation. L’étude de l’effet des paramètres opératoires pour chacune de ces étapes a permis d’optimiser le procédé afin d’obtenir des poudres riches en polyphénols antioxydants. L’utilisation d’un prétraitement électrique a ainsi permis d’extraire jusqu’à 10 fois plus de polyphénols. Des essais réalisés à l’échelle semi-pilote ont confirmé l’efficacité des DEHT sur l’amélioration de l’extraction des polyphénols. La méthode d’extraction étudiée a aussi été appliquée sur chaque constituant du marc de raisin (pellicules, rafles et pépins). Ces travaux ont également mis en évidence l’impact de l’onde de choc produite lors des DEHT sur la fragmentation du produit et donc sur l’extraction des composés. Enfin, les cinétiques d’extraction des polyphénols ont pu être modélisées par le modèle empirique de Peleg et le modèle théorique de Fick afin d’estimer les rendements d’extraction au cours du temps
This study is about the intensification of the polyphenols extraction from grape pomace by electrotechnologies: high voltage electrical discharges (HVED) and pulsed electric fields (PEF). These techniques can damage cell membranes and/or cell wall thus enhancing the release of intracellular compounds. The developed extraction process is divided into three steps: an electrically assisted aqueous or hydro-ethanolic diffusion, a purification process by solid phase extraction, and a drying process (by freeze-drying). The optimization study of the main operating parameters for each process resulted in the production of a powder rich in antioxydant polyphenols. The application of an electrical pretreatment allowed increasing up to 10 times the extraction yields of polyphenols. Experiments performed at the semi-pilot scale have confirmed the positive effect of HVED on polyphenols extraction improvement. It was possible to apply this extraction method on each grape pomace component (skins, seeds and stems). Results have also shown the effect of the high pressure wave produced during HVED on the product fragmentation that increases the extraction of interest compounds. Finally, the kinetics of polyphenols have been described by the empirical Peleg’s model and the theoretical Fick’s model in order to estimate the polyphenols yields at a desired time

Dans le contexte du développement de l’hydrogène-énergie, de nouvelles voies de production renouvelables sont étudiées, parmi lesquelles la fermentation obscure est un processus biologique convertissant la biomasse. Dans cette étude, ce procédé a été optimisé en réacteur agité semibatch par la sélection de cultures mixtes (boues de station d’épuration) et l’optimisation des paramètres de fermentation associés (température, ajout de substrat, régulation du pH). La présence majoritaire de bactéries du genre Clostridium a été observée dans le milieu fermentaire. Différents modes d’extraction des gaz produits ont été évalués, permettant d’intensifier le procédé par l’utilisation d’un gaz de balayage (N2 ou CO2). La mise en œuvre efficace en fonctionnement continu d’un bioréacteur membranaire dans une configuration d’extraction gaz/liquide a permis d’améliorer le rendement (> + 90%) et la productivité en H2 (> + 300%) par rapport au mode de fonctionnement continu en réacteur agité. Enfin, l’utilisation d’un substrat réel (bourbes viticoles) a permis de prouver la faisabilité du procédé dans une perspective d’industrialisation
In the context of the development of hydrogen-energy, new renewable production ways are studied, among which dark fermentation is a biological process converting the biomass. In this study, this process was optimized for a semibatch reactor by the selection of mixed cultures (waste water treatment plant sludges) and the optimization of associated parameters of fermentation (temperature, add of substrate, pH regulation). The presence in majority of bacteria from the genus Clostridium was observed in the fermentation broth. Different extraction modes of the produced gas were evaluated, allowing to intensify the process by the use of a sparging gas (N2 or CO2). The successful implementation in continuous mode of a membrane bioreactor in a configuration of gas/liquid extraction allowed an increase in H2 yield (> + 90%) and productivity (> + 300%) compared to the continuous stirred tank reactor. Finally, the use of a real substrate (winery waste) allowed to prove the feasibility of this process in the prospect of industrialization

