Eco-Extraction de produits naturels : procédés innovants et solvants alternatifs pour l'extraction des caroténoïdes des microalgues

Eco Extraction of Natural Products : Innovative processes and alternative solvents

• Auteur / Autrice : Sara Madji
• Direction : Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Farid Chemat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 30/03/2022
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sécurité et Qualité des Produits d'Origine Végétale (Avignon ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Piccerelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickaël Laguerre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Pioch, Giancarlo Cravotto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hexane

Solvants éco-compatibles

Dunaliella salina

Caroténoïdes

Chimie verte

Extraction (chimie)

Mots clés libres

Eco-extraction

Caroténoïdes

2-méthyloxolane

Dunaliella salina

Solvants verts

P-menthane

Eco-extraction

Carotenoids

2-methyloxolane

Dunaliella salina

Green solvents

P-menthane

Résumé

Depuis quelques années, la recherche et le développement dans le domaine de l’extraction du végétal s’est largement intensifiée, avec à la fois un intérêt croissant des consommateurs pour les ingrédients naturels, et les préoccupations environnementales. Ces préoccupations font partie des principales problématiques de l’industrie. Il est devenu dès lors indispensable de remplacer les procédés actuels utilisant des solvants pétrochimiques nocifs par de nouveaux procédés d’extraction réduisant la toxicité des solvants et la quantité de déchets tout en s’assurant de la qualité de l’extrait obtenu. Ce manuscrit présentera tout d’abord l’état de l’art sur les microalgues et les techniques d’extraction existantes pour l’extraction des caroténoïdes avec une attention particulière sur l’espèce Dunaliella salina, l’algue faisant l’objet de notre travail. Dans un second temps, l’évaluation du potentiel de deux solvants biosourcés (p-menthane et 2-métyloxolane) comme alternatives vertes pour substituer l’hexane dans l’extraction des caroténoïdes a été réalisée grâce à l’outil d’aide à la décision COSMO-RS. La prédiction théorique du pouvoir de solubilisation des deux solvants biosourcés par COSMO a été complétée et confirmée par des essais expérimentaux en utilisant les techniques d’extraction solide/liquide (Soxhlet et reflux). Les résultats ont montrés que le p-menthane présente des performances similaires à celles du n-hexane pour l'extraction des caroténoïdes des carottes et de la Dunaliella salina. Ainsi, le p-menthane pourrait offrir une solution de rechange verte pour remplacer l’hexane. Cependant, il est difficile à éliminer des extraits à cause de sa température d’ébullition élevée qui est de 170 °C et son enthalpie de vaporisation de 45,9 ce qui le rend impossible à l’industrialisation. En ce qui concerne le 2-methyloxolane (2-MeOx), la comparaison qualitative et quantitative des extraits a montré des profils similaires entre le 2-MeOx et le n-hexane, avec des rendements et des taux de recouvrement plus élevés lors de l'utilisation du 2-MeOx. Cependant, la pureté obtenue en utilisant le 2-MeOx était légèrement inférieure à l’hexane, en raison de la solubilisation plus élevée du 2-MeOx par rapport à l'hexane. A l’issue de ces travaux, il a été montré que le 2-méthyloxolane offre une alternative plus verte à l'hexane et qu’il est transposable à l’échelle industrielle.

In recent years, research and development in the field of plant extraction has greatly intensified, with both growing consumer interest in natural ingredients and environmental concerns. These concerns are among the main problems of the industry. It has become essential to replace current processes using harmful petrochemical solvents with new extraction processes that reduce the toxicity of solvents and the amount of waste while ensuring the quality of the obtained extract. This manuscript will first present the state of the art on microalgae and the existing extraction techniques for carotenoids extraction with a particular attention to the species Dunaliella Salina, the algae studied in this work. Later on, the potential of two biobased solvents (p-menthane and 2-methyloxolane) as green alternatives to replace hexane in the extraction of carotenoids was evaluated using the COSMO-RS decision support tool. The theoretical prediction of the solubilization power of the two biobased solvents by COSMO was complemented and confirmed by experimental tests using solid/liquid extraction techniques (Soxhlet and reflux). The results showed that p-menthane exhibits similar performance to n-hexane for the extraction of carotenoids from carrots and Dunaliella salina. Thus, p-menthane could offer a green alternative to replace hexane. However, it is difficult to remove from extracts because of its high boiling temperature of 170 °C and its enthalpy of vaporization of 45.9, which makes it impossible to industrialize. Regarding 2-methyloxolane (2-MeOx), the qualitative and quantitative comparison of the extracts showed similar profiles between 2-MeOx and n-hexane, with higher yields and recovery rates when using 2-MeOx. However, the purity obtained using 2-MeOx was slightly lower than hexane, due to the higher solubilization of 2-MeOx compared to hexane. At the end of this work, it was shown that 2-methyloxolane offers a greener alternative to hexane and it can be transposed to an industrial scale.