Evaluation de la nanofiltration pour l'extraction d'acides gras volatils produits par fermentation

Evaluation of nanofiltration for the extraction of volatile faffy acids from fermentation broth

• Auteur / Autrice : Yin Zhu
• Direction : Hélène Roux-de Balmann, Sylvain Galier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 16/03/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Conversion

Acides gras

Nanofiltration

Mots clés libres

Nanofiltration

Valorisation de la biomasse

Séparation

Acides organiques

Nanofiltration

Biomass valorisation

Separation

Organic acids

Résumé

La nanofiltration (NF) est un procédé à membrane sous pression utilisé pour la séparation en phase liquide, qui est prometteur pour la séparation et la purification de la biomasse. Dans ce travail, deux membranes NF (NF-45 et XLE) sont utilisées pour la séparation et la valorisation des acides gras volatils (AGV), un type de composants chimiques utiles, à partir de bouillons de fermentation produits à partir de déchets solides municipaux. L'objectif de ce travail est d'étudier le procédé NF pour la séparation et la purification des AGV à partir de bouillons de fermentation. Des expériences sont menées avec des solutions synthétiques de plus en plus complexes, depuis les solutions simples, binaires et ternaires d'AGV, c'est-à-dire l'acide acétique (Ac), l'acide propionique (Pr) et l'acide butyrique (Bu), jusqu'aux solutions mixtes contenant des AGV et des sels inorganiques de différentes compositions. L'influence de la composition ionique ainsi que du pH de la solution sur le transfert des solutés est discutée. Ensuite, un véritable bouillon de fermentation contenant trois AGV, des ions inorganiques et des matières organiques est également étudié. Pour les solutions synthétiques contenant des AGV dissociés (pH 8), on observe que pour une proportion donnée d'AGV dans l'aliment, quelle que soit la concentration totale, la proportion d'AGV dans le perméat reste constante lorsque le flux de filtration est supérieur à une valeur spécifique. Du point de vue du transfert de masse, cette observation signifie que dans une solution mixte, le transfert individuel de soluté chargé est contrôlé par la quantité totale de charge transférée à travers la membrane. En effet, on constate que le flux individuel d'AGV augmente linéairement avec le flux total de soluté et ne dépend pas de la concentration totale mais seulement des proportions d'AGV dans l'alimentation. Des solutions plus complexes contenant des VFA avec l'ajout de trois sels inorganiques (Na2SO4, NaCl et CaCl2) sont étudiées plus en détail. Là encore, des proportions de perméat constantes pour les solutés organiques et inorganiques (anions et cations) sont observées pour une proportion d'aliment donnée, lorsque le flux de filtration est supérieur à une certaine valeur. Ensuite, on conclut que, pour tout couple d'AGV (Ac/Pr, Pr/Bu, ou Ac/Bu), la valeur du plateau de la proportion relative de l'AGV individuel dans le perméat est presque fixée par sa proportion dans l'aliment, pour toutes les conditions étudiées. [...]

Nanofiltration (NF) is a pressure-driven membrane process used for liquid-phase separation, which is promising for biomass separation and purification. In this work, two NF membranes (NF-45 and XLE) are used for the separation and valorization of volatile fatty acids (VFAs), one kind of useful chemical building blocks, from fermentation broth produced using municipal solid waste. The objective of this work is to investigate NF process for the separation and purification of VFAs from fermentation broth. Experiments are carried out with synthetic solutions with increasing complexities, from single, binary and ternary solutions of VFAs, i.e., acetic (Ac), propionic (Pr), and butyric acid (Bu), to mixed solutions containing VFAs and inorganic salts at different compositions. The influence of ionic composition as well as of the solution pH on the transfer of the solutes are discussed. Then, a real fermentation broth containing three VFAs, inorganic ions and organic matters is also investigated. For synthetic solutions containing dissociated VFAs (pH 8), it is observed that for a given VFAs proportion in the feed, regardless of the total concentration, the proportion of VFAs in the permeate remains constant when the filtration flux is higher than a specific value. From the perspective of mass transfer, this observation means that in a mixed solution, the individual charged solute transfer is controlled by the total amount of charge transferred through the membrane. Indeed, it is found that the individual VFA flux increases linearly with the total solute flux and does not depend on the total concentration but only on the VFAs proportions in the feed. More complex solutions containing VFAs with the addition of three inorganic salts (Na2SO4, NaCl, and CaCl2) are further investigated. Again, constant permeate proportions for organic and inorganic solutes (anions as well as cations) are observed for a given feed proportion, when the filtration flux is higher than a certain value. Then, it is concluded that, for any couple of VFAs (Ac/Pr, Pr/Bu, or Ac/Bu), the plateau value of the relative proportion of the individual VFA in the permeate is nearly fixed by its proportion in the feed, for all the conditions investigated. This conclusion can be extended to couples of VFAs/inorganic anions and couples of cations. Solution pH significantly changes the retention of VFAs and the permeate proportion of VFAs. [...]