La présente étude porte sur l’analyse fondamentale et expérimentale des procédés d’extraction des volatils. Les méthodes conventionnelles d’hydrodistillation et d’entrainement à la vapeur dans l’extraction des composés volatils (huiles essentielles…), impliquent une cinétique ralentie voire bloquée par « le processus paradoxal ». Ce dernier est dû au couplage de la génération interne de vapeur impliquant deux transferts couplés de vapeur (par diffusion) et de chaleur (par conduction). Ces deux transferts sont alors dirigés de la surface d’échange vers l’intérieur. Seul un processus de transfert partiel de la vapeur par front progressif assure l’évolution du processus. La cinétique est ainsi inévitablement lente, générant un niveau élevé de consommation d’énergie et induisant une dégradation potentielle de la matière extraite. Pour faire face à cette situation, une modification du type de transfert est essentielle. Nous avons opté pour un transfert de type Darcy au lieu du transfert de Fick, soit un gradient de pression totale au lieu du gradient de pression partielle comme « driving force ». Nous avons ainsi choisi la Détente Instantanée Contrôlée DIC comme procédé générant, suite à la détente vers le vide, une autovaporisation instantanée couplée à un grand gradient de pression totale de l’intérieur du matériau vers le milieu environnant sous vide. La détente instantanée contrôlée (DIC) a été étudiée, selon la méthodologie des plans d’expériences dans le but d’évaluer l’impact des variables opératoires sur l’extraction et de définir les paramètres optimums. Le nombre de cycles et le temps de traitement ont été pris comme paramètres indépendants. Ces paramètres sont appropriés pour représenter les aspects mécaniques et thermiques du processus DIC. L’extraction directe de l’huile essentielle du bois de santal par DIC-MP, gérée essentiellement par le nombre de cycles, indépendamment du temps de traitement, est une autovaporisation des composés volatils. Cette nouvelle méthode a ensuite été comparée tout au long de sa mise en application à l’hydrodistillation. Alors que la méthode traditionnelle d’extraction de l’huile essentielle du bois de santal requiert 140 h, l’optimisation de la DIC nous a permis de réaliser l’extraction en seulement 6 minutes, avec des rendements pratiquement similaires. Dans un dernier temps, une approche écologique et une compréhension du phénomène mis en jeu pour l’extraction des huiles essentielles par DIC ont été abordées. La rapidité de la procédure, la réduction du coût énergétique et le bon impact environnemental font de la DIC une technique industrielle particulièrement innovante et hautement attrayante
This study focuses on fundamental analysis and experimental work carried out on extraction via conventional and innovative processes. The extraction of volatile compounds (essential oils ...) through hydrodistillation or steam distillation as conventional methods is slowed or even blocked because of "the paradoxical process". The latter is due to the coupling of vapor and heat transfers, both directed from the exchange surface towards product core. Only partial vapor transfer by progressive forehead ensures the evolution of the process. The kinetics is so inevitably slow, implying high energy consumption and inducing a high degradation of both extracted and residual material. To face this situation, changing the nature of the transfer is essential. We considered the total pressure gradient instead of the vapor pressure gradient as "driving force". Instant Controlled Pressure Drop DIC was used. Instant releasing of high pressure/high pressure towards a vacuum leads to instant autovaporisation, implying a Darcy-type transfer of vapor within the material to the surrounding medium vacuum. Instant Controlled Pressure Drop (DIC) was investigated, according to the Response surface methodology RSM in order to evaluate the impact of process variables on the extraction and to define the optimal settings. The number of treatment cycles and treatment time were taken as independent parameters. These parameters were appropriated to represent both mechanical and thermal impacts of DIC process. Direct extraction of the essential oil of sandalwood DIC-MP, managed primarily by the number of cycles, regardless of treatment time, is an autovaporization of volatile compounds. This new method was then compared throughout its application to steam distillation. While traditional extraction method requires 140 hours, optimized DIC allowed performing essential oil extraction of sandalwood in only 6 minutes, with substantially similar yields. Finally, environment approach and understanding of the phenomena involved in DIC extraction of essential oils were addressed. By dramatically reducing the treatment time and the energy consumption, DIC is a particularly innovative, exceptionally effective and highly attractive environment-friendly essential oil extraction technique

La présente thèse traite, au travers d’une analyse fondamentale et expérimentale, l’effet de texturation par détente instantanée contrôlée (DIC) sur les phénomènes de transfert au cours des processus de séchage, d’extraction mécanique et de comportement rhéologique. Les produits concernés ont été les graines de caroube (gomme et germe) et deux variétés de graines de tournesol (linoléique et oléique). La texturation DIC permet d’agir sur la cinétique de séchage par flux d’air ce qui conduit à une intensification des processus de séchage par flux d’air tout en assurant une bonne préservation de la qualité nutritionnelle du produit fini. L’étude expérimentale a été couplée à une analyse phénoménologique de la cinétique à travers une modélisation de type CWD (coupled