Processes and Supercritical Fluids

Supercritical extraction

Supercritical fractionation

Particle generation, crystallization, encapsulation

Impregnation (polymeric matrices and implants, silicas, ...)

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Processes and Supercritical Fluids Team
Présentation

Supercritical fluids (SCF) or subcritical fluids have specific properties that are exploited in a number of applications at both the laboratory and industrial scales. 
Their use represents an alternative to the use of organic solvents with pollution, toxicity and/or safety problems. The "Supercritical Fluids and Processes" team develops processes using mainly supercritical carbon dioxide.

The main research topics addressed by the "Processes and Supercritical Fluids" team are

- Separation and shaping processes using SCF 
     - Supercritical extraction
     - Supercritical fractionation
     - Particle generation, crystallization, encapsulation
     - Impregnation (polymeric matrices and implants, silicas, ...)

- Hydrodynamics and dispersion phenomena in high pressure media

- Phase equilibria in high pressure media

One of the team's recent emblematic projects is the creation of the Franco-Chinese Research Center on supercritical fluid technology applied to vision science, which aims to combine the skills in the field of supercritical fluids of the French teams with the ophthalmology expertise of the HE Vision group and HE University - China, to design and optimize processes for the development of innovative ophthalmic products.

Franco-Chinese research center on supercritical fluid technology applied to vision science

Franco-Chinese research center on supercritical fluid technology applied to vision science

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Team leader

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Annuaire personnel permanent

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Doctorants, Post-Doctorants et CDD

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Equipement

- Autoclaves d'extraction, de cristallisation et d'imprégnation - de quelques mL à plusieurs litres.
- Montage expérimental de cristallisation ou d'encapsulation en milieu supercritique.
- Pilote de fractionnement supercritique
- Autoclave à fenêtre
- Cellules Haute Pression de mesures d'équilibres de phases résistant jusqu'à 700 bar. 

Dernières publications de l'équipe

  • Aymeric Fabien, Guillaume Lefebvre, Elisabeth Badens, Brice Calvignac, Damien Chaudanson, et al.. Contact angle of ethanol, water, and their mixtures on stainless steel surfaces in dense carbon dioxide. Journal of Colloid and Interface Science, 2024, 655, pp.535-545. ⟨10.1016/j.jcis.2023.10.163⟩. ⟨hal-04316090⟩ Plus de détails...
  • Vénicia Numa, Christelle Crampon, Arnaud Bellon, Adil Mouahid, Elisabeth Badens. Valorization of food side streams by supercritical fluid extraction of compounds of interest from apple pomace. Journal of Supercritical Fluids, 2023, 202, pp.106056. ⟨10.1016/j.supflu.2023.106056⟩. ⟨hal-04294235⟩ Plus de détails...
  • Mathieu Martino, Adil Mouahid, Michelle Sergent, Camille Desgrouas, Catherine Badens, et al.. Supercritical millifluidic process for siRNA encapsulation in nanoliposomes for potential Progeria treatment (ex-vivo assays). Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2023, 87, ⟨10.1016/j.jddst.2023.104804⟩. ⟨hal-04254108⟩ Plus de détails...
  • Adil Mouahid, Magalie Claeys-Bruno, Isabelle Bombarda, Sandrine Amat, Andrea Ciavarella, et al.. Valorization of handmade argan press cake by supercritical CO2 extraction. Food and Bioproducts Processing, 2023, 137, pp.168-176. ⟨10.1016/j.fbp.2022.11.011⟩. ⟨hal-04063823⟩ Plus de détails...
  • Victorine Warambourg, Adil Mouahid, Christelle Crampon, Anne Galinier, Magalie Claeys-Bruno, et al.. Supercritical CO2 sterilization under low temperature and pressure conditions. Journal of Supercritical Fluids, 2023, 203, pp.106084. ⟨10.1016/j.supflu.2023.106084⟩. ⟨hal-04233306⟩ Plus de détails...
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Rencontres scientifiques

Soutenances de thèses et HDR

24 novembre 2023 - Etude exploratoire pour l’évaluation du potentiel de technologies d’extraction vertes (ScCO2 et liquides pressurisés) pour la valorisation du marc de pomme dans le secteur cosmétique / Soutenance de thèse Venicia Numa

Doctorant : Venicia NUMA

Date : le  vendredi 24 Novembre 2023 à 09h30 à l'amphithéâtre du CEREGE.

