Extraction aqueuse d huile végétale de tourteaux oléagineux LI Lina, LANOISELLÉ Jean-Louis, DING Luhui et CLAUSSE Danièle Unité Transformations Intégrées de la Matière Renouvelable - EA 4297 Université de Technologie de Compiègne, 60205 Compiègne cedex, France Résumé Les huiles végétales sont candidates comme alternatives aux produits pétroliers en particulier dans le domaine des lubrifiants. Le rendement d extraction de l huile à partir des graines oléagineuses est un point clef. L'objectif de cette étude était d'évaluer la faisabilité d'une extraction aqueuse de l huile, à partir des tourteaux de pressage, assistée par Décharges Électriques de Haute Tension (DEHT) et filtration membranaire. Tourteaux de lin, pulpe de palme et amande de palme ont été traités par DEHT en phase aqueuse. L'influence des conditions d'opératoires (nombre d'impulsions, ph, température et ratio eau/tourteaux) a été étudiée. Les résultats montrent que les DEHT sont très efficaces : près de 68% de l'huile des tourteaux de lin a été extraite sous forme d une émulsion huile dans l eau. Pour les tourteaux de pulpe et d amande de palme, respectivement 11% et 36% de l'huile a été extraite. Ces émulsions obtenues par DEHT sont ensuite traitées par filtration membranaire pour séparer l huile. Afin d'étudier la faisabilité de cette opération, une émulsion d'huile de lin dans l eau a été choisie comme émulsion modèle pour la mise en point de la filtration membranaire en utilisant un module rotatif. Une réduction du volume de 4,45 a été obtenue avec une membrane de PVDF de 0,15 µm pendant 2,85 heures ce qui correspond à une récupération de 75% de l huile présente. La filtration concentre l huile dans le retentat alors que la phase continue aqueuse constitue le perméat. Un surnageant huileux se forme spontanément dans le bac de circulation du module de filtration. Dans le procédé, l eau récupérée par filtration est recyclée vers l étape d extraction aqueuse et l alimentation en continue de la filtration permet d obtenir un flux continu d huile en sortie. L étude du colmatage et du nettoyage des membranes a également été effectuée. Mots-clés : Décharges électriques, tourteaux oléagineux, émulsion huile/eau, filtration membranaire 1. Introduction Les lubrifiants utilisés dans l'industrie automobile sont principalement obtenus à partir du pétrole et polluent les sols et l'eau. La réduction de l émission des polluants dans l'environnement est aujourd hui une exigence. La substitution du fossile par l'huile végétale, qui est biodégradable et renouvelable, pourrait contribuer à résoudre ce problème. Notre équipe développe un procède sans solvant organique (Gros et al., 2003) pour extraire la totalité de l'huile des graines oléagineux par les étapes suivantes : 1) Pressage des graines oléagineuses pour récupérer environ 70% de l'huile initiale et qui conduit à l obtention d un tourteau gras; 2) Extraction de l'huile résiduelle dans le tourteau gras par Décharges Électriques de Haute Tension (DEHT) en solution aqueuse ; 3) Centrifugation de la suspension (séparation des émulsions huile dans eau (H/E), des polysaccharides et des résidus) ; 4) Démulsification par filtration membranaire pour récupérer l'huile dans l'émulsion et recycler l'eau vers l'étape de DEHT. En raison du rendement élevé et du coût énergétique faible, la filtration membranaire est de plus en plus employée pour traiter des émulsions. Hong et al. (2003) ont étudié les facteurs affectant la coalescence de membrane des émulsions stables H/E. Moulai-Mostefa et al. (2005) ont traité les émulsions H/E par un Auteur à qui la correspondance doit être adressée : jean-louis.lanoiselle@utc.fr 69-1