Washing/Diffusion). Cette dernière étude conduit à une évaluation de l’impact de la texturation sur la diffusivité effective Deff et l’accessibilité initiale δWs. D’autre part, l’étude expérimentale en vue de l’optimisation de l’opération a été réalisée à travers la méthode des plans d’expériences. La modification des paramètres opératoires fonctionnels de la DIC, à savoir la pression absolue de vapeur d’eau saturée sèche (P), et le temps de traitement thermique (t), ainsi que le nombre des cycles (c) sur l’ensemble des performances de l’opération a été établie sur le comportement rhéologique de la gomme de caroube. Une deuxième partie de la thèse a été consacrée à l’étude fondamentale et expérimentale des procédés d’extraction d’huile de tournesol des deux variétés de graines linoléiques et oléiques. Le traitement thermomécanique par détente instantanée contrôlée (DIC) permet, à travers une modification contrôlée de la structure de la matière première, d’agir sur l’extraction mécanique par presse à froid des huiles de tournesol, ainsi que sur l’extraction par solvant de l’huile à partir du tourteau résiduel. Un complément à cette opération a consisté en l’extraction par solvant (n-hexane) opérée sur l’ensemble des graines de tournesol. La texturation DIC a conduit à une grande augmentation du rendement en huile pour les variétés linoléique et oléique. La préservation de la qualité de l’huile et du tourteau prouve l’adéquation de la DIC avec l’absence pratique de la dégradation chimique. Notre étude a également concerné la définition d’un nouveau procédé de désodorisation. Il s’agit de l’utilisation de l’Autovaporisation Multi-Flash MFA sur le raffinage de l’huile de tournesol. Cette technologie innovante de désodorisation se distingue par son faible niveau de température assurant ainsi une sévérité nettement inférieure à celle des méthodes conventionnelles à haute température
This thesis deals with a fundamental and experimental analysis of the effect of instant controlled pressure drop (DIC) on the transfer phenomena and rheological behavior, which occurs during the drying process and mechanical and solvent extraction. The products concerned were carob seeds (gum and germ) and two varieties of sunflower seeds (linoleic and oleic). DIC texturing makes it possible to greatly modify the drying kinetics, leading to an effective intensification of the drying processes while maintaining a good preservation of the nutritional quality of the finished product. The experimental study was coupled with a phenomenological kinetic model using the CWD (coupled Washing/Diffusion). This study leads to evaluate the impact of texturing on the effective diffusivity Deff and the initial accessibility δWs. On the other hand, the experimental study for the optimization of the operation was carried out through an adequate experimental design method. The impact of the DIC processing parameters, namely the absolute pressure of saturated dry water vapor (P), and the heat treatment time (t), as well as the number of cycles (c) was established on the rheological behavior of the carob bean gum. A second part of our work was devoted to the theoretical and experimental study of sunflower oil extraction processes of the two types of linoleic and oleic seeds. By acting as a controlled modification of the raw material, (DIC) texturing allowed increasing the yield of sunflower oil by both cold pressing and solvent extraction from the residual cake. DIC texturing has led to a large increase in oil yield for both linoleic and oleic varieties. The preservation of the quality of oil demonstrates that DIC was perfectly adequate with a perfect absence of chemical degradation. Our study also involved the definition of a new deodorization process. This is the use of the Multi-Flash Autovaporization MFA on the refining of sunflower oil. This innovative deodorization technology is characterized by its low temperature level, thus ensuring a much lower severity than conventional high temperature methods

La racine forcée d’endive est un coproduit de la culture de l’endive, produit caractéristique du Nord de la France, de la Belgique et des Pays-Bas. Actuellement sous utilisé en méthanisation ou en alimentation animale, ce coproduit contient pourtant des molécules d’intérêts à haute valeur ajoutée : les acides caféoylquiniques. Ces molécules possèdent des activités antioxydantes, anti-inflammatoires et permettent de limiter les maladies du désordre métabolique. Ce travail de thèse vise à intensifier le prétraitement, l’extraction, la purification et la fonctionnalisation des acides caféoylquiniques à partir des racines forcées pour développer de nouvelles molécules bioactives biosourcées potentiellement intéressantes pour le secteur cosmétique et nutraceutique. Une dernière partie de la thèse porte sur l’étude technico-économique du procédé pour estimer sa rentabilité économique en fonction du secteur d’application visé. La première partie porte sur l’effet des prétraitements conventionnels (découpe et séchage) ainsi que l’effet d’un prétraitement