Étude des procédés d’extraction et de purification de produits bioactifs.pdf

TTHHSSEE

En vue de l'obtention du

DDOOCCTTOORRAATT DDEE LLUUNNIIVVEERRSSIITT DDEE TTOOUULLOOUUSSEE

Dlivr par Institut National Polytechnique de Toulouse

Discipline ou spcialit : Gnie des Procds et de l'Environnement

JURY

M. BECHKOV Venko Prsident Mme BARTH Danielle Rapporteur M. DIMITROV Krasimir Rapporteur M. CONDORET Jean-Stphane Directeur de thse M. ANGELOV George Directeur de thse Mme CAMY Sverine Membre

Ecole doctorale : Mcanique, Energtique, Gnie Civil, Procds (MEGeP)

Unit de recherche : Laboratoire de Gnie Chimique (Toulouse) Institut de Gnie Chimique de lAcadmie Bulgare des Sciences (Sofia, Bulgarie)

Directeur(s) de Thse : CONDORET Jean-Stphane et ANGELOV George

Prsente et soutenue par Petko Ivanov PENCHEV Le 20/07/2010

Titre : tude des procds dextraction et de purification de produits bioactifs partir de

plantes par couplage de techniques sparatives basses et hautes pressions

REMERCIEMENTS

Nombreuses sont les personnes que je souhaite remercier pour mavoir aide et soutenue durant ces quatre ans. Jadresse mes remerciements mes co-directeurs de thse, professeur George Angelov et professeur Jean-Stphane Condoret qui mont encadr pendanant ces quatre ans. Je remercie Sverine de mavoir aid au niveau de la science. Je voudrais remercier mon collgue et ami Pablo pour son aide au niveau de la modlisation mathmatique et pour les moments agrables passs ensemble. Jadresse mes remerciements galement Alec et Jean-Luis pour le support technique. Merci tous les collgues et amis de la pause-caf de mavoir fait la vie plus interssante. Je noublie pas le support de mes parents et mes amis. Merci vous tous ! !

SOMMAIRE

INTRODUCTION 1

I. Bibliographie 5 I.1. Introduction 5

I.2. Les antioxydants 6

I.3. Lacide rosmarinique 7

I.4. La mlisse 10

I.5. Citral et caryophyllne 15

I.6. Techniques extractives 16

I.7.Les fluides supercritiques 21 I.7.1. Le domaine supercritique 21

I.7.1.1. Gnralits 21

I.7.1.1.1. Diagramme de phase dun corps pur 22

I.7.1.1.2. Masse volumique autour du point critique 23

I.7.1.1.3. Influence de la temprature sur la solubilit 24

I.7.1.2. . Principaux fluides supercritiques 26

I.7.1.3. Utilisation des fluides supercritiques 27

I.7.2. Extraction par fluides supercritiques (ESC) 27

I.7.2.1. Gnralits 27

.7.2.2. Avantages et inconvnients 28

I.7.2.3.Mise en uvre de lextraction supercritique 29

I.7.2.3.1. Traitement de matrices solides 29

I.7.2.3.2.Mlanges liquides 31

I.7.2.4 Aspects nergtiques du procd dextraction semi-batch 32

I.7.2.5. Choix des conditions opratoires pour lextraction 33

I.7.2.6. Solubilit dans le CO2 supercritique 34

I.7.2.7. Utilisation de co-solvants 35

I.7.2.8. Applications industrielles 35

I.7.2.9. Extraction supercritique dacide rosmarinique 36

I.7.2.10. Modlisation mathmatique 37

I.7.2.11. Conclusion 38

I.8. Nanofiltration 39

I.9. Schmas de couplage de diverses techniques dextraction,

de prtraitement et de sparation 40

I.10. Conclusion 42

II. Matriel et mthodes 46 II.1. Matire vgtale - mlisse (Melissa officinalis L.) 46

II.2. Techniques dextraction, purification et concentration utilises 48 II.2.1. Extraction par CO2 supercritique (ESC) 48

II.2.2. Soxhlet 50

II.2.3. Extraction en mode batch (chelle laboratoire) 52

II.2.4. Concentration des extraits par nanofiltration 53

II.2.5. Application semi-industrielle de lextraction solide-liquide dans un extracteur

rotatif 54

II.3. Techniques analytiques 56 II.3.1. Chromatographie en phase liquide haute performance HPLC 56

II.3.2. Chromatographie en phase gazeuse 58

III. Extractions par le CO2 supercritique 63 III.1. Introduction 63

III.2. Les exprimentations 63

III.3. Rsultats 65 III.3.1. Influence des paramtres opratoires sur la cintique

dextraction supercritique 65

III.3.1.1. Influence de la temprature 67

III.3.1.2. Influence de la pression 70

III.3.1.3. Influence de la granulomtrie 71

III.3.1.4. Influence du dbit du CO2 74

III.3.2. Influence de la prsence de co-solvants dans le solvant supercritique 77

III.3.2.1. Co-solvant thanol 77

III.3.2.2. Co-solvant eau 83

III.3.2.3. Cintique dextraction supercritique avec du co-solvant thanol 87

III.3.3. Influence de la gomtrie de la cellule dextraction 88

III.3.4. Modlisation 90

III.3.4.1. Modle tn 91

III.3.4.1.1. Equation gnrale 91

III.3.4.1.2. Rsultats du modle compars avec lexprience 92

III.3.4.2. Single Sphere Model 94

III.3.4.2.1. Hypothses gnrales du modle 94


III.3.4.2.3. Comparaison avec les rsultats exprimentaux 95

III.3.4.3. Single Plate Model 97




III.3.4.4. Modle dextraction en lit fixe 101

III.3.4.4.1. Hypothses gnrales 101

III.3.4.4.2. Equations gnrales 101


III.3.4.5. Modle de J. M. del Valle 107


III.3.4.5.2. Equations gnrales 108


III.3.4.5.4. Application du modle de del Valle pour diverses configurations gomtriques

115

III.4. Extraction de lhuile essentielle de la mlisse par ESC 117 III.4.1 Estimation de la capacit de linstallation rcuprer

le citral et le caryophyllne 118

III.4.2. Extraction de la mlisse 120

III.5. Conclusions 124

IV. Extractions pression atmosphrique et nanofiltration 129 IV.1. Introduction 129

IV.2. Extraction Soxhlet 129 IV.2.1. Exprimentations 130

IV.2.2. Rsultats 130

IV.2.2.1. Extraction Soxhlet de la mlisse avec divers solvants 130

IV.2.2.2. Double extraction Soxhlet 132

IV.2.2.3. Prtraitement avec lESC 133

IV.2.3. Conclusions 135

IV.3. Extraction en mode batch (chelle laboratoire) 136 IV.3.1.Dtermination de la teneur totale en acide rosmarinique dans

la matire premire 136

IV.3.2. Rsultats et discussion 136

IV.3.2.1. Influence de la concentration des solvants 137

IV.3.2.2. Influence de la temprature 138

IV.3.2.3. Cintique gnrale du processus 139

IV.3.2.4. Choix du solvant appropri 140 IV.3.2.5. Cintique de lextraction avec le mlange thanol-eau 140

IV.3.2.6. Hydromodule 143

IV.3.2.7. Influence de la granulomtrie 144

IV.3.2.8. Triple extraction 145

IV.3.2.9. Couplage avec lESC 146

IV.3.2.9.1. Prtraitement supercritique sans co-solvant 146

IV.3.2.9.2. Influence de la prsence du co-solvant thanol dans ltape supercritique 149

IV.3.2.9.3. Influence du pr-traitement supercritique sur la cintique de lextraction

conventionnelle 153

IV.3.2.10. Modlisation 154

IV.3.2.10.1. Hypothses de modlisation 154

IV.3.2.10.2. Equations gnrales 154

IV.3.2.10.3. Comparaison aux rsultats exprimentaux 156

IV.3.3 Conclusions 159

IV.4. Nanofiltration 160 IV.4.1. Paramtres de base 160

IV.4.2. Choix de la membrane 161

IV.4.3. Exprimentations 162

IV.4.4. Rsultats 164

IV.4.4.1. Bilan de matire de lacide rosmarinique 165

IV.4.4.2. Rejet du compos-cible 165

IV.4.4.3. Dtermination du flux et modlisation 166

IV.4.4.4. Rutilisation du filtrat en tant que solvant 171

IV.4.4.5. Conclusions 172

IV.5. Application semi-industrielle : extraction solide-liquide dans un

extracteur rotatif 173 IV.5.1. Exprimentations et rsultats 173

IV.5.1.1. Influence de la granulomtrie sur lextraction de lacide rosmarinique 174

IV.5.1.2. Cintique de lextraction 175

IV.5.1.3. Couplage avec lESC 177

IV.5.1.4. Modlisation 178

V. Couplages des diffrentes techniques 183 V.1. Couplage de deux extracteurs Soxhlet 184

V.2. Couplage de lextraction supercritique avec lextraction Soxhlet 185

V.3. Couplage de lextraction supercritique avec lextraction batch 186

V.4. Couplage de lextraction batch avec la nanofiltration 187

V.5. Couplage de lextraction supercritique, de lextraction batch et de la

nanofiltration 188

V.6. Couplage de lextracteur rotatif avec lextraction supercritique 189

V.7. Conclusion 190

VI. Conclusions gnrales et perspectives 193

Nomenclature 199

Rfrences 205

Annexes 218

INTRODUCTION

INTRODUCTION

Cette thse de doctorat sest effectue en co-tutelle entre lInstitut de Gnie Chimique

de lAcadmie Bulgare des Sciences et le Laboratoire de Gnie Chimique (UMR CNRS

5503) de lInstitut National Polytechnique Toulouse. Elle porte sur ltude des procds

dextraction et de purification de produits bioactifs partir de plantes.

Les substances naturelles connaissent un intert croissant pour des applications dans

de nombreux produits de consommation. En effet, leur utilisation est encourage car les

produits quivalents issus de synthses chimiques ont, tort ou raison, mauvaise presse

parmi le grand public. Les plantes reprsentent une source de principes actifs inpuisable et

renouvelable, dont l'usage traditionnel et mdical est connu depuis bien longtemps. Il existe

donc un besoin de production de substances bioactives isoles, concentres et purifies, pour

une utilisation dans un large champ dapplication (cosmtiques, pharmaceutiques, additifs

nutritionnels...), domaines dans lesquels la France est traditionnellement engage. Pour sa

part, la Bulgarie est un producteur important dherbes mdecinales au niveau europen.