système de filtration dynamique utilisant une membrane d ultrafiltration de 50 kda de seuil de coupure. Le coefficient de rejet d'huile était de 99,5% (2 NTU - Nephelometric Turbidity Units - dans le perméat contre 21900 NTU dans l alimentation). Pour diminuer les problèmes de colmatage rencontrés, il est nécessaire de créer à la surface de la membrane une contrainte de cisaillement importante sans pour autant augmenter le débit d alimentation ou la pression transmembranaire. Les systèmes rotatifs ont été proposés ces dernières années pour réduire la concentration de polarisation à la surface de la membrane. Ces techniques dites dynamiques permettent de réduire le colmatage et d augmenter le flux de perméat. L objectif de notre étude est de réaliser l'extraction aqueuse de l huile à partir des tourteaux de pressage (tourteaux de lin, pulpe de palme et amande de palme) assistée par DEHT. Différentes conditions opératoires (nombre d'impulsions, ph, température et ratio eau/tourteaux) ont été étudiées. L étude de faisabilité de la démulsification a été effectuée par un système de microfiltration avec disque rotatif en utilisant une émulsion modèle (huile de lin dans eau). 2. Matériels et méthodes 2.1 Matériels Des graines de lin fournies par Laboulet Semences (Airaines, France) ont été utilisées. Les fruits du palmier à huile proviennent du Nigeria. Les tourteaux de lin, la pulpe de palme et le tourteau d amande de palme sont obtenus par pressage. Les teneurs en huile sont obtenues après séchage des échantillons à l étuve (minimum 12 heures à 103 C) puis extraction à l hexane. Un mélange d'huile de lin (Vandeputte S.A., Mouscron, Belgique) et d'eau déminéralisée (1,5 + 0,05%, m/m) a été choisi comme émulsion modèle. Les émulsions ont été caractérisées par un microscope optique (Nikon 513116, Tokyo, Japon) équipé d'un appareil-photo (SONY SSC-DC58AP, Tokyo, Japon). La taille des particules a été déterminée en utilisant un granulomètre Zetasizer 3000HS (Malvern, United Kingdom). 2.2 Générateur de Décharges Électriques de Haute Tension Le générateur de DEHT (Université Polytechnique de Tomsk, Russie) est constitué de deux condensateurs en parallèle. Il peut fournir des décharges de 40 kv/10 ka d une durée de quelques microsecondes de fréquence 0,5 Hz dans une chambre de traitement d un litre. Des capteurs de courant et de tension sont reliés à un système d acquisition de 10 8 Hz (Service électronique, Université de Technologie de Compiègne, France) (Fig. 1) (Gros et al., 2004). La distance entre les deux électrodes est de 5 mm. La mesure des signaux électriques est réalisée par un capteur de tension (ROSS VD45-8.3-A-K-A, Ross Engineering Corporation, Campbell, CA, Etats-Unis) et un capteur de courant (PEARSON 3972, Pearson Electronic Inc., Palo Alto, CA, Etats-Unis). L'enregistrement de données est fait par un oscilloscope (Tektronix TDS1002, Beaverton, OR, Etats-Unis), qui est relié à un ordinateur en utilisant le logiciel de HPVEE 4.01 (Hewlett-Packard, Palo Alto, CA, Etats-Unis). Jusqu'à 600 décharges électriques (impulsions) ont été appliquées pour traiter le mélange tourteau / eau et obtenir une émulsion. Chaque impulsion représente en moyenne une énergie de 150 J. Fig. 1 Schéma du générateur de Décharges Électriques de Haute Tension 69-2
2.3 Système de filtration La membrane utilisée est une membrane plane en difluoride de polyvinylidène (PVDF) (Alfa Laval, Nakskov, Danemark, taille de pore de 0,15 µm). Les expériences ont été effectuées sur un module de filtration à disque rotatif à l échelle laboratoire (Fig. 2), développé par notre équipe (Ding et al., 2002). L émulsion H/E est pompée à partir d un réservoir de 3 L. Le module de filtration comporte une membrane circulaire de 15,5 cm de diamètre (190 cm 2 de surface) dans un carter cylindrique en acier. Un disque métallique, muni de 8 ailettes de 6 mm de hauteur, mis en rotation par un moteur électrique Leroy Somer tourne à une vitesse de 250 à 3000 tr min -1, ajustable à l aide d un variateur. La pression, à la périphérie du carter, est mesurée par un capteur de pression (Validyne DP 15, CA, Etats-Unis). Le débit de perméat est mesuré par l intermédiaire d une balance électronique (Sartorius BP 3100, Chicago, Etats-Unis) reliée, de même que le capteur de pression, par une interface à un micro-ordinateur. Les expériences ont été réalisées à 20 C. 3. Résultats et discussions Fig. 2 Banc expérimental lors de la filtration sur disque rotatif 3.1 Extraction aqueuse par DEHT Les tourteaux de lin, contenant 18 % d'huile de lin, ont été obtenus après pressage des graines de lin sur presse Komet (S87G, IBG Monforts, Mönchengladbach, Allemagne). L'extraction a été conduite avec un rapport eau / tourteau (30 g) de 10. Après traitement par DEHT et centrifugation, un résidu solide couvert d un film blanc (mucilage de lin) et une émulsion stable ont été obtenus pour le tourteau de lin. Fig. 3 Extraction de l huile à partir de tourteau de lin en fonction du nombre de DEHT (ph = 7, R = 10, 20 C) 69-3