Résumé : Cette étude explore le potentiel prometteur du marc de pomme comme source de composés pour l'industrie cosmétique. Des techniques d'extraction vertes, notamment le CO2 supercritique et les liquides pressurisés, sont utilisées pour optimiser l'ensemble du procédé de traitement/valorisation de sous-produits de l’industrie agroalimentaire, du laboratoire à l'échelle pilote. L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité de l'extraction des composés d’intérêt du marc de pomme, tels que les polyphénols, les acides gras, les alcools gras et les esters. 
Tout d'abord, la séparation des composés du marc de pomme a été effectuée par extraction avec le ScCO2, à l'échelle laboratoire, sur une gamme de pression allant de 200 à 400 bar et une gamme de température variant de 35 à 55°C, à partir d’une biomasse lyophilisée. Les conditions optimales pour une perte en masse maximale lors de l'extraction et une capacité antioxydante intéressante ont été trouvées à 300 bar et 55°C, avec un rapport CO2/biomasse à 50. La composition des extraits a montré la présence d’un mélange de cires composé d'alcanes, d’acides gras, d’alcools gras, d’acides triterpéniques ou encore d’esters. Certains des acides triterpéniques détectés ont été quantifiés (pour l'acide ursolique), bien qu'en quantités et variétés plus faibles que prévu.
Les extractions ScCO2 réalisées à échelle semi-pilote (2L) et pilote (25L) garantissent une cohérence et une reproductibilité pour les applications industrielles. De l'échelle du laboratoire à l'échelle pilote, un rapport solvant/biomasse de 50 a été maintenu. Les quantités d'extrait obtenues étaient comparables (échelle laboratoire et semi-pilote), ainsi que pour les compositions d'extrait (laboratoire et pilote). L'objectif de cette extraction à plus grande échelle était de faciliter la potentielle industrialisation du procédé chez Symrise, fournissant une base pour les futurs travaux en vue d’une valorisation. 
Enfin, l'étude souligne l'importance de la transition vers une économie circulaire pour une intégration industrielle de procédés durables à long terme. Une estimation des coûts de l’extraction ScCO2 à grande échelle suggère un coût par kg de produit inversement proportionnel aux volumes traités rendant la valorisation avec le ScCO2 économiquement viable. Cette étude réalisée sur le marc de pomme ne permet pas de conclure sur une valorisation possible des extraits en tant qu’actifs cosmétiques à ce stade. Cependant, une valorisation des cires serait envisageable chez Symrise en tant qu’ingrédients fonctionnels. Cette étude offre des perspectives intéressantes pour une valorisation durable, abordant les défis environnementaux et mettant l’accent sur la nécessité d’un futur plus vert dans l'industrie cosmétique. 

Mots-clés : valorisation des drèches de pommes, fluides supercritiques, liquides sous pression, montée en échelle, technologies vertes 

Jury

Professeure Sagrario BELTRAN (Université de Burgos) - Rapporteuse

Professeur Nabil GRIMI (UTC Compiègne)- Rapporteur et président de jury

Docteur Grégory CHATEL (Université Savoie Mont Blanc) - Examinateur

Docteur Vincent PERRUT (Ateliers Fluides Supercritiques) - Examinateur

Professeure Elisabeth BADENS (Aix-Marseille Université) - Directrice de thèse

Professeure Christelle CRAMPON (Aix-Marseille Université) - Co-Directrice de thèse

Docteur Marielle LE MAIRE (Symrise) - Invitée

29 novembre - Sur le procédé de fractionnement par CO2 supercritique en colonne garnie à contre-courant : étude fondamentale et appliquée / Soutenance de thèse Aymeric FABIEN
Doctorant Aymeric FABIEN