Les procds dextraction sont bass sur la diffrence de solubilit des composs

prsents dans un mlange et dans un solvant. Nous nous intressons ici lextraction partir

dun systme solide, la plante. Il existe plusieurs techniques dextraction des produits haute

valeur ajoute prsents dans les plantes. Ces techniques peuvent tre dites conventionnelles

(utilises depuis longtemps) et nouvelles (dveloppes plus rcemment).

Les techniques conventionnelles utilisent des solvants organiques (tels que lhexane,

lactone, le mthanol, lthanol etc.) ou leau et se ralisent, en gnral, pression

atmosphrique. Les nouvelles techniques utilisent des pression et/ou des tempratures leves.

Lextraction avec un fluide supercritique tel que le CO2 est une alternative

lutilisation des solvants chimiques, et le CO2 a t utilis pour lextraction et la sparation

des produits naturels haute valeur ajoute. Au voisinage du point critique, le pouvoir solvant

est sensible aux variations de temprature et de pression. La sparation des extraits et du

solvant est trs facile et se ralise tout simplement en diminuant la pression. De plus, les

INTRODUCTION

proprits de transport des fluides supercritiques (viscosit, diffusivit) permettent une

pntration plus profonde dans la matrice solide des plantes et donc en gnral une extraction

efficace et rapide.

La mlisse est une plante largement utilise dans la mdecine traditionnelle en raison

de ses proprits sdatives, carminatives, antispasmodiques, anti-inflammatoires, antivirales

et surtout antioxydantes. Ces proprits de la mlisse sont attribues principalement lacide

rosmarinique. Son huile essentielle prsente une activit antibactrienne, anti-parasitique,

antihistaminique et antifongique.

Ce doctorat a pour ambition scientifique l'tude des mthodes sparatives puissantes en vue

de leur application couple, visant l'isolement de principes actifs issus de mlisse. Il sagit de

l'extraction conventionnelle solide-liquide (tudes menes en Bulgarie et en France),

l'extraction par fluide supercritique (tudes menes intgralement en France), ainsi que

dautres techniques sparatives.

Chapitre I

Bibliographie

Chapitre I. Bibliographie

- 5 -

I. Bibliographie I.1. Introduction

Lapplication des antioxydants naturels dans le domaine cosmtique et mme

pharmaceutique est un domaine trs prometteur en plein dveloppement. Cela conduit des

recherches de plus en plus nombreuses, destines diversifier les ressources de ses substances

naturelles et amliorer leurs voies de rcupration et de purification.

Dans cette synthse bibliographique, nous dfinirons les substances oxydantes en

gnral, puis nous dtaillerons les proprits de lun dentre eux, lacide rosmarinique, dont la

rcupration fait lobjet de ce travail de thse. La mlisse, plante cultive en Bulgarie qui

constituera notre source dacide rosmarinique, sera ensuite dcrite. Les mthodes dextraction

de lacide rosmarinique traditionnellement utilises seront ensuite prsentes. Enfin, nous

dtaillerons les raisons qui nous ont mens envisager la technique dextraction au CO2

supercritique comme mthode dextraction complmentaire aux mthodes conventionnelles,

en vue du traitement de la mlisse.


- 6 -

I.2. Les antioxydants Un antioxydant est une molcule qui diminue ou empche l'oxydation d'autres

substances chimiques. Les antioxydants sutilisent pour rduire l'oxydation du produit auquel

ils sont mlangs. Leffet des antioxydants provient de deux mcanismes : 1) Ils neutralisent

les radicaux libres et empchent les ractions en chaine initialises par ces derniers. 2) Les

antioxydants dtruisent les hydroperoxydes (composs intermdiaires formant des radicaux

libres en interrompant la liaison O-O), diminuant ainsi la vitesse de formation de radicaux

libres. [1]

Loxydation des lipides reprsente un problme important pour certaines industries,

puisquelle est responsable de la baisse de qualit et de la diminution de la dure de

conservation des produits cosmtiques [2] et alimentaires [2-6]. Ce phnomne conduit

lodeur rance des nourritures en putrfaction. Laddition des antioxydants est une solution

pour protger de tels produits de loxydation [6].

Les antioxydants jouent un rle important dans le mtabolisme humain. Les ractions

biochimiques qui ont lieu dans notre organisme produisent des radicaux libres initiant des

ractions doxydation en chane qui ont une action nfaste sur les cellules de notre corps, en

les abmant et en acclrant le processus de vieillissement. Normalement, le corps humain

maintient lquilibre entre les antioxydants et les radicaux libres en produisant simultanment

les deux types de substances dans le processus mtabolique. Le dsquilibre entre ces deux

types de composs conduit un phnomne appel stress oxydatif. [2]. Linitiation des

phnomnes de ractions doxydations en chane dans lorganisme humain peut conduire

des pathologies comme l'athrosclrose [2, 3], le cancer, linfarctus, les allergies [3], les

rhumatismes et dautres [2].

Les antioxydants synthtiques sont utiliss depuis de nombreuses annes. Mais,

rcemment, beaucoup dtudes ont port sur la toxicit leve des antioxydants synthtiques

utiliss dans lindustrie alimentaire, comme, par exemple, le butylhydroxytolune (BHT),

lhydroxyanisol butyle (BHA), le tert-butylhydroquinone (TBHQ), etc. [1-8]. Le besoin de

rduire lutilisation des antioxydants synthtiques (maintenant limite dans plusieurs pays en

raison de leurs possibles effets indsirables sur la sant humaine) impose dorienter le march

vers des antioxydants dorigine naturelle et stimule la recherche dans ce domaine [9]. Les

plantes reprsentent une source trs riche et renouvelable dantioxydants naturels [1-8].

L'industrie des alicaments propose plusieurs antioxydants naturels comme additifs


- 7 -

alimentaires. Le dveloppement de mthodes de production de ces substances naturelles,

spcialement partir de plantes, est un domaine prometteur et en pleine croissance [2].

Lacide rosmarinique, dont les proprits sont prsentes ci-dessous, reprsente un

exemple dantioxydant pouvant tre une bonne alternative aux antioxydants de synthse car il

est prsent dans plusieurs plantes.

I.3. Lacide rosmarinique Lacide rosmarinique (C18H16O8) a t isol pour la premire fois ltat pur par deux

chimistes italiens, Scarpati et Oriente, en 1958 [10, 11, 12]. Son nom provient du nom de la

plante partir de laquelle il a t isol, le romarin (Rosmarinus Officinalis). Lacide

rosmarinique (fig.I.1) est un ester de lacide cafique et de lacide 3,4-

dihydroxyphenyllactique [10-13].

Figure I.1. Structure de lacide rosmarinique

Lacide rosmarinique pur se prsente sous forme de poudre cristalline de couleur

crme, sensible aux rayons UV et la lumire du jour. Dans la nature, lacide rosmarinique

existe sous forme de trans-isomre, mais, expos la radiation de la lumire du jour, il se

transforme en cis-isomre [14, 15]. Cest un compos polaire, qui est donc soluble dans les

solvants polaires comme leau et lthanol. Ses proprits physiques sont indiques dans le

tableau I.1.

Tableau I.1. Proprits physiques de lacide rosmarinique

Formule brute C18H16O8

Masse molculaire, g/mol 360,4

Point de fusion, C 171-175 [16]

Solubilit dans leau 25 C, g/L > 15 [15]

Solubilit dans lthanol 25 C, g/L 25 [15]

Lacide rosmarinique est prsent dans les espces de la famille des Lamiacea [1, 3, 10,

12, 17-24, 25, 30], ainsi que dans certaines plantes de la famille des Boraginaceae [1, 10, 22,


- 8 -

25] et des Apiaceae [25]. Le rle biologique de l'acide rosmarinique chez les plantes est la

dfense contre les pathognes et les herbivores [26].

Lacide rosmarinique est intressant pour ses proprits biologiques : anti-

inflammatoire, antimutagne, antibactrienne [3-10, 13-24, 26-30], antivirale et surtout anti-

oxydante [3-10, 13-24]. Une activit anti-VIH de lacide rosmarinique a galement t

rapporte dans la littrature [1].

Lactivit anti-oxydante de lacide rosmarinique est due la prsence de quatre

groupes hydroxyles dans sa molcule [14].

Certains extraits de plantes aromatiques contenant de lacide rosmarinique ont des

applications dans les domaines alimentaire, cosmtique, pharmaceutique, dans la production

des boissons, etc. [20]

Les mdicaments Neurex (Smart), Persen (Lek Pharmaceuticals d.d.) ou les additifs

alimentaires PAX+ (Arcopharm), Life Extension (Herb soul), ou encore le conservateur

alimentaire Aquarox (Vitira) constituent quelques exemples de produits contenant lacide

rosmarinique.

Lacide rosmarinique constitue donc un bon exemple dantioxydant, largement

rpandu dans la nature. Nous lavons donc choisi comme compos cible pour notre travail.

Lacide rosmarinique peut tre extrait de plusieurs sources vgtales : la Sauge

(Salvia) [17, 19, 23, 27, 30], la Bourrache Officinale (Borago Officinalis L.) [ec.19], le Lierre

(Hedera Helix L.) [11], le Romarin (Rosmarinus officinalis) [31, 32, 16, 30], la Lavande

(Lavandula) [4, 17, 22], le Thym (Thymus Vulgaris L.)[17, 29], le Tilleul petites feuilles

(Tilia Cordata Mill.), le Dactyle agglomr (Dactylis Glomerata L.), le Ftuque (Festuca

Rubra L.), le Bromus (Bromus Inermis et Bromus Marginatus) [29], lOrigan (Origanum

Vulgare)[ec.2, ec.27], le Lycope d'Europe (Lycopus Europaeus), la Brunelle commune

(Prunella Vulgaris) [30], la Menthe (Mentha Piperita), lHysope (Hyssopus Officinalis L.), le

Basilic (Ocimum Basilicum L.), la Sarriette (Satureja Hortensis L.) [17] . G. Janicsak et

al.(1999) [18] ont tudi lextraction de lacide rosmarinique partir de 77 taxons de la

famille des Lamiaceae (subfamille des Nepetoideae) ; J.L. Lamaison et al. [33] - de 52 taxons

Lamiaceae (subfamille Saturejoidae) et de 24 taxons des familles Lamiacea, Boraginaceae et

Apiaceae [25].