électrique par champs électriques pulsés sur les teneurs en acides caféoylquiniques dans la biomasse. L’effet de l’ajout d’une solution antioxydante lors de l’extraction est également étudié. Dans un deuxième temps, une optimisation de l’extraction est réalisée à partir de biomasse sèche et fraiche. L’influence de facteurs tels que la température, le ratio solide/liquide, ainsi que la nature du solvant a été étudiée. De plus, des cinétiques d’extraction ont été tracées pour étudier les paramètres cinétiques à l’aide d’un modèle empirique. La pureté de l’extrait obtenu étant faible, des étapes de purification sont donc nécessaires. Par la suite, les travaux se sont portés sur la purification de l’extrait brut à l’aide de résines macroporeuses ainsi que par extraction liquide/liquide. Pour la purification par résine, un screening de résines est réalisé suivi d’une optimisation des conditions opératoires de purification avec la résine choisie. Des modélisations des phénomènes d’adsorption sont réalisées pour déterminer les étapes limitantes ainsi que la capacité maximale d’adsorption. Pour l’extraction liquide/liquide, un screening de solvants verts est effectué à partir d’un milieu aqueux et hydro-éthanolique puis une optimisation des conditions opératoires avec le meilleur solvant est réalisée. La pénultième partie de la thèse cherche à fonctionnaliser par estérification les acides caféoylquiniques à partir d’une solution modèle puis d’un extrait réel. Les conditions d’estérification sont optimisées pour augmenter la vitesse de réaction ainsi que le taux de conversion. Des esters avec différentes longueurs de chaine sont obtenus et l’activité antioxydante ainsi que les propriétés anti-UV sont étudiées. La fonctionnalisation est par la suite effectuée sur un extrait réel. Une étude technico-économique conclut la thèse permettant d’ouvrir sur des perspectives quant aux conditions nécessaires à l’industrialisation du procédé de valorisation des racines forcées d’endive
Forced chicory root is a by-product of Belgian endive culture, a typical crop of northern France, Belgium and the Netherlands. Currently under-utilized in methanation or animal feed, this by-product contains molecules of interest: caffeoylquinic acids. These molecules have antioxidant and anti-inflammatory properties, and a potential for reducing metabolic disorders. This thesis aims to intensify the pre-treatment, extraction, purification and functionalization of caffeoylquinic acids from forced chicory roots to develop new bioactive biosourced molecules of potential interest to the cosmetics and nutraceutical sectors. The final part of the thesis deals with a technico-economical study of the process to estimate its economic profitability in relation to the targeted application sector. The first part focuses on the effect of conventional pretreatments (cutting and drying) and the effect of pulsed electric field pretreatment on caffeoylquinic acid content in biomass. The effect of adding an antioxidant solution during extraction is also investigated. Secondly, extraction optimization is carried out using dry or fresh biomass. The influence of factors such as temperature, solid/liquid ratio and solvent type were studied. In addition, extraction kinetics were performed to study kinetic parameters using empirical models. As the purity of the extract obtained is low, purification steps are needed. The thesis then focused on purifying the crude extract obtained using macroporous resins and liquid/liquid extraction. For resin purification, resin screening was carried out, followed by optimization of the purification operating conditions with the chosen resin. Models of adsorption phenomena are carried out to identify the limiting stages and the maximum adsorption capacity. For liquid/liquid extraction, green solvent screening is carried out on aqueous and hydro-ethanolic media, followed by optimization of operating conditions with the best solvent. The penultimate part of the thesis seeks to functionalize caffeoylquinic acids by esterification, starting with a model solution and then a real extract. Esterification conditions are optimized to increase both reaction speed and conversion rate. Esters with different chain lengths were obtained, and biological activities such as antioxidant activity and anti-UV properties were studied. Functionalization is also performed with real extract. A technico-economic study concludes the thesis, opening up prospects for the industrialization of the forced chicory roots valorization process

