Procédés membranaires en milieu ScCO2 pour des procédés supercritiques économes – MemScCO2

Le projet couvre plusieurs aspects:
• Sélection de membranes commerciales adaptées aux Sc-CO2 en lien avec les performances en filtration, résistances physique, chimique ou mécanique, …
• Conception d'une installation et d'une cellule de filtration membranaire adaptée aux hautes pressions envisagées allant de 100 à 400 bars.
• Mesures des performances des membranes lors de la filtration du Sc-CO2 pur ou en mélange avec de l'huile : productivité et sélectivité en fonction des conditions de pression et de température du Sc-CO2.
• Modélisation de la séparation et du couplage séparation/extraction au Sc-CO2 permettant d'évaluer la consommation de matière et d'énergie.
• Optimisation technico-économique simplifiée par simulation du couplage des deux opérations unitaires permettant les gains concernant la consommation d'énergie.
• Analyse de Cycle de Vie comparée de l'extraction au Sc-CO2 et des procédés couplés pour valider les gains environnementaux du couplage; ceux-ci ne se limitant pas à la réduction de la consommation d'énergie.

Outre la possibilité d'utiliser des membranes commerciales, le couplage permet de baisser de plus de 90% la consommation énergétique levant ainsi un verrou limitant l'usage à un niveau industriel de ces procédés. Par exemple, pour l'extraction de l'huile de tournesol, le cout de l'extraction passe de 0.45 €/kg à 0.044 €/kg pour un prix commercial de ~2 €/kg.
La cellule de filtration permet un fonctionnement continu en limitant les séquences de nettoyage inhérentes à la filtration membranaire. Elle fait l'objet du dépôt d'un brevet. Le couplage est générique et d'autres types de procédés au Sc-CO2 peuvent bénéficier de ce couplage.

Hormis la tache concernant l'utilisation de contacteurs membranaires en milieu supercritique, l'ensemble du programme prévu a été couvert. La mise au point de l'installation permettant la mise en régime et le fonctionnement à des pressions inhabituelles pour des membranes commerciales a pris plus de temps que prévu (hors COVID 19). Lors de la thèse suivante, nous avons fait évoluer des aspects pratiques de l'installation pour obtenir des résultats plus rapidement et de manière plus simple et régulière.
Les membranes commerciales donnent satisfaction et il ne semble pas nécessaire à ce jour de développer des membranes spécifiques à l'application étudiée. Cependant, se posera toujours le choix de la membrane pour une autre application où les solutés, à récupérer dans le Sc-CO2, ont des propriétés différentes de l'huile de tournesol.
La crise de l'énergie de l'hiver 2022-23, liée à la guerre en Ukraine, a montré à de nombreuses industries leur sensibilité économique au prix de l'énergie. Plusieurs industriels se sont montrés intéressés par nos résultats lors de congrès: le transfert de technologie semble pertinent.
Du point de vue scientifique, le modèle que nous avons publié permettant d'expliquer qualitativement les résultats observés, devra être confronté à une étude expérimentale. Il est alors nécessaire de travailler avec des membranes bien connues, fabriquées au laboratoire et de nouer des collaborations pour mesurer des paramètres structuraux des polymères en milieu supercritique.
L'étude a été faite à partir d'huile de tournesol commerciale, raffinée, pour la filtration et le couplage a été faite numériquement. Il apparait alors indispensable de s'intéresser au traitement d'huile extraite directement des graines. Cette huile est alors susceptible de contenir d'autres solutés pouvant entrainer un colmatage des membranes. Ce colmatage nécessiterait d'envisager des étapes de nettoyage ou de changement de membranes en fonction des échelles de temps / des durées de vie des membranes.

La production scientifique couvre la thèse de Dihia Chabni, 7 communications orales, 2 posters, un article et un brevet. Le processus de dépôt bloque des publications qui sont donc susceptibles d'être publiées par la suite. Les domaines couverts concernent les procédés membranaires, supercritiques ou les applications agroalimentaires. La dernière partie du projet concernant l'analyse de cycle de vie (Post Doc de Christopher Hernandez Hernandez) devrait faire l'objet d'une publication.

Les principes de la chimie verte conduisent à des procédés sans solvants ou utilisant des solvants verts parmi lesquels le CO2 en état subcritique ou supercritique (ScCO2) est considéré comme un excellent choix pour ses propriétés de transport modulables comme densité, viscosité diffusivité des composés, etc et son bon pouvoir solvant pour les composés non polaires. Cependant, même si l'utilisation du ScCO2 en tant que solvant est prometteuse du point de vue de l'environnement et de la sécurité, les coûts énergétiques de l'utilisation du CO2 à haute pression peuvent décourager son utilisation à l'échelle industrielle. A titre d'exemple, le coût énergétique pour recompresser le CO2, de la pression atmosphérique à 120 bars, est de l'ordre de 160 kJ / kg de CO2 : cette énergie est perdue lors de l'expansion du gaz pour récupérer les produits à pression atmosphérique. La recherche et le développement sont donc nécessaires afin d'augmenter l'arsenal de solutions pour réduire l'énergie et les coûts associés à l'utilisation du CO2 à haute pression. MemScCO2 présente une stratégie visant à réduire les coûts énergétiques associés à l'utilisation du CO2 à haute pression en utilisant des procédés à membrane.
Les procédés membranaires sont considérés comme des technologies à haut rendement énergétique qui permettent une sélectivité élevée pour la séparation et permettent d'atteindre des niveaux élevés d'intensification des procédés. Les procédés membranaires peuvent être utilisés pour concentrer les produits avant l'étape de récupération du ScCO2 en utilisant l'osmose inverse ou pour extraire les produits du ScCO2 sans diminuer la pression de CO2 en utilisant des contacteurs à membrane. Le ScCO2 purifié est ensuite recyclé à haute pression permettant une réduction du coût de compression.
Le but de MemScCO2 est d'étudier le couplage des processus membranaires avec une extraction ScCO2 afin d'évaluer les gains énergétiques en prenant en compte les spécificités des deux procédés en intégrant une évaluation du cycle de vie. Nous proposons donc d'extraire du carotène et du lycopène des produits à haute valeur ajoutée et de l'huile végétale comme produit à faible valeur ajoutée à partir de matrices naturelles et de coupler cette extraction à un procédé membranaire (osmose inverse ou contacteur membranaire) afin d'obtenir un procédé d'extraction rentable en réduisant son empreinte environnementale et sa consommation d'énergie.