Cependant, la mlisse (Melissa Officinalis L.) est rapporte dans la littrature comme

une plante contenant de lacide rosmarinique en grande quantit [7, 9, 13-15, 17, 18, 21, 23-

25, 29, 30]. Elle a donc t choisie comme source naturelle dacide rosmarinique.


- 9 -

La variation du contenu en acide rosmarinique provenant de 10 plantes de la famille

des Lamiacea, est prsente sur la figure I.2.[17]

Figure I.2. Contenu en acide rosmarinique de diverses espces de la famille des Lamiaceae.

Sh Sarriette (Satureja hortensis L.) ; Ob Basilic (Ocimum basilicum L.) ; Mo Mlisse

(Melissa officinalis L.) ; Ro Romarin (Rosmarinus officinalis L.) ; Tv Thym (Thymus

vulgaris L.) ; So Sauge (Salvia officinalis L.); Om Origan (Origanum majorana L.) ; Ho

Hysope (Hyssopus officinalis L.); Mp Menthe (Mentha piperita (L.) ; Hudson) ; Lo

Lavande (Lavandula officinalis Chaix) [17]

Cette figure montre que la mlisse est une des plantes les plus riches en acide

rosmarinique. De plus, elle est largement rpandue en Europe, ce qui justifie notre choix de la

mlisse comme source dacide rosmarinique.


- 10 -

I.4. La mlisse (Melissa Officinalis L.) La mlisse (fig. 3.) est une plante vivace souche longue. La tige, longue de 30 80

cm, est dresse de faon plus ou moins rameuse. Les feuilles, opposes, longuement ptioles,

ovales, crneles, gaufres, sont luisantes, d'un beau vert fonc sur le dessus, plus ples en

dessous. Les fleurs, blanches, qui apparaissent de juin septembre, sont disposes la base

des feuilles suprieures. Le fruit, entour par un calice persistant, contient des graines

luisantes brun fonc.

Figure I.3. La mlisse.


- 11 -

La mlisse est rpandue dans la flore naturelle de la rgion Mditerranenne, dans

l'Europe du Sud, lAfrique de Nord et lest jusquau Caucase et lIran de Nord [13, 34, 35,

36]. La mlisse est cultive en France, Allemagne, Italie, Roumanie, Bulgarie [36], Slovaquie

du Sud, Moravie [13] et Amrique du Nord [36].

Le nom latin Melissa trouve ces racines dans le nom grec Meleia (du mot grec meli,

melitos - miel), et provient de lattirance importante des abeilles pour cette plante. Le terme

officinalis a t ajout pour la premire fois par celui qui a cr les bases du systme moderne

de la nomenclature binominale, le naturaliste sudois Carl von Linn (1707 - 1778). Ce terme

a t mentionn dans la pharmacope en France en 1733. Lutilisation du mot franais officine

pour signifier pharmacie, laboratoire, a t documente pour la premire fois en 1812. Le nom

lemon balm (mlisse en anglais) provient du citron (en raison de lodeur caractristique de

cette plante) et du balsam qui signifie baume, balme [9]. Dautres noms de la mlisse connus

en France sont mlisse citronnelle, citronnelle, citronne, herbe au citron, mlisse des

boutiques, piment des abeilles ou des ruches, cline, ponchirade, th de France.

La mlisse est connue depuis des sicles en tant que plante mdicale. Le philosophe,

crivain et mdecin perse Avicenne (980 - 1037) recommandait la mlisse pour renforcer le

cur. Les moines et nonnes en France ainsi que le mdecin suisse Paracelse (1493 1541)

prparaient des boissons fortifiantes (toniques) appeles lixir de la vie contenant de la

mlisse. Lcrivain anglais John Evelyn (1620 - 1541) a dcrit la mlisse comme une plante

qui structure le cerveau, renforce la sant mentale et supprime la mlancolie [36].

Cette plante est trs utile pour le traitement des agitations nerveuses, comme

somnifre [9]. Dans la mdecine traditionnelle, la mlisse est utilise sous-forme de jus,

crme ou th [9] pour soigner : cphale, nervosit, troubles gastro-intestinaux [9, 14, 15, 34,

35, 37], bronchite, dpression, hystrie [9, 35], rhumatisme [9, 14], flatulence, nause,

anmie, vertige, syncope, asthme, amnorrhe, insuffisance cardiaque, troubles de la

conduction cardiaque, insomnie, pilepsie, psychose, ulcres, blessures [35], troubles de

labdomen infrieur, migraine, faiblesse nerveuse, mal de dents, hypertension artrielle [9].

Par voie externe, (sous forme de compresse), elle est utilise contre la douleur des nerfs et le

torticolis [9].

La plante contient une grande varit de composs dont les principaux, selon diverses

sources, sont prsents dans le tableau I.2.


- 12 -

Tableau I.2. Composs principaux de la mlisse selon diffrentes sources

Composs Rfrence

Huile essentielle [1, 14, 13, 24, 34-38]

Composs flavonodes : [9, 24, 34]

- Cynaroside [9]

- Cosmosin [9]

- Rhamnocitrin [9]

- Isoquercitrin [9]

Drives du Luteolin [24]

Drives hydroxycinnamique [24]

Cires [21, 24]

Strols [21]

Chlorophylles [1, 21]

Acides phnoliques :

- Acide rosmarinique [9, 13-15, 17, 18, 20, 21, 24, 25, 30, 37].

- Acide protocatechuique [14, 17, 21]

- Acide caffeique [9, 14, 17, 18, 20, 21],

- Acide P-hydroxbenzoque [17]

- Acide gentisique [17]

- Acide carsonique [9]

Acides de triterpene

- Acide ursolique [9]

- Acide olnoique [9]


- 13 -

Les proprits sdatives, carminatives, antispasmodiques, anti-inflammatoires,

antivirales et surtout anti-oxydantes de la mlisse sont attribues lacide rosmarinique [1, 8,

13, 15, 14, 21, 35, 37]. La teneur en acide rosmarinique par rapport au poids sec de la plante

varie de 0,5 4,75 % selon les tudes [13, 14, 15, 17, 18, 20, 21, 24, 25, 30, 37].

La quantit dhuile essentielle prsente dans la mlisse nest pas trs importante (0,02

0,32 % du poids sec de la mlisse) [1, 13, 24], mais son prix est lev [1]. Lhuile

essentielle de mlisse prsente des activits antibactriennes, anti-parasitiques,

antihistaminiques et antifongiques [34]. Les composs principaux de lhuile essentielle sont le

citral (reprsent par les deux stro-isomres nral et geranial), le caryophyllne et le

citronellal [1, 13, 24, 34-36, 37, 38]. Dautres composs y sont prsents en petits quantits tels

que germarcne D, ocimne, citronellol [24], oxyde de caryophyllne [1, 38], nral actate

[38], linalol, geraniol [1]. La composition de lhuile essentielle de mlisse selon trois sources

et deux diffrentes techniques dextraction (hydrodistillation et extraction au CO2

supercritique) est prsente dans le tableau I.3.


- 14 -

Tableau I.3 Composition de lhuile essentielle de mlisse (exprime en pourcentage) selon

diffrentes sources.

Rfrence [34] [24] [38] [38]

Technique

Compos

Hydro-

Distillation

Hydro-

distillation

Hydro-

distillation

ESC

Octen-3-ol 1,3 - - -

6-methyl-hepten-2-one 0,3 0,35 - -

Trans--ocimene 0,5 0,3 - -

Linalool 0,9 0,56 - -

Para-menth-3-en-8-ol 0,2 - - -

Citronellal 12,9 39,47 5 2,87 3,53

Citronellol 6,2 0,63 - -

Nral 24,5 20,40 33,63 21,77 23,3

Geraniol 0,7 0,18 - -

Geranial 35,3 27,84 47,06 61,40 63,23

-Cubebne 0,2 - - -

Eugnol 0,1 - - -

Actate de Geranyl 7,1 0,58 - -

Caryophyllne 4,9 2,37 1,23 6,63 - 8,47

Germacrne 0,2 - - -

Actate dEugenol 0,1 - - -

Oxyde de caryophyllne 2,7 0,67 3,56 0,9 2,63

Actate de nral - - N/A 0 1,57

-pinne - 0,11 - -

Cis--ocimne - 0,1 - -

Oxyde de cis-linalool - 0,39 - -


- 15 -

I.5. Citral et Caryophyllne En parallle de notre compos cible, lacide rosmarinique, lhuile essentielle de la

mlisse prsente un intrt particulier pour nous. Cette huile au prix lev [1] (entre 6 et 34

/mL dans le commerce) est utilise en mdecine, en pharmacologie, en cosmtique et dans

lindustrie alimentaire [34, 35]. Dans lhuile essentielle obtenue par extraction supercritique

ces deux composs reprsentent plus de 90 % [38].

Le citral (ou lmonal) est un aldhyde aliphatique, liquide de couleur jaune ple avec

une forte odeur de citron. Sa formule brute est C10H16O. Il est prsent sous forme de deux

stro-isomres, le granial (trans) et le nral (cis) (fig. 4).

a) b)

Figure I.4. Structure des isomres du citral : a) Nral ; b) Gneral

Le granial a une trs forte odeur de citron alors que le nral a une odeur plus douce.

Le citral est insoluble dans l'eau et trs soluble dans les solvants organiques. Certaines

proprits physiques du citral sont donnes dans le tableau I.IV. Le citral tant un compos

aromatique, il est largement utilis dans lindustrie alimentaire (comme flaveur des

nourritures, boissons, bonbons etc.) et en parfumerie pour son odeur de citron [39, 40]. Il est

galement utilis pour enrichir l'huile de citron. Le citral est utilis dans la pharmacie pour la

synthse des vitamines A et E, ainsi que comme carotnode [40]. Il a de fortes proprits

antimicrobiennes [41], antivirales, sdatives, antifongiques. Il est aussi considr comme anti-

tumoral [39].

Le rle du citral dans les plantes est reli son effet phromone pour les insectes [42,

43].

Le caryophyllne (ou -caryophyllne, ou encore ()-trans-caryophyllne) est un

sesquiterpne bicyclique [44, 45]. Sa formule brute est C15H24. A ltat pur, cest un liquide

huileux incolore jaune ple avec une forte odeur ligneuse (boise), sche, pice [46]. Il est


- 16 -

insoluble dans leau et soluble dans des solvants organiques et certaines huiles [46, 47].

