Extraction des macromolécules pariétales des eaux de presse de betteraves sucrières : Etude de leur composition, de leurs propriétés physico-chimiques et de leur effet sur le process sucrier

Extraction of parietal macromolecules from sugar beet press water : Study of their composition, their physico-chemical properties and their effect on the sugar process

• Auteur / Autrice : Rachida Belhamri
• Direction : Mohamed Mathlouthi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie industrielle
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Reims

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Polysaccharides

Ultrafiltration

Macromolécules

Betterave à sucre

Mots clés libres

Non sucres, saccharose, chromatographie

Résumé

Les eaux obtenues après pressage des cossettes épuisées sont recyclées sans traitement préalable dans l'extracteur de sucre par diffusion. Ce recyclage présente des avantages économiques (réduction d'énergie pour séchage des pulpes, économies d'eau) et environnementaux (moins de rejets polluants) et des inconvénients pour le process (un tiers des matières sèches recyclées est constitué d'impuretés). De plus les impuretés recyclées sont des macromolécules pariétales de la betterave probablement fragmentées par les fortes pressions appliquées au pressage des pulpes. Ces macromolécules peuvent passer la barrière de l'épuration et se retrouver dans le sirop et le sucre blanc. Nous nous proposons dans cette thèse d'isoler les macromolécules des eaux de presses par ultrafiltration, de déterminer leurs propriétés macroscopiques (tension de surface, moussage et viscosité) et leurs propriétés microscopiques (composition en monosaccharides, masse molaire, structure tridimensionnelle, degré de méthylation). Nous étudierons ensuite leur effet sur la vitesse de cristallisation et sur la qualité du sucre obtenu. L'application de la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) ionique a permis d'après la composition en sucres simples d'émettre l'hypothèse de la présence de pectines et d'hémicelluloses. La chromatographie d'exclusion stérique utilisant une multi-détection (par diffusion de lumière et indice de réfraction) nous a permis de trouver trois familles de molécules de masses moléculaires moyennes 3,6- 57 et 62 kg/mol pour les rétentats d'ultrafiltration respectivement retenus par des membranes de seuil de coupure 3,5 –10 et 45 kg/mol. L'analyse de la polarité et la spectroscopie U. V. Nous ont révélé la présence simultanée de molécules polaires (polysaccharides) et apolaires (colorants de sucrerie). La spectroscopie IRTF confirme l'existence de pectines et la RMN du 1H permet d'établir un degré de méthylation partielle entre 10 et 31%. Ces macromolécules provoquent le moussage des eaux de presse et des jus de diffusion- l'élimination de la mousse peut être obtenue par ultrafiltration ou épuration calco-carbonique. L'effet sur la cristallisation se traduit par une diminution de la vitesse de croissance d'autant plus importante que l'on passe de la fraction F1>3,5 à F2>10 et F3>45 kg/mol. De plus une élongation suivant l'axe b du cristal de saccharose est observée. Enfin, la cristallisation dans un pilote de sirops additionnés de macromolécules entraîne une diminution de qualité de sucre blanc (coloration, trouble, hygroscopicité). Pour résoudre les problèmes posés au process sucrier par les impuretés des eaux de presse, on peut envisager de les éliminer par ultrafiltration, mais le coût de l'opération serait élevé

The water obtained after pressing the exhausted cossettes is recycled without preliminary treatment in the sugar extractor. This water recycling present economic advantages (less energy for pulp drying, water economy) and environmental (less pollutant emissions) and disadvantages for the process (a third of the recycled dry matter consists in impurities). Moreover, most of the recycled impurities are composed of parietal macromolecules of beet probably extracted by the strong pressures applied of the pulp pressing. These macromolecules can pass the barrier of purification and be found in syrup and white sugar. We propose in this thesis to isolate the macromolecules from press water by ultrafiltration, to determine their macroscopic properties (surface tension, foaming and viscosity) and their microscopic properties (composition, molecular mass, three-dimensional structure, degree of methylation). We also have studied their effects on crystallization kinetics and on the sugar quality obtained. The application of ionic high performance liquid chromatography (HPLC) allowed from monomers composition to hypothesise the presence of pectins and hemicelluloses. Size exclusion chromatography using a multi-detection (light scattering detector and refraction index) showed the presence of three molecular families with average molecular masses 3. 6- 57 and 62 kg/mol for the retentates retained by membranes with 3. 5 -10 and 45 kg/mol cut-offs. Polarity analysis and U. V. Spectroscopy revealed the presence of polar (polysaccharides) and non-polar molecules (colorants). FTIR Spectroscopy confirms the presence of pectins and the 1H NMR analysis permitted evaluation of methylation degree between 10 and 31%. These macromolecules cause the foaming of press water and juices. The elimination of foam can be obtained by ultrafiltration or calco-carbonic purification. The effect on crystallization provokes the decrease of the growth rate as we pass from the fraction F1> 3. 5 to F2> 10 to F3 >45 kg/mol. Moreover one elongation along the b axis of the saccharose crystal is observed. Finally, the crystallization at pilot level of a sugar syrup added with macromolecules showed a decrease in white sugar quality (colouring, turbidity, hygroscopicity). These problems can be resolved by eliminating impurities from press water by ultrafiltration, but the cost of the operation would be high