Prédiction des propriétés d'équilibre dans les milieux biologiques et alimentaires par le modèle COSMO-RS

Prediction of the equilibrium properties in food and biological systems with the COSMO-RS model

• Auteur / Autrice : Oumar Toure
• Direction : Claude-Gilles Dussap
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 10/01/2014
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : André Lebert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude-Gilles Dussap, Jean-Bernard Gros, Olivier Baudouin, Jean-Charles de Hemptinne, Andreas Klamt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jack Legrand, Xavier Joulia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydratation

Équilibre chimique

Mots clés libres

Propriétés d’équilibre

COSMO-RS

Modèle thermodynamique

Prédiction

Hydratation

Equilibrium properties

COSMO-RS

Thermodynamic model

Prediction

Hydration

Résumé

Les milieux biologiques et alimentaires sont généralement des mélanges contenant un nombre élevé de constituants (eau, solvants organiques, solides dissous, gaz dissous, espèces ioniques, macromolécules). La prédiction des propriétés d’équilibre de tels milieux requiert l’utilisation d’un modèle thermodynamique entièrement prédictif. Ce modèle doit également permettre d’assurer la cohérence entre des données expérimentales et garantir la robustesse de la représentation simultanée des équilibres physiques (liquide-vapeur, solubilité, etc.) et chimiques (dissociation, oxydo-réduction, complexation, etc.). Le potentiel chimique est une donnée indispensable pour modéliser ces équilibres. Sa connaissance dépend de la prédiction de deux variables : l’enthalpie libre de formation dans un état de référence choisi, et le coefficient d’activité qui dépend aussi de l’état de référence choisi. Le modèle COSMO-RS est un excellent modèle de prédiction des coefficients d’activité très largement utilisé dans le domaine du génie chimique où on s’intéresse essentiellement à des molécules neutres. Ce travail de thèse a permis d’étendre les performances du modèle COSMO-RS au traitement des milieux biologiques et alimentaires dans lesquels on trouve systématiquement des électrolytes en solution (en plus des molécules neutres). Un nouvel outil utilisant les récentes avancées de la mécanique quantique a été développé pour prédire les propriétés de formation à l’état gaz. En combinant des concepts de la thermodynamique, de la mécanique quantique, de l’électrostatique, et de la physique statistique, il a été démontré qu’il est possible d’utiliser le modèle COSMO-RS pour faire la transition entre l’état gaz et la phase condensée. Partant de là, ce travail démontre qu’il est maintenant possible de traiter simultanément les équilibres physiques et chimiques et donc de prédire les propriétés physico-chimiques (aW, pH, Eh) dans les milieux biologiques et alimentaires par le modèle COSMO-RS.

Food and biological systems are generally multicomponent mixtures (including water, organic solvents, dissolved solids, dissolved gases, ionic species, macromolecules). The prediction of the equilibrium properties of such environments requires the use of a fully predictive thermodynamic model. This model must be able to ensure the consistency between experimental data and to ensure the robustness of the simultaneous representation of physical equilibria (liquid-vapour, solubility, etc.) and chemical equilibria (dissociation, redox, complexation, etc.). The chemical potential is an essential property for modelling such equilibria. Its determination depends on two variables: the Gibbs free energy of formation in a chosen reference state, and the prediction of the activity coefficient which also depends on the chosen reference state. The COSMO-RS model is an excellent model for predicting activity coefficients that is widely used in chemical engineering where the studied molecules are generally neutral. This PhD study enabled to extend the performance of the COSMO-RS model toward the treatment of food and biological systems where there are systematically electrolytes in solution (in addition to neutral molecules). A new tool based on the recent advances of quantum mechanics has been developed in order to predict gas phase formation properties. By combining concepts of thermodynamics, quantum physics, electrostatics and statistical physics, it has been demonstrated that it is possible to use the COSMO-RS model to ensure the transition between the gas phase and the condensed phase. In this context, this work demonstrates that it is possible to treat simultaneously physical and chemical equilibria and thus to predict physico-chemical properties (aW, pH, Eh) in food and biological systems using the COSMO-RS model.