Méthodologie générale pour la conception d'une extraction liquide-liquide réactive : application à la séparation d'un acide carboxylique issu d'un milieu fermentaire

par Benoît Mizzi

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Michel Meyer et de Laurent E. Prat.

Soutenue le 07-11-2016

à Toulouse, INPT , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de génie chimique (Toulouse) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Gourdon.

Le jury était composé de Michel Meyer, Laurent E. Prat, Violaine Athès, Luc Marchal.

Les rapporteurs étaient Violaine Athès, Luc Marchal.

mots clés

• Extraction liquide-liquide réactive
• Diagramme liquide-liquide réactif
• Dimensionnement de procédés
• Synthèse de procédés
• Equilibres entre phases et chimiques
• Acide succinique
• Milieu fermentaire
• Procédés chimiques
• Interfaces liquide-liquide
• Méthodes d'analyse et de conception

Résumé

Le couplage fonctionnel des opérations de séparation et de réaction ainsi que les bio-procédés sont deux axes de recherche largement explorés. Cependant, l’industrie du génie des procédés a du mal à se tourner vers des technologies de ce type car il demeure un réel manque de connaissances et d’outils de conception pour ce genre de procédés. Une méthodologie de conception générale pour l'extraction liquide-liquide réactive est introduite dans cette étude. Elle est composée de trois étapes différentes: l'analyse de faisabilité, la synthèse ou dimensionnement du procédé et la validation par simulation. Cette méthodologie conduit à des paramètres structuraux et opératoires de la colonne étudiée à partir seulement des informations concernant le comportement physico-chimique du système étudié, en exploitant les équations d’équilibre chimique et entre phase ainsi que les bilans matières. Les résultats de cette méthode sont un bon point de départ pour une étude d'optimisation ou d'un processus de calcul d'investissement. Cette méthodologie a été appliquée à différentes études de cas: regroupant deux stratégies différentes d'extraction avec plusieurs solvants pour récupérer l'acide succinique dans un milieu de fermentation

mots clés

• Reactive liquid-liquid extraction
• Reactive liquid-liquid diagram
• Process design
• Process synthesis
• Physical and chemical equilibrium
• Succinic acid
• Fermentation broth

Titre traduit

General design methodology for reactive liquid-liquid extraction : application to carboxylic acid recovery in fermentation broth

Résumé

The functional coupling of separation and reaction operations and bioprocesses are two widely explored areas of research. However, process engineering industry is struggling to turn to these technologies because it remains a real lack of knowledge and design tools for this kind of processes. A general design methodology for reactive liquid-liquid extraction is introduced in this study. It is composed of three different steps: feasibility analysis, pre-design determination and simulation validation. This methodology leads to the design specifications of the units from the information concerning the physicochemical behaviour of the studied system, exploiting the equilibrium and material balance equations. The results of this methodology are a good starting point for an optimization study or for an investment calculation process. This methodology has been applied to different case studies: two different strategies of extraction and several solvents to recover succinic acid in fermentation broth.