Quelques-unes de ses proprits physico-chimiques sont listes dans le tableau I.4. Il est

utilis dans la cosmtique et la parfumerie pour ces qualits darme (fragrances) [45]. Le

caryophyllne a un effet anti-inflammatoire [44, 48, 50] et antiallergique [50] et possde une

activit analgsique avec des effets gastriques cytoprotectifs [44]. Cela le rend utilisable dans

les domaines de la pharmacie et de la mdecine. Le caryophyllne est approuv par la FDA

(U.S. Food and Drug Administration) comme additif alimentaire et est ingr

quotidiennement comme additif alimentaire aux Etats-Unis.

Figure I.5. Structure du caryophyllne

Tableau I.4. Proprits physiques du citral et du caryophyllne

Citral Caryophyllne

Formule brute C10H16O C15H24

Masse molculaire, g/mol 152,24 204,36

Point dbullition, C 229 261

Masse volumique, kg/m3 893 905,2

I.6. Techniques extractives Le procd dextraction est bas sur la diffrence de solubilits des composs dun

mlange dans un solvant. Le mlange peut tre solide ou liquide et le solvant liquide ou fluide

supercritique. Dans notre travail, nous nous intressons aux procds dextraction partir

dun systme solide, la plante.

Il existe plusieurs techniques dextraction des produits de haute valeur ajoute

prsents dans les plantes. Ces techniques peuvent tre dites conventionnelles (utilises depuis

longtemps) et nouvelles (dveloppes plus rcemment) [51].

Parmi les techniques conventionnelles, on trouve lentrainement la vapeur

(hydrodistillation) [24, 31, 32, 35, 38, 52], lextraction par Soxhlet [13, 29, 53 54],


- 17 -

lextraction en mode batch [9, 17, 24, 27, 32] et lextraction assiste par sonication [14, 18-20

55].

Dans la catgorie techniques nouvelles on peut citer lextraction assiste par

microondes (Microwave Assisted Extraction) [29, 53, 54], lextraction acclre par solvants

(Accelerated Solvent Extraction) [21, 54, 56], et lextraction avec des fluides supercritiques

[21, 29, 31, 32, 53-55, 87].

Il existe galement dautre techniques extractives, moins rpandues, comme, par

exemple, lextraction solide-liquide moyenne pression (medium-pressure solid-liquid

extraction - MSLE) dont le principe est le suivant : le solvant, aliment par une pompe,

traverse sous une certaine pression (~10 bar ) une colonne remplie de matriel extraire

(colonne lit fixe) [35]

Lentrainement la vapeur (hydrodistillation) est une technique largement utilise

pour lextraction des huiles essentielles [24]. Lavantage de cette technique rside en

l'abaissement de la temprature de distillation ; les composs sont donc entrans des

tempratures beaucoup plus basses que leur temprature dbullition, ce qui vite leur

dcomposition [24].

Le Soxhlet est une mthode classique pour lextraction solide-liquide. Les avantages

du Soxhlet sont les suivants : lchantillon entre rapidement en contact avec une portion

fraiche de solvant, ce qui aide dplacer lquilibre de transfert vers le solvant. Cette mthode

ne ncessite pas de filtration aprs extraction. Le Soxhlet est indpendant de la matrice

vgtale. Les inconvenients les plus significatifs de cette mthode, par comparaison avec les

autres techniques conventionnelles sont : la dure importante dextraction et la grande

quantit de solvant consomme, ce qui conduit non seulement des pertes conomiques mais

pose aussi des problmes sur le plan environnemental. Les chantillons tant ports haute

temprature pendant une priode relativement longue, le risque de thermodestruction de

certains composs nest pas ngliger si la matire vgtale contient des composs

thermolabiles. Etant donn la grande quantit de solvant utilise, ltape postrieure

dvaporation/concentration devient limitante. Des chauffements locaux sont galement

possibles [53]. Cette technique est limite dun point de vue de la slectivit du solvant et

nest pas facilement automatisable [51, 53, 56].

Lavantage majeur de lextraction en mode batch par agitation devant le Soxhlet est la

possibilit de travailler facilement avec des mlanges de solvants (par exemple diverses

proportions alcool-eau) et de contrler la temprature dextraction, en vitant le risque de


- 18 -

destruction des composs thermolabiles. Cest une mthode simple et efficace mais qui exige

des procdures postrieures de filtration et de concentration relativement longues [53].

Lextraction par sonication est une mthode simple, efficace et peu couteuse. Ses

avantages les plus significatifs sont lis laugmentation du rendement dextraction et une

acclration de la cintique par rapport une extraction classique. Elle permet de travailler

des tempratures relativement basses et dviter la thermodestruction des composs. Cette

technique est facile mettre en uvre. Comme le Soxhlet, lextraction par sonication permet

dutiliser une large gamme de solvant afin dobtenir diffrents composs naturels. Cependant,

leffet de lextraction par ultrasons sur le rendement et la cintique dextraction est li la

nature de la matrice vgtale. La prsence dune phase disperse mne lattnuation des

ondes ultrasonores et les zones actives dans lextracteur restent proximit de lmetteur

dultrasons [56]. Cette mthode ne permet pas de renouveler le solvant pendant le processus.

Ltape limitante est la filtration et le rinage aprs lextraction [58].

Lextraction assiste par microondes est galement une alternative aux mthodes

dextraction conventionnelles [56]. Elle utilise de plus petites quantits de solvant, nest pas

couteuse [53, 54, 56] et est considrablement rapide. Cependant, la temprature opratoire de

cette technique est relativement haute (100 150 C), ce qui pose des problmes quand il

sagit de lextraction dantioxydants [53, 54]. Les autres inconvnients de cette technique sont

dune part le rendement faible lorsque les soluts ou les solvants sont apolaires et dautre part

le besoin de ltape postrieure de filtration ou de centrifugation pour liminer le rsidu solide

de lextrait [56].

Lextraction acclre par solvants (Accelerated Solvent Extraction ASE ) est une

technique brevete de la socit DIONEX qui utilise les solvants conventionnels des

tempratures (50 200 C) et des pressions 100 150 bar) leves. La pression est maintenue

assez leve pour maintenir le solvant ltat liquide temprature leve. Pendant lASE,

le solvant reste toujours en dessous de ses conditions critiques [56]. Les avantages de cette

technique devant les techniques conventionnelles sont les suivants : on vite les

chauffements locaux et on consomme de plus petites quantits de solvant en comparaison

lextraction par Soxhlet et par batch avec agitation. Ses inconvnients sont lis sa non-

slectivit, ce qui impose des procdures supplmentaires de nettoyage des extraits [54, 56].

Les tempratures opratoires leves peuvent mener une dgradation des soluts

thermolabiles [56].


- 19 -

Lextraction avec des fluides supercritiques est une mthode trs attractive qui mrite

une attention particulire (cf. I.7.2). Les avantages de cette mthode devant les mthodes

conventionnelles sont bass sur une dure dextraction plus courte, une slectivit leve et la

facilit dliminer le solvant aprs lextraction par simple dcompression [58].

Ces diffrentes techniques ont t utilises pour raliser des tudes sur lextraction de

lacide rosmarinique partir de mlisse. Janicsak et al. (1999) [18] ont appliqu lextraction

par ultrasons avec un mlange mthanol-eau 60 : 40 %. Avec cette technique, ils ont obtenu

un extrait contenant 0,44 % dacide rosmarinique par masse de matire premire. Caniova et

Brandsteterova (2001) [14] ont appliqu la mme mthode avec divers solvants (60 :40 %

thanol-eau ; 60 : 40% thanol-eau pH = 2,5; 60 % mthanol-eau ; 60 % mthanol-eau

pH = 2,5 et eau pH 2,5). Les rsultats varient entre 1,2 et 1,7 % dacide rosmarinique par

masse de matire premire. Wang et al. (2004) [20] ont obtenu par extraction aux ultrasons

(solvant thanol -eau 30 :70) 2,74 % dacide rosmarinique par masse de matire premire.

Toth et al. (2003) [13] ont appliqu lextraction Soxhlet avec du mthanol. Les

rsultats varient entre 3,5 et 3,9 % en fonction de la phase ontognique de la plante lors de la

moisson.

Zgorka et Glowniak (2001) [17] ont utilis lextraction en mode batch, avec du

mthanol reflux, et ont obtenu un extrait contenant 1 % dacide rosmarinique par masse de

matire premire. Le contenu maximum en acide rosmarinique est gal 4,75% et a t

obtenu par Fialova et al. (2008) [37] qui ont extrait de lAR en mode batch reflux avec un

mlange thanol-eau 50 % . Les rsultats varient de 3,79 4,75 % selon la saison de la

moisson de la plante. Carnat et al. (1998) [24] ont obtenu un extrait dacide rosmarinqiue avec

de leau bouillante en mode batch et ont ainsi rcupr 4 % par masse de matire premire.

Le contenu en acide rosmarinique dextrait obtenus par extraction en mode batch avec de

lthanol 50% par Lamaison et al (1990)[25], Lamaison et al (1991)[30] et Lamaison et al

(1991)[33] est gal respectivement 2,7, 4,7et 4,7%.

Dastmalchi et al. (2008) [35] ont appliqu lextraction solide-liquide moyenne

pression (medium-pressure solid-liquid extraction) avec comme solvant un mlange thanol-

eau, et le rendement obtenu est environ 3 % dacide rosmarinique par masse de matire

premire.

Ribeiro et al. (2001) [1] ont utilis lextraction au CO2 supercritique pour liminer des

composs non dsirs (chlorophylle en grande quantit, vrifi spectrophotomtriquement) de

la matrice vgtale. Lacide rosmarinique a t extrait ensuite, partir du rsidu supercritique


- 20 -

et partir de la mlisse non-traite, par extraction en mode batch avec de leau bouillante

comme solvant. Dans la plupart des cas le prtraitement supercritique amliore lextraction

conventionnelle. Marongiu et al. (2004) [8] ont ralis lextraction avec du CO2 supercritique

et ont limin les huiles essentielles et les composs plus lourds en deux tapes (90 bar- 50 C

et 300 bar-50 C, respectivement) et ils ont obtenu des rsidus enrichis en acide rosmarinique.

Le tableau I.5 prsente les rendement dextraction de lacide rosmarinique obtenus

partir de mlisse par diffrentes techniques dextraction.