La présente étude a eu pour objectif la comparaison de la fabrication du biodiesel à partir de graines de caméline suivant les procédés conventionnels ou assistés/intensifiés par Détente Instantanée Contrôlée (DIC). La caméline est l'une des matières premières les plus adaptées à la fabrication de biodiesel puisqu’elle ne présente aucune concurrence aux cultures alimentaires et/ou à l’utilisation des terres agricoles. Son intérêt réside en sa teneur élevée en huile, sa courte saison de culture, ainsi que sa grande capacité à enrichir les sols pauvres, arides ou semi-arides. L'insertion de la texturation par DIC permet l'intensification à la fois de 1/ l'extraction de l’huile suivie de transestérification et 2/ du processus de transestérification in-situ en une seule étape. Dans les deux cas, les analyses statistiques ont conduit, à l'aide de la méthode de surface de réponse (RSM), à des modèles mathématiques empiriques adéquats capables de mieux développer les résultats expérimentaux, d'optimiser les paramètres de traitement et de mieux définir le changement d’échelle. Le procédé DIC se distingue par son aptitude à réaliser avec succès l’expansion structurelle des produits naturels sans affecter la qualité des huiles et des carburants produits. L'augmentation de la quantité d'huile extraite après texturation des graines par DIC a été de 38% et 22%, respectivement pour le pressage et l'extraction par solvant. En mode ISTE, la texturation DIC a permis de doubler le rendement en FAMEs. En outre, la technologie DIC est une technique très économique en raison de la grande capacité de traitement due au faible temps d’opération et d’une consommation réduite d'énergie
The objective of this study was to compare the production of biodiesel from Camelina seeds using conventional methods or assisted/intensified by Instant Controlled Pressure-drop DIC. Camelina is one of the most suitable feedstocks for biodiesel production as it does not compete with food crops and/or agricultural land use. Its interest lies in its high oil content, short growing season, and great ability to enrich poor, arid or semi-arid soils. The insertion of texturing by DIC allows the intensification of both 1/ extraction of the oil followed by transesterification and 2/ a single step in-situ transesterification process. In both cases, using the response surface method (RSM), statistical analyzes have led to adequate empirical mathematical models capable of better developing experimental results, optimizing treatment parameters and better define the scaling-up. The DIC process stands out for its ability to successfully achieve the structural expansion of natural products without affecting the quality of sensitive compounds such as oils and fuels produced. The increase in the amount of oil extracted after DIC texturing of seeds was 38% and 22% for pressing and solvent extraction, respectively. In ISTE mode, DIC texturing approximately doubled FAMEs yields (98% increased yields). In addition, DIC technology is a very economical technique due to its high processing capacity, low operating time, and weak energy consumption

Le retour à la naturalité a favorisé le développement des compléments alimentaires à base de ressources végétales qui apparaissent comme un réservoir quasi-infini de nutriments et de substances naturelles bioactives. Ceci fait de l’extraction solide/liquide une étape incontournable au sein des industries intéressées par ce type de molécules. Avec les préoccupations environnementale set sociétales, il est devenu nécessaire d’inventer et développer de nouveaux procédés qui répondent aux six principes de l’éco-extraction. Cette démarche a totalement inspiré cette thèse qui a pour principal objectif le développement d’une technique d’éco-extraction assistée par ultrasons en substitution de la technique conventionnelle. Ce travail a permis de montrer qu’il était possible d’intensifier l’extraction de composés d’intérêt en utilisant les ultrasons avec une meilleure sélectivité et de meilleurs rendements d’extraction. Une attention particulière a été accordée à la compréhension des mécanismes d’action des ultrasons via une étude macroscopique et microscopique approfondie des structures végétales. Cette investigation a prouvé que les ultrasons agissent différemment en fonction des structures végétales et de leurs propriétés morphologiques et chimiques qui leur confèrent un degré de résistance plus ou moins important face à l’action des ultrasons. Partant de ces résultats, l’étude macroscopique et microscopique a été définie comme un outil de décision pour une extraction ciblée. Cette variabilité a été aussi constatée à l’échelle industrielle prouvant davantage l’importance de l’analyse microscopique. Enfin, le procédé d’extraction par ultrasons a été adopté à l’échelle industrielle pour ses performances d’extraction et pour son empreinte environnementale significativement réduite par rapport au procédé CV. Ce travail a également conduit à des travaux complémentaires sur l’étude du potentiel de solubilisation des produits naturels en vue d’une utilisation pour l’extraction de composés végétaux difficiles à solubiliser dans l’eau. Des résultats prometteurs ont été obtenus en termes de pouvoirs de solubilisation et d’extraction notamment à partir de la matière végétale broyée. Les résultats de cette dernière partie soulèvent cependant des questions qui pourraient faire l’objet de futures recherches et de perspectives pour ce travail qui sont principalement liés à l’étude des problèmes liés au changement du solvant et au prétraitement de la matière première et de la faisabilité industrielle de ce nouveau procédé
