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