Tableau I.5. Quantit dacide rosmarinique extraite partir de mlisse par masse de la

matire premire, rapport par diffrents auteurs

Rfrence Technique Quantit dAR extraite, %

Janicsak et al. (1999) [18] Sonication 0,44

Caniova et Brandsteterova (2001) [14] Sonication 1,2-1,7

Wang et al. (2004) [20] Sonication 2,74

Toth et al. (2003) [13] Soxhlet 3,5 3,9 %

Zgorka et Glowniak (2001) [17] Batch 1 %

Lamaison et al. (1990) [25] Batch 4,7

Lamaison et al.(1991) [30] Batch 4,7

Lamaison et al.(1991) [33] Batch 2,4

Fialova et al. (2008) [37] Batch 3,79 - 4,75

Carnat et al. (1998) [24] Batch 4

Dastmalchi et al. (2008) [35] MSLE 3

Etant donn la variation du rendement selon les diverses tudes, on peut supposer que

la teneur initiale en acide rosmarinique dans la matire premire nest pas identique pour tous

les chantillons traits. Cependant, la tendance est dextraire plus dacide rosmarinique avec

le mlange thanol-eau quavec le mlange mthanol-eau. Lextraction en mode batch et par

Soxhlet est plus efficace que lextraction laide dultrasons. Le CO2 supercritique a t

utilis pour prtraiter la matire premire avant lextraction conventionnelle.

Cependant, linfluence des paramtres opratoires (type et concentration du solvant,

temprature, taille des particules solides, hydromodule, etc.) sur la cintique dextraction de

lacide rosmarinique partir de mlisse na pas t pas systmatiquement tudie. Il en est de

mme pour linfluence des conditions opratoires sur le prtraitement supercritique.


- 21 -

Pour la rcupration de lhuile essentielle de mlisse, deux techniques ont t

utilises : lentranement la vapeur (hydrodistillation) [24, 34, 35, 38] et lextraction au CO2

supercritique [1, 38].

Le rendement de lhuile essentielle issue de lextraction supercritique est plus lev et

lextrait est plus riche en composs principaux (plus de 90 % de citral et caryophyllne) que

dans le cas de lhydrodistillation [38]. Pour cette raison nous avons tudi la possibilit

disoler lhuile essentielle par le procd dextraction supercritique.

Dans nos tudes dextraction, nous avons utilis deux techniques conventionnelles

lextraction en mode batch et lextraction Soxhlet, choisies pour leur simplicit de mise en

uvre et leur efficacit, ainsi quune technique plus rcente, lextraction supercritique, dont

les caractristiques vont maintenant tre dtailles.

I.7. Les fluides supercritiques I.7.1. Le domaine supercritique

I.7.1.1. Gnralits

Dun point de vue physique, le phnomne supercritique peut tre expliqu de la

manire suivante : lorsque deux molcules dun fluide se rapprochent une temprature telle

que leur vitesse relative est faible, les forces dattraction agissent pour crer une association

temporaire ces molcules. Si la masse volumique du fluide est suffisamment importante

(c'est--dire si la pression est suffisamment leve), la condensation sera possible. Au

contraire, si la temprature, et donc la vitesse relative, sont leves, les forces dattraction

entre molcules seront trop faibles par rapport la vitesse et la condensation ne se produira

pas. Ainsi, pour chaque substance, il existe une temprature appele temprature critique au-

dessous de laquelle la condensation du liquide est possible mais au-dessus de laquelle cette

transformation nest plus possible. Au-dessus de la temprature critique la substance nexiste

plus en tant que liquide ou gaz, mais plutt comme un fluide. Ce phnomne a t mis en

vidence exprimentalement pour la premire fois par le Baron Charles Cagniard de la Tour

(1822) [49]. Le domaine supercritique est dfini quand la temprature et la pression de la

substance dpassent leurs valeurs critiques. Les fluides supercritiques ont des caractristiques

physico-chimiques intermdiaires entre celles des gaz et des liquides. En les comparant avec

les solvants liquides, les fluides supercritiques prsentent les avantages principaux suivants:


- 22 -

(1) le pouvoir solvant des fluides supercritiques est trs flexible et dpend de leur

masse volumique, c.--d. quil est ajustable en modifiant la temprature et/ou la

pression.

(2) la tension superficielle des fluides supercritiques est trs faible, ils ont une

diffusivit leve et une viscosit faible, ce qui favorise le transfert de matire et

permet une pntration facile dans les pores dune matrice solide [56].

I.7.1.1.1 Diagramme de phases dun corps pur

Sur le diagramme de phases dun corps pur, le point critique est dfini par sa

temprature et sa pression critique et prend des valeurs particulires pour chaque substance

[49]. Lexemple dun diagramme de phases (dioxyde de carbone) est prsent sur la Figure I.

6.

Figure I.6. Diagramme de phases du CO2

Sur la Figure I. 6, on distingue les zones o la substance existe sous forme de solide,

de liquide ou de vapeur. Les courbes reprsentent la zone de coexistence entre deux phases.

Au point triple (-56,4 C; 5,2 bar) les trois phases coexistent. Si on augmente la temprature

et la pression partir du point triple, on se dplace vers le haut sur la courbe liquide-vapeur.

Le liquide devient moins dense cause de lexpansion thermique et la vapeur devient plus


- 23 -

dense cause de laugmentation de la pression. Finalement, au point critique, les masses

volumiques des deux phases deviennent identiques, on ne distingue plus la vapeur et le

liquide. Au-del de ce point les substances existent sous forme dune seule phase, le fluide

supercritique.

I.7.1.1.2 Masse volumique autour du point critique

Les proprits des fluides supercritiques se situent entre celles des gaz et celles des

liquides lorsque la pression augmente. Ainsi en est-il par exemple de la masse volumique

comme le montre la Figure I. 7, qui reprsente le cas du CO2.

Figure I. 7. Isothermes masse volumique-pression pour le CO2

Aux tempratures lgrement suprieures la temprature critique, la masse

volumique varie beaucoup pour de faibles variations de pression. Aux tempratures plus

leves ce changement est moins brusque et se manifeste pressions plus leves. Par

consquent, il est plus difficile de bien contrler la masse volumique autour de la temprature


- 24 -

critique. Les autres proprits thermodynamiques, telles que lenthalpie, varient de la mme

manire [49, 59].

I.7.1.1.3. Influence de la temprature sur la solubilit

La solubilit dans le CO2 supercritique change avec la temprature sous linfluence

comptitive de deux phnomnes [49, 60]: la tension de vapeur du solut qui augmente avec

la temprature, et le pouvoir solvant du CO2 supercritique qui diminue avec la temprature en

raison de la diminution de la masse volumique du fluide. A basse temprature, la solubilit

diminue lorsque la temprature augmente en raison de leffet prdominant de la diminution de

masse volumique du fluide devant laugmentation de la pression vapeur du solut. Au-del

dune certaine temprature, le dernier effet devient prdominant, la solubilit passe par un

minimum, puis augmente avec la temprature. La temprature solubilit minimale est plus

leve pression plus faible. La figure I. 8, qui concerne un mlange modle naphtalne-CO2,

en reprsente un exemple : une faible pression, le pouvoir solvant du CO2 dcroit lorsque la

temprature augmente. Par contre, pression leve, la solubilit augmente avec la

temprature.


- 25 -

Figure I.8. Solubilit du naphtalne dans le CO2 en fonction de la temprature, daprs [61]

Il est souvent plus commode dexprimer la solubilit dun compos dans un fluide

supercritique en fonction de la masse volumique de ce dernier. Un tel exemple est prsent

sur la Figure I. 9.


- 26 -

Figure I.9. Solubilit du naphtalne dans le CO2 en fonction de la masse volumique

du CO2, daprs [61]

Cette figure met en vidence, dune part, laugmentation du pouvoir solvant dun

fluide supercritique avec la masse volumique une temprature donne et, dautre part,

laugmentation du pouvoir solvant dun fluide supercritique avec la temprature une masse

volumique donne.

I.7.1.2. Principaux fluides supercritiques

Au cours des dernires annes, les proprits de beaucoup de fluides supercritiques

ont t tudies. Parmi eux, le CO2 est le fluide supercritique prsentant les proprits les plus

satisfaisantes : il est peu couteux et disponible une puret leve, sa pression (74 bar) et sa

temprature (31C) critiques sont relativement faciles atteindre, il est inerte, non-

inflammable et non-toxique, et en dehors des applications radioactives il est chimiquement

stable [38, 49, 56]. Cependant, le CO2 na pas de moment dipolaire permanent et sa polarit

est comparable celles du pentane ou de lhexane liquides [38, 49, 54]. Cela en fait un bon

solvant pour les composs apolaires mais pas pour les composs polaires. Un fluide alternatif

est le monoxyde dazote, N2O, dont le moment dipolaire est lgrement plus lev (0,17 D).

Les inconvnients du N2O sont le risque doxydation et dexplosion en prsence de composs

organiques [54]. Lutilisation dautres fluides supercritiques est galement limite en raison

des risques vis--vis de lenvironnement et/ou pour leurs tempratures et pressions critiques


- 27 -

leves. Il sagit de composs de moment dipolaire lev comme le Freon-22, le Fron-23, le

mthanol [54, 56] ou lhexane [56]. Leau supercritique [49, 56], subcritique ou surchauffe

[49, 54, 56] est un trs bon solvant pour les composs polaires mais sa temprature et pression

critiques sont relativement leves, ce qui la rend inadapte pour le traitement de composs

thermolabiles. De plus, elle est trs corrosive en prsence doxygne [49, 54, 56]. Les

proprits physiques et les moments dipolaires de quelques fluides sont prsents dans le

tableau I.6. Dautres substances utilises comme fluides supercritiques sont le dimthyl ther

[26], le propane, le mthane, le fluoroforme, lthylne, lthane etc. [62].

Tableau I.6. Coordonnes critiques et moment dipolaire de certains fluides supercritiques

[54]

Fluide Temprature critique, C Pression critique, bar Moment dipolaire, D

CO2 31,1 74 0 H2O 374,1 221,1 1,85 N2O 36,5 72,6 0,17 Freon-22 (CHClF2) 96 49,1 1,29 Freon-23 (CHF3) 25,9 47,5 1,65 Mthanol 240 79,5 1,7

I.7.1.3. Utilisation des fluides supercritiques

Dans les trente dernires annes les fluides supercritiques ont t utiliss en tant que

solvants dans divers procds : la micronisation haute pression, la chromatographie [26, 63]

et pour des ractions chimiques et biochimiques [26, 31]. Cependant, leur application la plus

rpandue et la plus dveloppe lchelle industrielle concerne les procds dextraction [49,

59], que nous allons dcrire plus en dtails dans le paragraphe suivant.