La figure 3 montre l'extraction de l'huile à partir de tourteau de lin en fonction du nombre d impulsions de DEHT. L'huile perdue correspond à la perte d'huile totale pendant l'expérience, c est-à-dire, au cours du pressage, de l extraction aqueuse, et de la centrifugation. L'huile dans le tourteau a été extraite et divisée en petites gouttelettes en raison des phénomènes d ondes de pression et de cavitation créés par les décharges électriques. Simultanément, le mucilage et les phospholipides du tourteau ont été extraits et ont permis la formation de l'émulsion H/E avec un diamètre moyen des gouttelettes d huile de 1 µm. La masse d'huile extraite augmente avec le nombre d impulsion. Elle se stabilise après 500 impulsions où 45% de l'huile du tourteau a été extraite. La figure 4 représente l extraction d'huile à partir du tourteau de pulpe de palme (qui contient 28% d'huile de palme) et du tourteau d amande de palme (qui contient 33% d'huile de palmiste). Dans chaque expérience, 20 g de tourteau et 200 g d eau ont été mélangés dans la chambre de traitement des DEHT. Après le traitement par DEHT et la centrifugation, un résidu solide brun foncé et une émulsion H/E ont été obtenus. Le point de fusion d'huile de palme est 35-42 C et le point de fusion d'huile de palmiste est 25-30 C. Probablement en raison de la température du milieu pendant le traitement par DEHT qui reste inférieure à 33 C, seulement 11% d huile de palme contre 36% d huile de palmiste présentes dans les tourteaux ont été extraits dans l'eau et ont formé les émulsions H/E. D autres études seraient envisageables pour vérifier l effet sur le rendement d extraction de la température initiale du milieu lors du traitement par DEHT. Pulpe de palme Amande de palme Fig. 4 Extraction d'huile à partir de tourteau de pulpe de palme et d amande de palme par DEHT (ph = 7, R = 10, 20 C) 3.2 Optimisation des paramètres d extraction par DEHT Après les premiers essais du traitement par DEHT pour extraire l'huile à partir des tourteaux, l'optimisation des paramètres opératoires a été effectuée pour maximiser l extraction d huile. L'influence du ph, de la température et du rapport liquide/solide de la suspension à traiter a été étudiée (Fig. 5). La solubilité de la protéine de lin dépend du ph avec une solubilité minimale lorsque le ph de la solution est proche du point isoélectrique. Or, le point isoélectrique du ph d'une solution de lin oléagineux est situé entre 3,5 et 4. La teneur en huile dans l'émulsion augmente donc avec l'augmentation du ph au-delà de 4. À ph = 7 et 8, 45% de l'huile initiale dans le tourteau a été extraite dans l'eau. La figure 5 indique également qu une quantité plus importante d'huile peut être extraite en réduisant la température sans que ce phénomène puisse être clairement expliqué. D autre part, l'influence du rapport liquide/solide est très marquée (Fig. 5). Ainsi, 68% de l huile du tourteau de lin ont pu être extraits en milieu aqueux et former l'émulsion H/E à ph = 7, 15 C avec un rapport eau/ tourteau de 6. 69-4
20 C, R = 10 ph = 7, R = 10 ph = 7, 15 C 45% 52% 68% Fig. 5 Influence du ph, de la température et du ratio liquide/solide sur l extraction d huile à partir de tourteau de lin par DEHT (R : ratio eau/tourteau). Les pourcentages indiqués sont les rendements maximums d extraction 3.3 Démulsification par microfiltration La séparation de l huile contenue dans les émulsions est réalisée par microfiltration en utilisant un module rotatif équipé d ailettes de 6 mm de hauteur et une membrane PVDF 0,15 µm. La variation du flux de perméat avec le temps a été suivie (Fig. 6). Les essais ont été effectués à une vitesse de rotation de 2500 tr min -1, à une