With recent trends in the increasing interest to environmental, economic and safety considerations,extraction techniques have largely focused on finding solutions with sustainable and green values toimplement in food processing, cosmetic and pharmaceutical industries. In this context, new “green”extraction techniques were developed such as Ultrasound-Assisted Extraction (UAE). The mainobjective of this thesis is industrial implementation of this new process in substitution to theconventional (CV) process. It has been shown in this work that the extraction of compounds ofinterest from rosemary and other plant matrices could be intensified using ultrasound, and thatdifferent performance gain could be achieved according to the plant matrix structural properties.Indeed, macroscopic and microscopic investigation of untreated and treated raw materials provedthat US act through different mechanisms and its resulting impacts can be extremely limited by plantstructural morphological and chemical properties, especially those of the specialized structures.Significant variability in performance gain was also observed at the industrial scale. Overall, USappears as a promising technique with a significant performance gain in terms of extraction yield andselectivity. Moreover, this process presents low environmental footprint compared to the CV one.Finally, it has been shown that natural products, such as honey and fruit juices, can be used toimprove solubilization and extraction of molecules that are poorly soluble in water. Encouragingresults were obtained in terms of solubilization and extraction abilities, especially from ground rawmaterials. However, these results raise questions related to the feasibility of industrialimplementation of this new process

La capture du dioxyde de carbone (CO2) en postcombustion est une stratégie importante pour la limitation de l’effet de serre. Le procédé de référence est l’absorption du CO2 dans des solutions aqueuses aminées, suivie par une étape de stripage du solvant. La technologie mature associée à ce procédé est la colonne à garnissage. Toutefois, afin de rendre le procédé plus attractif, il convient de l’intensifier en réduisant le volume des équipements et le coût énergétique associé. Les contacteurs membranaires à fibres creuses (CMFC) constituent une alternative aux colonnes à garnissage. Les CMFC permettent de développer d’importantes aires spécifiques conduisant potentiellement à une intensification des transferts gaz-liquide. Ainsi, l’utilisation des CMFC réduirait la taille des installations, mais aussi diminuerait la consommation énergétique par la diminution de la quantité de vapeur de stripage. Cependant, l’utilisation de CMFC dans les étapes d’absorption et de stripage dans des conditions industrielles a été peu étudiée. Afin de combler cette lacune, des modèles à différents niveaux de complexité : monodimensionnel, bidimensionnel, isotherme et adiabatique ont été développés, comparés et validés. Ceci afin d’identifier le niveau de complexité approprié. Les résultats de simulation ont mis en évidence le potentiel d’intensification des CMFC dans l’étape d’absorption et aussi de stripage, se traduisant par une réduction en volume de 4 à 10 fois par rapport aux colonnes à garnissage. Néanmoins, les CMFC peuvent difficilement réduire le coût énergétique du procédé étant donné que l’étape de stripage fonctionne dans des conditions très proches de la limite thermodynamique
Post-combustion CO2 capture (PCC) is an important strategy in mitigating greenhouse effect. The reference process in PCC is the CO2 absorption into amine aqueous solutions, followed by the regeneration (or stripping) of the solvent. The robustness of packed columns makes it the standard technology for both absorption and stripping steps. However, the treatment of large quantities of flue gases requires itself equipment of a large size. Hollow fibre membrane contactors (HFMC) are considered as one of the most promising strategies for intensified CO2 absorption process, due to their significantly higher interfacial area than that of packed columns, allowing to reduce the equipment size. In addition, this would reduce the energy penalty of the process by reducing the required amount of stripping steam. However, despite the potential advantages of HFMC, very few investigations have studied implementing this technology for PCC within an industrial framework. To fill this lack, the performances of both absorption and stripping steps using HFMC under industrial conditions were estimated by modelling and simulation. To identify the optimal modelling strategy, transfer models with different levels of complexity were developed ranging from one-dimensional isothermal single-component to two-dimensional adiabatic multi-component. Simulation results of both absorption and stripping steps revealed that, compared to traditional packed columns, contactor volume reduction factors comprised between 4 and 10 might be achieved using HFMC. However, since the stripping operating conditions are very close to thermodynamic equilibrium, HFMC can hardly reduce the energy consumption of the process