I.7.2. Extraction par fluides supercritiques (ESC)

I.7.2.1. Gnralits

Le dveloppement de nouvelles technologies de sparation dans lindustrie chimique,

pharmaceutique, cosmtique et alimentaire est li aux exigences pour la protection de

lenvironnement, la sant publique et au besoin de minimiser la consommation nergtique

des procds. Par exemple, lutilisation des solvants organiques pour le traitement des

matires vgtales est soumise des restrictions de plus en plus fortes, en particulier depuis la

mise en uvre de la directive REACH, visant assurer un niveau lev de protection de la


- 28 -

sant humaine et de lenvironnement, contre les risques que peuvent poser les produits

chimiques. Ces restrictions sont particulirement importantes dans le domaine de lindustrie

alimentaire, pour laquelle il devient urgent de proposer des substances alternatives aux

solvants organiques traditionnellement utiliss dans les procds dextraction ou de

purification de la matire vgtale. Lextraction par fluide supercritique et plus

particulirement par le CO2 supercritique a t introduite comme alternative ces procds

dextraction par solvants [2].

Le phnomne au cours duquel une molcule (solut) ou un groupe de molcules

transfre vers la phase supercritique, peut tre prsent, dune part, comme une vaporisation,

puisque la molcule en question passe de la phase condense vers une phase plus expanse (le

solvant supercritique). Dautre part, ce phnomne peut aussi tre considr comme une

dissolution car une interaction solutsolvant apparat. Les phnomnes de

vaporisation/dissolution caractrisent la nature intermdiaire de ltat supercritique. Pour

comprendre le comportement solutsolvant, il est ncessaire de connatre la masse

volumique du solvant et linteraction entre le solvant et les divers composs qui composent la

phase solide [32].

I.7.2.2. Avantages et inconvnients

Les plus grands avantages des fluides supercritiques apparaissent au voisinage de sa

temprature et pression critiques, car leur masse volumique et donc leur pouvoir solvant sont

trs flexibles, ce qui peut offrir une grande slectivit [49, 56]. Cependant, ils sont aussi trs

utiliss aux pressions beaucoup plus leves, puisque le pouvoir solvant augmente avec la

pression [32, 56, 60, 8, 65, 66, 68]. Les fluides supercritiques sont des solvants puissants avec

des proprits uniques. Ils ont un potentiel important dapplication dans un grand nombre de

procds dextraction [62].

Les avantages les plus importants de lextraction au CO2 supercritique par rapport

lextraction conventionnelle sont les suivants :

(1) Les proprits dj mentionnes des fluides supercritiques : sa diffusivit leve,

sa viscosit faible [38, 49, 56], et sa tension de surface faible [38, 56],

(2) Cest un procd flexible dans lequel il est possible de contrler le pouvoir solvant

et donc la slectivit du fluide supercritique en modifiant les conditions de temprature

et de pression.

(3) Lextraction supercritique est gnralement plus rapide.


- 29 -

(4) La temprature critique est relativement basse (31 C) [49, 56, 60], ce qui permet

d'viter la thermodestruction ventuelle des composs, de minimiser les risques

dhydrolyse et disomrisation des produits [38].

(5) Cette mthode permet dliminer des manipulations postrieures coteuses de

purification de lextrait par limination des solvants car il suffit tout simplement de

baisser la pression pour liminer le solvant. On vite aussi lutilisation deau [38] ou

de solvants organiques polluants. Cest donc un procd non-toxique.

(6) Le CO2 est facilement disponible. Il est produit en grande quantit comme sous-

produit de la fermentation, combustion, la synthse dammoniac etc. Il est mis dans

latmosphre sil nest pas utilis comme fluide supercritique [1, 49]. Ces procds

nont donc pas dimpact ngatif supplmentaire en tant que gaz effet de serre.[1].

Les inconvnients majeurs de lextraction supercritique concernent surtout laspect

conomique, car ces procds sont considrs comme plus coteux en investissement que les

procds dextraction traditionnels [56]. Cette technologie exige une consommation dnergie

non-ngligeable pour tablir les pressions et les tempratures pendant les diffrentes tapes

dextraction (extraction, sparation et recyclage du solvant).

I.7.2.3.Mise en uvre de lextraction supercritique

Dans la plupart des cas la matire premire se prsente sous forme solide. Cependant,

dans certains cas, comme par exemple un procd de dsolvantisation dhuile essentielle

obtenue grce un procd dextraction traditionnel, la matire traiter est sous forme

liquide. Suivant ltat de la matire traiter, le procd sera diffrent [64], comme nous allons

le voir maintenant.

I.7.2.3.1. Traitement de matrices solides

Lextraction supercritique partir de matrices solides peut tre mene en mode batch

ou en mode semi-batch.

En mode batch, la matire premire est dispose dans lextracteur et le solvant

supercritique est introduit jusqu ce que les conditions opratoires souhaites soient atteintes.

Le contact entre la matrice et le solvant est maintenu pendant un temps relativement long

(plusieurs heures) afin datteindre la composition lquilibre. Dans ce type de

fonctionnement, il faut viter les variations locales de temprature et de pression.


- 30 -

Cette approche est similaire la mthode analytique qui sert gnralement mesurer

la solubilit dun solut dans un fluide supercritique, mais elle peut tre limite par laffinit

ventuelle du solut avec la matrice solide. La force motrice du procd est plutt gale la

concentration lquilibre des soluts entre la phase solide et le fluide, qu la solubilit du

compos pur dans la phase fluide. De plus, plusieurs soluts peuvent tre extraits

simultanment, il faut donc faire lhypothse que les soluts ninfluent pas lun sur lautre.

Enfin, si on ne peut pas extraire toute la quantit du solut, lchantillon de la phase fluide ne

nous fournit pas dinformation sur le contenu total de ce compos dans la matrice.

Le procd en mode semi-batch est le plus largement utilis. La matire premire est

dans ce cas place dans lextracteur sous forme dun lit fixe de particules. Le solvant

supercritique est introduit en continu par une pompe haute pression et le dbit est maintenu

constant. Un ou plusieurs tages de sparation peuvent tre utiliss dans ce schma afin de

sparer les soluts de la solution supercritique. Ces systmes utilisent des extracteurs de

volume allant de 10 200 cm3 lchelle laboratoire et jusqu 5 L environ l chelle

pilote[64]. Dans ces systmes, le solvant est en gnral recycl. Dans ce cas, la pression et la

temprature dans le dernier sparateur doivent tre maintenues des valeurs telles que le

solvant gazeux qui en est issu puisse tre liqufi dans le condenseur.

Plusieurs procdures de sparation solut-solvant ont t mises en uvre, en

commenant par le cas le plus simple, la sparation en une tape. La sparation en plusieurs

tapes peut tre conduite lorsque la masse volumique du solvant ltape dextraction est

leve. Il est aussi possible de sparer une partie des soluts en modifiant la temprature

plutt que la pression. Le choix des conditions opratoires appropries pour les tapes de

sparation peut conditionner la russite du procd de rcupration.

Le principe du procd dextraction en mode semi-batch suivie de la sparation

solut(s)-solvant par dtentes multi-tage avec recyclage du CO2 est schmatis sur la figure

I.10.


- 31 -

extracteur S1 CO2S3

condensationrchauffage

S2extracteur S1 CO2S3

condensationrchauffage

S2

Figure I.10 Reprsentation schmatique dun procd semi-batch dextraction

supercritique avec dtente multi-tage et recyclage du solvant

Mme si la sparation fractionne a t utilise principalement lchelle laboratoire,

ce mode de sparation des soluts pourrait mis en uvre lchelle industrielle.

I.7.2.3.2.Mlanges liquides

Dans le cas des mlanges liquides, le fractionnement peut seffectuer en mode semi-

batch ou en continu. Le mode semi-batch peut tre mis en uvre en adsorbant le matriel sur

un support qui retient slectivement les divers composs de la matrice liquide. Les dispositifs

dextraction semi-batch utiliss pour lextraction partir de matrices solides, peuvent alors

tre utiliss pour raliser une dsorption fractionne du liquide.

Lautre possibilit consiste raliser un fractionnement en mode continu en utilisant

une colonne de sparation contre-courant fonctionnant haute pression. Dans ce type de

procds, le mlange liquide est introduit en tte de colonne et le solvant supercritique est

introduit en pied, de manire circuler contre-courant. Deux fractions liquides sont

collectes : la fraction lgre au sommet de la colonne et la fraction lourde en pied. Les

paramtres du procd choisir sont : la pression, la temprature ou le profil de la

temprature (pour ventuellement crer un reflux interne), le type de garnissage de la colonne,

le rapport hauteur/diamtre, le taux de reflux [64]. Dans ce type de procd, le solvant peut

tre recycl aprs rcupration du solut par dcompression.


- 32 -

I.7.2.4 Aspects nergtiques du procd dextraction semi-batch

Le comportement de lenthalpie et de lentropie des fluides supercritiques peut tre

prsent sur lexemple de lextraction au CO2 supercritique avec recyclage issu de la

rfrence [49]. Le processus est schmatis sur la figure I.11. Afin de bien illustrer la

situation, on suppose que les proprits du fluide restent gales celles du CO2 pur dans tout

le procd.

Figure I.11. Diagramme schmatique du processus dextraction supercritique [49]

Le point A correspond au moment o le CO2 se trouve dans le condenseur une

temprature gale -3 C et une pression gale 40 bar. Ensuite, il est comprim jusqu 200

bar au point B, rchauff jusqu 47 C et introduit dans lextracteur (point C) o le processus

dextraction a lieu. Aprs extraction, le CO2 est dtendu jusqu 40 bar dans le sparateur

(point D) tout en tant chauff pour rester ltat gazeux (la temprature reste ainsi gale 47

C). Le CO2 est ensuite refroidi puis renvoy au point A pour tre recycl.

