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Zhu, Yin. Evaluation de la nanofiltration pour l'extraction d'acides gras volatils produits par fermentation

Zhu, Yin (2020). Evaluation de la nanofiltration pour l'extraction d'acides gras volatils produits par fermentation.

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Résumé en francais

La nanofiltration (NF) est un procédé à membrane sous pression utilisé pour la séparation en phase liquide, qui est prometteur pour la séparation et la purification de la biomasse. Dans ce travail, deux membranes NF (NF-45 et XLE) sont utilisées pour la séparation et la valorisation des acides gras volatils (AGV), un type de composants chimiques utiles, à partir de bouillons de fermentation produits à partir de déchets solides municipaux. L'objectif de ce travail est d'étudier le procédé NF pour la séparation et la purification des AGV à partir de bouillons de fermentation. Des expériences sont menées avec des solutions synthétiques de plus en plus complexes, depuis les solutions simples, binaires et ternaires d'AGV, c'est-à-dire l'acide acétique (Ac), l'acide propionique (Pr) et l'acide butyrique (Bu), jusqu'aux solutions mixtes contenant des AGV et des sels inorganiques de différentes compositions. L'influence de la composition ionique ainsi que du pH de la solution sur le transfert des solutés est discutée. Ensuite, un véritable bouillon de fermentation contenant trois AGV, des ions inorganiques et des matières organiques est également étudié. Pour les solutions synthétiques contenant des AGV dissociés (pH 8), on observe que pour une proportion donnée d'AGV dans l'aliment, quelle que soit la concentration totale, la proportion d'AGV dans le perméat reste constante lorsque le flux de filtration est supérieur à une valeur spécifique. Du point de vue du transfert de masse, cette observation signifie que dans une solution mixte, le transfert individuel de soluté chargé est contrôlé par la quantité totale de charge transférée à travers la membrane. En effet, on constate que le flux individuel d'AGV augmente linéairement avec le flux total de soluté et ne dépend pas de la concentration totale mais seulement des proportions d'AGV dans l'alimentation. Des solutions plus complexes contenant des VFA avec l'ajout de trois sels inorganiques (Na2SO4, NaCl et CaCl2) sont étudiées plus en détail. Là encore, des proportions de perméat constantes pour les solutés organiques et inorganiques (anions et cations) sont observées pour une proportion d'aliment donnée, lorsque le flux de filtration est supérieur à une certaine valeur. Ensuite, on conclut que, pour tout couple d'AGV (Ac/Pr, Pr/Bu, ou Ac/Bu), la valeur du plateau de la proportion relative de l'AGV individuel dans le perméat est presque fixée par sa proportion dans l'aliment, pour toutes les conditions étudiées. Cette conclusion peut être étendue aux couples d'AGV/anions inorganiques et aux couples de cations. Le pH de la solution modifie de manière significative la rétention des AGV et la proportion d'AGV dans le perméat. Un modèle permettant de décrire la rétention des AGV en fonction du pH est présenté. Il est montré que le modèle peut décrire la rétention des AGV en fonction du pH de la solution en considérant une augmentation des valeurs pKa des AGV d'environ 1,2 unité ou une valeur pKa effective de la membrane d'environ 5,4 à 5,8. Enfin, des expériences sont réalisées avec un véritable bouillon de fermentation. On observe que quels que soient les solutés chargés ou non chargés, même pour des matières organiques inconnues dans le bouillon de fermentation réel, une proportion constante dans le perméat est observée lorsque le flux de filtration est supérieur à une certaine valeur. Cette observation indique que la valeur du plateau pourrait être liée à la nature des solutés et des membranes, et cette méthode pourrait être utilisée pour comparer les performances de séparation de différentes membranes. Le facteur de séparation est utilisé pour caractériser la performance de séparation des deux membranes sur le bouillon de fermentation réel. Les facteurs de séparation entre les AGV dans le bouillon de fermentation réel sont plus élevés que ceux obtenus avec des solutions synthétiques, ce qui indique qu'il existe des paramètres supplémentaires qui pourraient influencer la performance de séparation du processus de nanofiltration. La membrane NF-45 peut modifier plus efficacement la proportion d'AGV dans le perméat, Ac et Pr sont fortement enrichis dans le perméat, tandis que Bu est enrichi dans le rétentat. La membrane XLE a une rétention très élevée des VFA (>95%), elle peut changer la proportion de VFA et d'autres matières organiques (OM) dans le perméat, et peut être utilisée pour concentrer le bouillon de fermentation des VFA et éliminer les matières organiques qui font obstacle, comme l'éthanol.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Roux-De Balmann, Hélène
Galier, Sylvain
Ecole doctorale:Mécanique, énergétique, génie civil, procédés (MEGeP)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire de Génie Chimique (LGC), UMR 5503
Mots-clés libres :Nanofiltration - Valorisation de la biomasse - Séparation - Acides organiques
Sujets :Sciences de l'ingénieur
Déposé le :23 Oct 2020 13:27