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

7

Eco-procédésICV

8

Elution de la colonne d’adsorption

concentration élevée

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

9

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

11

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

13

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

14

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

16

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

17

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

18

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

19

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

20

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

21

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

22

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)

25

Merci pour votre attention

Eco-procédésICV