pression transmembranaire du 100 kpa et à une température de 20 C. Le volume de l'alimentation était de 3 L et la teneur en huile dans l'émulsion H/E était 1,5 + 0,05%. Trois essais ont été réalisés. Le premier essai a été fait avec une membrane neuve. La membrane a été lavée une fois pour le deuxième essai et lavée deux fois pour le troisième essai. Pour chaque essai, l expérience est conduite jusqu'à ce que le volume de retentât devienne égal au volume mort (soit 650 ml) afin d'atteindre le RRV (Rapport de Réduction Volumique) maximum et récupérer autant d huile que possible. Le flux de perméat du 1 er essai chute rapidement de 132,2 L h -1 m -2 à 50,1 L h -1 m -2 pendant les 20 premières minutes et devient stable après 60 minutes. Au contraire, les flux de perméat de la membrane lavée sont plus stables au début de la filtration. La membrane neuve donne le flux moyen le plus élevé (63,3 L h -1 m -2 ). Les membranes lavées donnent presque le même flux moyen (51,2 L h -1 m -2 pour le 2 ème -2 essai et 45,8 L h -1 m pour le 3 ème essai). Ces résultats peuvent être expliqués par le phénomène de colmatage. En effet, il n'y a aucune particule huileuse adsorbée sur la surface de la membrane ou dans les pores de la membrane : une membrane neuve peut fournir un flux de perméat élevé en début de filtration. En raison de la polarisation de concentration d huile près de la membrane et du colmatage des pores, le flux de perméat diminue rapidement en début d expérience puis tend vers un flux constant de 42,2 L h -1 m -2. Pour les deux essais avec membrane lavée, l équilibre est atteint dès le début de l opération, il n y a donc pas de diminution importante du flux. Les flux de perméat se stabilisent vers 52,8 L h -1 m -2 pour le 2 ème essai et 45,5 L h -1 m -2 pour le 3 ème essai. La phase d'huile surnageante est apparue dans le réservoir après environ 50 minutes de concentration. Cette huile peut être récupérée directement dans une ampoule à décanter. La fraction d'huile récupérée (masse d huile surnageante divisée par la masse d huile initiale dans l alimentation) semble uniquement dépendre du RRV. Pour chacun des trois essais de concentration, comme les volumes d'alimentation et de retentât contenaient presque la même concentration en huile, le RRV était de 4,42, 4,48, 4,55 et la fraction d'huile récupérée était de 74,2%, 74,8%, 75,7% pour, respectivement, le 1 er, 2 ème et 3 ème essai. 69-5
Fig. 6. Variation du flux de perméat en fonction du temps à une vitesse de rotation de 2500 tr min -1, une pression transmembranaire de 100 kpa et une température de 20 C pour une membrane PVDF 0,15 µm 4. Conclusion Dans cette étude, la faisabilité de l'extraction d huile des tourteaux oléagineux en utilisant les DEHT et la filtration membranaire a été montrée. Cette méthode a été très efficace puisque 68% d'huile de lin, 11% d'huile de palme et 36% d'huile de palmiste ont été extrait par DEHT à partir des tourteaux dans une solution aqueuse. Une émulsion huile dans eau s est formée. Un système de microfiltration avec disque rotatif a été mis en œuvre pour séparer l'huile de l'émulsion. Ainsi, 75% de l'huile a été récupéré dans les essais de démulsification en utilisant une émulsion modèle. Références Hong A., A.G. Fane et R. Burford, 2003, Factors affecting membrane coalescence of stable oil-in-water emulsions. Journal of Membrane Science, 222, 19-39. Gros C., J.-L. Lanoisellé et E. Vorobiev, 2003, Towards an alternative extraction process for linseed oils. Trans ICheme. 81, Part A, 1059-1965. Gros C., J.-L. Lanoisellé et E. Vorobiev, 2004, Aqueous extraction and separation of linseed press-cake components enhanced by high voltage electrical discharges, 9 th World Filtration Congress, New-Orleans, Louisiana, USA, April 18-22. Ding L., O. Al-Akoum, A. Abraham et M.Y. Jaffrin, 2002, Milk protein concentration by ultrafiltration with rotating disk modules, Desalination, 144, 307-311. Moulai-Mostefa N., A. Brou, L. Ding et M.Y. Jaffrin, 2005, Ultrafiltration d émulsions huile-eau et de microémulsions de cyclohexane par un système à disque rotatif, Mécanique & Industries, 2, 203-210. 69-6