Date : mardi 29 novembre à 15h00 ; Grand Amphithéâtre du CEREGE / Arbois

Résumé : Le fractionnement par CO2 supercritique est un procédé visant la séparation de différents composés présents au sein d'une alimentation liquide. Le développement de cette technologie apporte des réponses aux problématiques environnementales et techniques actuelles, correspondant de fait aux grands enjeux de l'avenir. En effet, l'utilisation du CO2 supercritique permet de s'affranchir, dans les chaînes de production industrielle, de l'utilisation de solvants potentiellement nocifs pour les opérateurs, les consommateurs et pour l'environnement. Le fractionnement par CO2 supercritique peut, en outre, être conduit en continu et à faible température sur des unités compactes, et présente une sélectivité variable selon les conditions opératoires appliquées. Malgré ce potentiel intéressant pour bon nombre de secteurs industriels, à l'instar de l'agro-alimentaire ou de la pharmaceutique, ce procédé est encore peu déployé dans les lignes de production. En effet, la pression, la température et les débits d'alimentation et de solvant sont autant de paramètres à prendre en compte et à optimiser pour une application donnée. De plus, ces paramètres couvrent un domaine opératoire vaste pour lequel les propriétés physico-chimiques des espèces en présence, et donc leur influence, ne sont pas toujours connues. Partant de ce constat, l'objectif de ce travail est d'améliorer notre compréhension du procédé de fractionnement supercritique pour en faciliter son déploiement dans l'industrie. Ainsi, une étude fondamentale sur la séparation d'un mélange modèle, composé du binaire éthanol-eau, a été réalisée en faisant varier les paramètres précédemment cités, soit la pression, la température et le rapport des débits d'alimentation et de solvant. Des modélisations, suivant des hypothèses à l'équilibre et hors équilibre des phases en présence, ont également été appliquées à ces résultats expérimentaux montrant certaines limitations de ces outils notamment pour des débits de solvant élevés. Ces résultats de modélisation indiquent donc un éventuel entrainement de liquide vers la tête de colonne, qui ne perturbe pas forcément l'établissement d'un régime permanent, mais qui pourrait générer l'écart observé entre les résultats expérimentaux et de modélisation. En effet, cet entrainement de liquide vers la phase supercritique via un transfert d'énergie cinétique n'est pas pris en compte dans aucun des modèles et pourrait effectivement apparaître à des débits élevés. Par-delà ces expériences de fractionnement par CO2 supercritique, une étude approfondie des propriétés aux interfaces a également été menée. Ainsi, des mesures de tension interfaciale et d'angle de contact sur de l'acier inoxydable de ces mélanges éthanol-eau en atmosphère CO2 sous pression ont été réalisées. La tension critique de surface de l'acier inoxydable et le travail d'adhésion de ces mélanges sur ce matériau ont pu être estimés respectivement via la méthode du tracé de Zisman et grâce à l'équation de Young-Dupré. Le couplage des essais de fractionnement supercritique et des mesures des propriétés aux interfaces a permis d'initier un lien entre ces dernières et les phénomènes d'engorgement, inhérents à tout procédé conduit avec des écoulements à contre-courant. Les résultats mis en avant dans ce manuscrit permettent d'envisager, d'une part, un lien entre le travail d'adhésion, la géométrie du garnissage et les engorgements du type accumulation de liquide dans la colonne et ce à l'aide d'un nombre sans dimension ; et d'autre part, d'émettre l'hypothèse d'un lien entre la tension interfaciale, voire la viscosité du liquide, et les engorgements de type entrainement de liquide vers la tête de colonne. Le second volet de cette thèse comprend une étude appliquée à la valorisation de différents résidus de traitement d'huiles végétales. L'étendue de ces résultats ne pouvant être si vite résumée qu'il ne reste plus qu'à lire ce manuscrit. 

Jury
Directeur de these Mme Christelle CRAMPON Aix-Marseille Universtié
Rapporteur Mme Selma GUIGARD University of Alberta (Canada)
Rapporteur Mme Christine DALMAZZONE IFP Energies nouvelles
Examinateur M. Sylvain FAURE CEA
Examinateur M. Vincent PERRUT Atelier Fluides Supercritiques
Examinateur Mme Séverine CAMY ENSIACET (INP Toulouse)
CoDirecteur de these Mme Elisabeth BADENS Aix-Marseille Université