La compression dun liquide pouvant tre considre comme adiabatique et rversible,

lentropie du CO2 entre le point A et le point B reste pratiquement constante et gale 136

J.mol-1K-1. La temprature du CO2 augmente de 10 C, an raison du travail de compression

qui a t fourni. Au point A, -3 C et 40 bar, lenthalpie est gale 21,7 kJ.mol-1 tandis qu

7 C et 200 bar, elle est lgrement suprieure et gale 22,4 kJ.mol-1. La diffrence de 0,7

kJ.mol-1 correspond au travail ncessaire pour comprimer le CO2 liquide de 40 200 bar. Au


- 33 -

point B le CO2 le CO2 doit tre vaporis pour devenir supercritique. Cette opration requiert

3,8 kJ.mol-1 lchangeur de chaleur. Aprs lextraction, le CO2 est dtendu et chauff, ce qui

ncessite 8,6 kJ.mol-1. Cest cette tape qui ncessite lapport nergtique sous forme

dnergie thermique le plus important, du fait du changement important des proprits du

fluide, qui va passer de ltat liquide ltat vapeur entre les points C et D. Afin de condenser

nouveau le CO2 jusqu 40 bar, lenthalpie doit tre rduite jusqu sa valeur au point A.

Entre ces tapes, 13,1 kJ.mol-1 doivent donc tre retires au fluide dans lchangeur entre le

point D et A. La quantit totale dnergie retire au niveau de cet changeur doit tre gale

lnergie totale fournie au systme pour la compression et le rchauffement entre les points A

et D [49].

I.7.2.5. Choix des conditions opratoires pour lextraction

Le choix des conditions opratoires pour lextraction de matrices solides dpend du

compos ou du groupe de composs soumis lextraction. Il est ncessaire de toujours tenir

compte de la masse molaire et de la polarit du constituant extraire. Cependant, quelques

rgles gnrales peuvent tre appliques [60] :

Si lon extrait des composs thermolabiles, la temprature doit tre maintenue dans

la gamme de 35 60 C, c..d. suprieure la pression critique du CO2 et la plus basse

possible afin dviter la thermodestruction. Pour une pression fixe, nous avons vu plus haut

que linfluence de la temprature sur la solubilit des composs dans un fluide supercritique

tait relativement complexe et difficile prdire priori. Aussi, le paramtre le plus significatif pour le procd est la pression. Elle peut tre

utilise pour ajuster la slectivit de lextraction supercritique. La rgle gnrale est la

suivante : une pression leve conduit une capacit solvant plus leve mais, en mme

temps, la slectivit diminue. Souvent, la capacit solvant aux conditions opratoires donnes

est dcrite en fonction de la masse volumique du CO2, qui dpend de la temprature et de la

pression.

Les autres paramtres importants de lextraction supercritique sont le dbit de CO2,

la taille des particules, la dure dextraction, et ventuellement le pr-traitement de la matire

premire. Le choix appropri de ces paramtres permet deffectuer lextraction complte dun

compos en un temps le plus court possible. Ces paramtres sont relis la thermodynamique

(la solubilit) et au transfert de matire. Le choix des conditions opratoires est totalement

dpendant du mcanisme qui contrle lextraction : le plus lent parmi eux dtermine la vitesse

totale du processus. Le dbit de CO2 est un paramtre significatif si le processus est contrl


- 34 -

par la rsistance au transfert de matire externe ou par la solubilit du solut dans le solvant.

Dans ce cas, la vitesse dextraction est dtermine par la quantit de CO2 introduite dans

lextracteur. La taille des particules joue un rle dterminant si le procd est contrl par la

rsistance au transfert de matire interne. Une petite taille de particules diminue la dure de la

diffusion du solvant au sein des particules. Cependant, si les particules sont trop petites, des

problmes de passages prfrentiels (canalisations) du solvant peuvent apparaitre. Dans ce

cas, une partie du solvant peut circuler par des canaux forms dans le lit dextraction sans

entrer en contact avec les soluts. La dure dextraction est gnralement relie au dbit de

CO2 et la taille des particules et doit tre minimise afin dobtenir le rendement maximal

dextraction.

I.7.2.6. Solubilit dans le CO2 supercritique

La connaissance de la solubilit du compos cible dans le solvant ainsi que celle des

composs non-dsirs dont la co-extraction doit tre vite est une information fondamentale

dans le domaine de lextraction supercritique. Cette information est autant plus utile quand il

sagit de lextraction de flaveurs ou de fragrances [64].

Les matrices vgtales contiennent beaucoup de composs lipophiles qui sont

facilement extractibles avec du CO2 supercritique. La connaissance de la solubilit de ces

composs va donc permettre de slectionner la pression et la temprature dextraction. Elle

donne aussi certaines informations sur les conditions de sparation, en particulier dans le cas

o une sparation en plusieurs tapes est envisage.

Les donns de solubilit doivent gnralement tre obtenues exprimentalement car il

est souvent difficile de les obtenir par des calculs prdictifs. Les donnes de solubilit sont

obtenues par diverses mthodes exprimentales, les plus largement utilises tant les

mthodes statistique-analytique, statistique-synthtique et dynamique. Dans le cas des

mthodes statistiques, le compos est plac dans un volume ferm et les conditions

dquilibre sont obtenues en attendant un temps assez long. Dans le cas de la mthode

dynamique le solvant supercritique passe au travers du solut. Le temps de contact tabli dans

le systme est suffisamment long pour que les conditions proches de lquilibre soient

obtenues. La diffrence principale entre la mthode analytique et la mthode synthtique est

que pour cette dernire, lquilibre, des petits chantillons des deux phases sont retirs et la

quantit rcupre dans la phase condense est mesure en pesant les flacons des chantillons.

Dans le cadre de la mthode synthtique, on ne prlve pas dchantillons et la dtection de la


- 35 -

transition des phases est obtenue par observation visuelle du phnomne lintrieur de la

cellule dquilibre.

I.7.2.7. Utilisation de co-solvants

Comme cela a t dit plus haut, la polarit du CO2 est intermdiaire entre celle dun

solvant non-polaire comme lhexane et dun solvant faiblement polaire [26, 59, 65, 69, 70].

Le CO2 est alors trs bon solvant pour des molcules apolaires mais un mauvais solvant bon

pour des molcules polaires. Cependant, la polarit du solvant peut tre augmente en

ajoutant des co-solvants polaires au CO2 [49]. Le rsultat est une amlioration de laffinit et

du pouvoir solvant par rapport aux molcules polaires. Les co-solvants gnralement utiliss

sont le mthanol [49, 66], lthanol [53, 68], leau ou des huiles vgtales [68]. Ces trois

derniers sont non-toxiques et donc plus intressants. Des tests avec de lacide caprylique et de

lester mthylique de lacide caprylique pour lextraction dantioxydants partir de l'herbe

aux bisons (Hierochlo odorata) ont montr quils sont moins efficaces que lthanol, et que,

par ailleurs, leur limination de lextrait est difficile [53]. Par contre, les hydrocarbures

aliphatiques diminuent la polarit du solvant CO2 [49].

Au-del de la polarit, les co-solvants peuvent permettre de modifier dautres

caractristiques des solvants. Par exemple, dans le cas du CO2, le tolune peut lui tre ajout

pour lui transmettre de laromaticit [49], le (R)-butan-2-ol pour ajouter de la chiralit [49] et

le phosphate de tributyle, pour augmenter la solvatation des complexes mtalliques [49].

I.7.2.8. Applications industrielles

Une large gamme de rsultats exprimentaux de lextraction grce aux fluides

supercritiques est disponible aujourdhui. Lextraction partir de matire vgtale naturelle

est lapplication la plus rpandue. Le plus souvent, les vgtaux sont traits afin datteindre

deux objectifs : produire des extraits naturels sans usage de solvants organiques, ou bien

laver la matire premire et liminer des composs non-dsirs, afin de faciliter ensuite

lextraction conventionnelle [1, 26, 8, 71.].

La plupart des tudes portant sur lextraction supercritique a t ralise sur des

installations lchelle laboratoire [1, 2, 26, 32, 38, 52, 53, 56, 8, 70, 72-75] ou lchelle

pilote [31, 69, 76-78]. Malgr labondance des produits quil est possible dobtenir grce

cette technique, seule une petite partie est aujourdhui produite lchelle industrielle :

extraction dpices (Inde, Allemagne), dcafination du caf et du th (Allemagne, Etats-

Unis, Italie), extraction du houblon pour la brasserie (Europe) (figure I.12.), uf liquide


- 36 -

dgraiss (Chine), nettoyage du riz pour limination de pesticides (Taiwan), limination de

lacide trichloractique (TCA) des bouchons de lige (Espagne) [71].

Pourtant, dautres applications industrielles paraissent galement intressantes, en

particulier pour lextraction/isolement des huiles essentielles, lextraction dhuiles vgtales,

lextraction des alicaments et mdicaments etc. [56, 60]

Figure I.12. Application industrielle pour lextraction supercritique du houblon (Pologne)

Source M. Perrut SEPAREX

I.7.2.9. Extraction supercritique dacide rosmarinique

Des composs antioxydants ont t extraits partir des plantes, comme par exemple,

la coriandre (Coriandrum sativum) [2], lherbe aux bisons (Hierochloe odorata) [53], l'origan

(Origanum vulgare), [77] etc

Dans les schmas dextraction supercritique de la mlisse [1] et des autres plantes de

la mme famille (par exemple le romarin [26, 72]), la substance qui prsente lactivit

antioxydante, notamment lacide rosmarinique, reste dans le rsidu supercritique. Certains

antioxydants moins actifs passent dans les extraits supercritiques ([32, 63, 73]), comme par

exemple lacide carnosique dans le cas du romarin, ou le squalne et l-tocopherol (vitamine

E) dans le cas de la mlisse.


- 37 -

Il y a peu dinformation sur lextraction supercritique de la mlisse et aucune tude

approfondie systmatique sur loptimisation des conditions opratoires et sur le couplage avec

dautres techniques sparatives.

I.7.2.10. Modlisation mathmatique

La modlisation mathmatique est une approche rationnelle ouvrant la possibilit

danalyser les rsultats exprimentaux et, si elle est russit, dobtenir par simulation des

indications pour des systmes diffrents des systmes exprimentaux. La modlisation est

galement utile en cas de passage de lchelle laboratoire une chelle plus grande (pilote ou

industrielle). Tout cela rend la modlisation mathmatique intressante, ce qui, dans le cas de

lextraction supercritique se reflte aux travers des nombreuses tentatives prsentes dans la

littrature [39, 60, 67, 76, 79-83 89, 90].

