Mise au point de nouvelles membranes de pervaporation pour extraire sélectivement le bioéthanol d’un réacteur de fermentation : étude du procédé

Synthesis of new pervaporation membranes for selective extraction of ethanol from a fermentation reactor

• Auteur / Autrice : Fella Boubekr
• Direction : Pierre Schaetzel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Bioéthanol

Fermentation alcoolique

Pervaporation

Résumé

Le but de ce travail est de synthétiser de nouvelles membranes de pervaporation pour l’extraction de l’éthanol d’un bioréacteur et d’analyser de nouveaux procédés couplés pour produire de l’éthanol anhydre. Le polymère utilisé en général à cet effet est le PDMS qui est très hydrophobique. Nous avons mesuré les propriétés à l’équilibre et en diffusion pour des membranes en PDMS avec des solutions d’eau et d’éthanol pur ainsi qu’avec un mélange de ces deux solvants. Les quantités d’eau et d’éthanol sorbées dans le polymère sont indépendantes, ce qui signifie que le gonflement partiel du matériau est le même pour le solvant pur et en présence de l’autre solvant. La diffusion est mesurée par pervaporation des deux solvants purs ou mélangés à pression nulle et à pression variable. On observe que comme pour le comportement à l’équilibre, la diffusion des deux composants est indépendante l’une de l’autre. Un premier résultat intéressant est obtenu : le facteur d’enrichissement est indépendant de la concentration de la charge et il croit de 7,5 à 14 lorsque la pression aval croit de 0 à 100 mbar. De nouvelles matrices hybrides ont été synthétisées en mélangeant des nanoparticules de Silicalites ZSM-5, de zéolite β et de type HOG au PDMS. La membrane ayant les meilleures performances en pervaporation est la membrane mixte silicalite-PDMS à 40 % en masse de silicalite. Cette membrane présente un facteur d’enrichissement de 20 avec une augmentation du flux en éthanol de 20 % et une décroissance du flux d’eau de 30 % par rapport à une membrane en PDMS homogène. Nous avons finalement défini et calculé un nouveau procédé couplant des modules de pervaporation équipés des membranes optimisées et des modules de déshydratation de l’éthanol permettant de produire, à partir d’un réacteur de fermentation, de l’éthanol anhydre avec une consommation énergétique de 1,88 MJ/l (sans récupération de l’enthalpie de condensation) à 0,66 MJ/l (avec condensation de l’enthalpie de condensation).

The goal of this work is to synthesize new pervaporation membranes for the extraction of ethanol from a fermentation broth by pervaporation and to analyze new coupled processes for the production of anhydrous ethanol. The polymer used in general for this purpose is PDMS which has excellent hydrophobic performances. We have measured the equilibrium and diffusion properties of PDMS membranes with pure and mixed water and ethanol solutions. The amounts of water and ethanol sorbed in this polymeric material are independent which means that water or ethanol volume fraction in the polymer at equilibrium are the same in presence or in absence of the second solvent. The behavior in diffusion measured by pervaporation experiments at different downstream pressures with pure and mixed solvents solutions is similar to that one observed that sorption experiments. This means that the diffusion of a given component is independent of the diffusion of the other one. A first interesting result was obtained: the enrichment factor is independent of the concentration of the feed and increases from about 7. 5 to 14 when the downstream pressure increases from 0 to 100 mbar. New mixed matrix membranes were then synthetized, using silicalites ZSM-5, zeolites β and HOG nanoparticles as filler of the PDMS. The best results for ethanol extraction by pervaporation were obtained with PDMS mixed with silicalites at 40 % w/w. The enrichment factor increases to 20 with 20 % increase of the ethanol flux and a decrease of 30 % of the water flux compared to the performances of a pure PDMS membrane. We have finally defined and computed a new coupled PV/VP process with these optimized mixed matrix PV membranes for the dehydration of ethanol produced by a bioreactor leading to an energy consumption of 1. 88 MJ/l (without condensation enthalpy recuperation) or 0. 66 MJ/l (with condensation enthalpy recuperation).