La présente étude porte sur l’analyse fondamentale et expérimentale des procédés d’extraction des volatils. Les méthodes conventionnelles d’hydrodistillation et d’entrainement à la vapeur dans l’extraction des composés volatils (huiles essentielles…), impliquent une cinétique ralentie voire bloquée par « le processus paradoxal ». Ce dernier est dû au couplage de la génération interne de vapeur impliquant deux transferts couplés de vapeur (par diffusion) et de chaleur (par conduction). Ces deux transferts sont alors dirigés de la surface d’échange vers l’intérieur. Seul un processus de transfert partiel de la vapeur par front progressif assure l’évolution du processus. La cinétique est ainsi inévitablement lente, générant un niveau élevé de consommation d’énergie et induisant une dégradation potentielle de la matière extraite. Pour faire face à cette situation, une modification du type de transfert est essentielle. Nous avons opté pour un transfert de type Darcy au lieu du transfert de Fick, soit un gradient de pression totale au lieu du gradient de pression partielle comme « driving force ». Nous avons ainsi choisi la Détente Instantanée Contrôlée DIC comme procédé générant, suite à la détente vers le vide, une autovaporisation instantanée couplée à un grand gradient de pression totale de l’intérieur du matériau vers le milieu environnant sous vide. La détente instantanée contrôlée (DIC) a été étudiée, selon la méthodologie des plans d’expériences dans le but d’évaluer l’impact des variables opératoires sur l’extraction et de définir les paramètres optimums. Le nombre de cycles et le temps de traitement ont été pris comme paramètres indépendants. Ces paramètres sont appropriés pour représenter les aspects mécaniques et thermiques du processus DIC. L’extraction directe de l’huile essentielle du bois de santal par DIC-MP, gérée essentiellement par le nombre de cycles, indépendamment du temps de traitement, est une autovaporisation des composés volatils. Cette nouvelle méthode a ensuite été comparée tout au long de sa mise en application à l’hydrodistillation. Alors que la méthode traditionnelle d’extraction de l’huile essentielle du bois de santal requiert 140 h, l’optimisation de la DIC nous a permis de réaliser l’extraction en seulement 6 minutes, avec des rendements pratiquement similaires. Dans un dernier temps, une approche écologique et une compréhension du phénomène mis en jeu pour l’extraction des huiles essentielles par DIC ont été abordées. La rapidité de la procédure, la réduction du coût énergétique et le bon impact environnemental font de la DIC une technique industrielle particulièrement innovante et hautement attrayante
This study focuses on fundamental analysis and experimental work carried out on extraction via conventional and innovative processes. The extraction of volatile compounds (essential oils ...) through hydrodistillation or steam distillation as conventional methods is slowed or even blocked because of "the paradoxical process". The latter is due to the coupling of vapor and heat transfers, both directed from the exchange surface towards product core. Only partial vapor transfer by progressive forehead ensures the evolution of the process. The kinetics is so inevitably slow, implying high energy consumption and inducing a high degradation of both extracted and residual material. To face this situation, changing the nature of the transfer is essential. We considered the total pressure gradient instead of the vapor pressure gradient as "driving force". Instant Controlled Pressure Drop DIC was used. Instant releasing of high pressure/high pressure towards a vacuum leads to instant autovaporisation, implying a Darcy-type transfer of vapor within the material to the surrounding medium vacuum. Instant Controlled Pressure Drop (DIC) was investigated, according to the Response surface methodology RSM in order to evaluate the impact of process variables on the extraction and to define the optimal settings. The number of treatment cycles and treatment time were taken as independent parameters. These parameters were appropriated to represent both mechanical and thermal impacts of DIC process. Direct extraction of the essential oil of sandalwood DIC-MP, managed primarily by the number of cycles, regardless of treatment time, is an autovaporization of volatile compounds. This new method was then compared throughout its application to steam distillation. While traditional extraction method requires 140 hours, optimized DIC allowed performing essential oil extraction of sandalwood in only 6 minutes, with substantially similar yields. Finally, environment approach and understanding of the phenomena involved in DIC extraction of essential oils were addressed. By dramatically reducing the treatment time and the energy consumption, DIC is a particularly innovative, exceptionally effective and highly attractive environment-friendly essential oil extraction technique