Lorsquon applique un modle mathmatique un procd dextraction supercritique

partir de vgtaux, il faut tenir compte de certains aspects gnraux :

a) Laspect botanique et/ou les structures macroscopiques de la matire vgtale

(peuvent tre visualises par microscopie optique ou par microscopie lectronique balayage

MEB (SEM, abrviation anglaise pour Scanning Electron Microscopy)).

b) Lemplacement du solut extraire. La substance extractible peut tre libre la

surface du solide ou ferme dans la structure de la matrice vgtale. En gnral, si le solut est

libre, le processus est contrl soit par la solubilit du solut dans le solvant soit par la

rsistance au transfert de matire externe. Dautre part, si le solut est ferm dans la structure,

cest la rsistance au transfert de matire interne qui limite le processus dextraction.

c) Les interactions des soluts avec la matrice vgtale. Selon ces interactions, divers

quilibres peuvent avoir lieu. Sil ny a pas dinteraction entre le solide et le solut, un

quilibre bas sur la solubilit aurait lieu. En cas dadsorption du solut lextrieur ou/et a

lintrieur du solide, lquilibre de partition entre la phase fluide et solide doit tre pris en

compte.

d) Les cellules casses ou intactes. Dans le cas des cellules casses, une quantit de

solut peut tre plus facilement disponible au solvant cause de la destruction des parois des

cellules pendant le prtraitement de la matire premire. Dans ce cas une partie considrable

du solut se trouve la surface des particules. Dans le cas de cellules intactes, le solut est

enferm dans les cellules et son contact avec le solvant est beaucoup plus difficile.


- 38 -

e) La forme des particules. Les particules peuvent tre sphriques, plates, cylindriques

etc. en fonction de la forme de la matire vgtale (par exemple, grain, feuilles, tiges etc.). La

forme peut influencer la diffusion du solvant supercritique.

Pour modliser les mcanismes dextraction, dautres considrations sont ncessaires.

Lextraction peut tre contrle par lquilibre si le solut est largement disponible et

est distribu sur ou proche de la surface. Le type dquilibre dpend de linteraction (si elle

existe) avec le solide.

La rsistance au transfert de matire peut tre, en gnral, de deux types : externe ou

interne. Afin de prendre en compte la rsistance au transfert de masse, lintgration du bilan

diffrentiel du transfert de masse doit tre appliqu [60].-

En gnral, trois approches diffrentes sont appliques la modlisation de

lextraction supercritique : (1) empirique ; (2) base sur lanalogie avec le transfert de matire

et de la chaleur ; (3) intgration du bilan diffrentiel de transfert de masse [60, 89].

Lanalyse le plus complte est obtenue par lintgration du bilan diffrentiel du

transfert de masse. Dans ce cas des profils de concentration sont obtenus pour la phase fluide

et solide en fonction du temps. La courbe dextraction est calcule partir de la concentration

dans la phase fluide la sortie de lextracteur.

Certains modles mathmatiques utiliss dans ce travail seront dcrits plus en dtails

dans la partie de ce mmoire de thse relative aux rsultats (III.4).

I.7.2.11. Conclusion

En ce qui concerne lutilisation de lextraction au CO2 supercritique, trois

applications majeures peuvent tre distingues : lextraction dhuiles vgtales, lextraction de

composs haute valeur ajoute et daromes pour les besoins de lindustrie alimentaire,

cosmtique et pharmaceutique et llimination de composs non-dsirs de la matrice vgtale

en vue dune extraction conventionnelle.

Lextraction supercritique est donc une mthode dextraction et purification puissante,

que nous allons mettre en uvre dans lobjectif dobtenir de lacide rosmarinique partir de

la mlisse.

Dans un objectif de comprhension des mcanismes mis en jeu, et en vue dun

ventuel changement dchelle, nous allons utiliser diffrents modles mathmatiques et

slectionner celui qui dcrit le mieux notre systme. Le choix dun modle mathmatique

appropri nous permettra de simuler le comportement de lextraction pour diffrentes

conditions opratoires et identifier les paramtres caractrisant le processus de transfert de


- 39 -

matire partir de donnes exprimentales. Les rsultats et linformation reue vont faciliter

le choix de modles pour des systmes extractifs similaires et seront utiles au transfert du

procd de lchelle laboratoire lchelle industrielle.

I.8. Nanofiltration Le domaine des oprations de sparation par membranes est interdisciplinaire. Il

comprend la science et le gnie des matriaux, la synthse chimique et la caractrisation de

matriaux membranaires, la fabrication et la modification des membranes, le gnie des

procds, l'intgration des procds membranaires dans les procds industriels, ainsi que les

aspects conomique, cologique, et de scurit etc.

En gnral, la slectivit des membranes est base sur la taille des pores et il est

vident que les pores plus petits retiendront les particules plus petites. Il existe plusieurs

procds pour les sparations au niveau molculaire. Parmi eux nous allons regarder plus en

dtails la nanofiltration, qui va tre mise en uvre dans ce travail dans un objectif de

concentration des extraits.

Une nanomembrane spare des substances en fonction de leur masse molculaire lie

la taille de la molcule. Une telle membrane laisse passer le solvant et les substances ayant

une masse molculaire plus faible que celle du compos-cible en retenant ce dernier et des

substances de masse molculaire plus leve. La force motrice est la diffrence de pression

des deux cots de la membrane.

Le terme nanofiltration a t utilis pour la premire fois en 1984 pendant le Filmtech

meeting. A cette poque il na pas t encore bien dfini. En 1996, la nomenclature UICPA

(IUPAC) a distingu ce processus en fonction de la taille du solut retenu. La nanofiltration

est dfinie comme un procd membranaire retenant des soluts de taille infrieure 2 nm.

Ainsi est-elle situe entre le procd dosmose inverse (o ce nest que le solvant qui passe

travers la membrane) et le procd dultrafiltration (o les soluts entre 2 nm et 0,1 m sont

retenus) [84]. Dans le cas de la nanofiltration, le transfert de matire travers la membrane est

une combinaison de deux mcanismes la diffusion (loi de Fick) due la diffrence de

concentration et le tamisage poreux (pore sieve separation) (loi de Poiseuille) [85].

La filtration par nanomembranes reprsente donc une mthode de sparation de

composs en solution en fonction de leur masse molculaire [85]. Ce procd trouve

aujourdhui des applications pharmaceutiques et biologiques o beaucoup de composs sont

spars par cette technique. [86].


- 40 -

I.9. Schmas de couplage de diverses techniques dextraction, de

prtraitement et de sparation Divers schmas de couplage de techniques dextraction, prtraitement et sparation

sont rapports dans la littrature.

Afin dobtenir des produits riches en antioxydants, lextraction supercritique a t

utilise pour nettoyer des extraits conventionnels du romarin en les concentrant ainsi en

acide rosmarinique [26] ou en autres antioxydants [31]. Dans ces tudes deux solvants

supercritiques ont t utiliss le CO2 et lther de dimthyle. Dans le cas du dioxyde de

carbone, le produit concentr en antioxydants a t le rsidu supercritique [26, 31], tandis que

dans le cas de lther de dimthyle, lextrait supercritique est le produit riche en compos

cible [26]. Ribeiro et al. (2001) [1] ont utilis le rsidu de lextraction supercritique partir de

la mlisse comme matire premire de lextraction conventionnelle avec de leau bouillante.

Le produit final de ce schma est plus riche en antioxydants. Un schma similaire est rapport

Hodulin et al [26].

Marongiu et al. (2004) [8] ont effectu une double extraction avec du CO2 supercritique. Ils ont travaill dabord basse pression, puis ont ralis un traitement haute

pression. Pendant la premire tape ils ont extrait lhuile essentielle. Lextrait haute pression

est enrichi en composs de masse molculaire leve.

Afin disoler des antioxydants partir de lherbe aux bisons (Hierochlo odorata),

Grigonis et al. [53] utilisent trois techniques une ou deux tapes selon les schmas prsents

sur la figure I. 13


- 41 -

Figure I.13. Schmas dutilisation des diverses techniques dextraction [53] :

extraction Soxhlet, extraction assiste par microondes (MAE) et extraction au CO2

supercritique (SFE)

Selon cette tude, en travaillant en une tape il ny a pas de diffrence remarquable

entre les rsultats obtenus par les trois techniques. De plus, aucune des mthodes ne donne

des rsultats satisfaisants et on doit appliquer les schmas deux tapes. Le Soxhlet donne les

meilleurs rsultats, mais selon les auteurs, cette technique nest pas toujours acceptable

lchelle industrielle du fait de la dure leve de lextraction, de la consommation leve de

solvants dangereux etc. Lalternative propose est lextraction supercritique avec le deuxime

meilleur rsultat. Lextraction assiste par microondes est plus rapide, mais elle ncessite du

temps supplmentaire pour refroidir lextrait, ce qui aboutit une dure totale du procd plus

leve.

En dveloppant une mthode automatise rapide pour lidentification des antioxydants

dans le romarin, Tena et Valcarcel (1997) [55] ont appliqu lextraction supercritique ou

lextraction assiste par sonication la matire premire prtraite par broyage ordinaire et

tamisage, et par broyage en prsence dazote liquide. On constate que 1) les rsultats obtenus

par le broyage conventionnel sont meilleurs 2) les rsultats de lextraction supercritique sont

meilleurs par rapport ceux obtenus par sonication.

Un couplage de lextraction en mode batch et de pr-concentration avec membrane

liquide est rapport Boyadzhiev et Dimitrova [15] qui ont mis en uvre ce couplage pour

traiter des extraits aqueux dacide rosmarinique obtenus partir de mlisse. Les rsultats sont


- 42 -

prometteurs, mais le procd est relativement compliqu, exigeant en particulier un bon

contrle et ajustement du pH.

Une combinaison intressante est le couplage de lextraction par CO2 supercritique

avec la nanofiltration [87]. Lide est dutiliser la pression dans des sparateurs comme force

motrice pour la nanofiltration.

Wang et Waller (2006) [81] proposent des systmes innovants tels que des extracteurs

intgrant, par exemple, la haute pression ou lnergie des microondes avec lextracteur

Soxhlet, ce qui amnerait des nouveaux modles de Soxhlet haute pression ou assists par

microondes. Le CO2 supercritique pourrait aussi tre intgr dans un appareil avec le Soxhlet.

Lutilisation dultrasons combine avec lextraction supercritique pourrait augmenter le

transfert de matire, etc.

I.10. Conclusion Nous avons effectu cette tude bibliographique afin dvaluer ltat de lart ainsi que

les tendances concernant les domaines couverts par notre tude : les antioxydants dorigine

naturelle, les sources, les techniques dextraction et de sparation et leur couplage.

On constate que, souvent, les antioxydants synthtiques sont considrs comme

toxiques, ce qui impose lorienta

Documents

Étude des procédés d’extraction et de purification de produits bioactifs.pdf