Séparation de sucres et d'acides organiques par chromatographie préparative avec des résines anioniques fortes : conception d’un procédé à trois fractions par modélisation

Sugars and organic acids separation by preparative chromatography with strong anionic resins : model-based three-fraction process design

• Auteur / Autrice : Wuyang Zhong
• Direction : Patrick Perré, Julien Lemaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 08/02/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Odile Nicolas-Simonnot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Muhr, Nabil Grimi, Claire Fargues
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Muhr, Nabil Grimi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acides organiques

Chromatographie

Résines échangeuses d'ions

Mots clés libres

Lit mobile simulé

Résine échangeuse d'ions

Chromatographie

Acides organiques

Simulated moving bed

Ion-Exchange resins

Chromatography

Organic acids

Résumé

Cette étude porte sur l'utilisation d'une résine anionique forte pour séparer des molécules biosourcées par chromatographie préparative. Deux sucres (glucose et xylose) et cinq acides organiques (acides formique, acétique, lactique, succinique et citrique) ont été étudiés, en tant que produits communs issus de l'hydrolyse de la biomasse lignocellulosique ou de procédés biotechnologiques. Les principaux objectifs de ce travail sont i) l’acquisition d’une meilleure compréhension des mécanismes de rétention et ii) le développement d'un outil de simulation prédictif, pour aider à la conception et à l'optimisation de procédés de chromatographie multi-colonne, plus particulièrement à trois fractions.Une approche combinée d'expériences (élution simple et analyse frontale) et de modélisation (formulation continue non linéaire et hors équilibre) a été utilisée pour atteindre cet objectif. Un modèle de rétention plus prédictif, appelé ''modèle hybride'', a été développé pour les acides organiques, en combinant une adsorption compétitive de type Langmuir avec de l'échange d'ions. De plus, un modèle continu, résolu par la méthode CE/SE (conservation element / solution element), a été utilisé pour mieux prédire l'élution et la dispersion des composés.Les propriétés du lit et les coefficients de dispersion axiale et de vitesse de transfert ont été estimés en effectuant des élutions simples avec des solutions pures. Les isothermes d'adsorption ont été établis pour chaque composé par analyse frontale, afin d'estimer les coefficients d'équilibre correspondants. Ensuite, des élutions simples avec un mélange binaire ont été réalisés pour valider notre modèle hybride de rétention.Finalement, ce modèle hybride a d’abord été utilisé pour simuler et optimiser un procédé multi-colonne à deux fractions bien connus, appelé ISMB (Improved Simulated Moving Bed). Le résultat remarquable de ce travail de modélisation, a été de pouvoir ensuite concevoir un nouveau procédé à trois fractions plus efficaces que le procédé habituel utilisant deux ISMB en cascade, à la fois en termes de productivité et de facteur de dilution.

This study investigates the use of strong anionic resin to separate biosourced molecules by preparative chromatography. Two sugars (glucose and xylose) and five organic acids (formic, acetic, lactic, succinic, and citric acids) were studied, as common products of lignocellulosic biomass hydrolysis or biotechnological processes. The main objectives of the work are i) to get a better understanding of retention mechanisms and ii) to develop a predictive simulation tool, to support design and optimization of multi-column chromatography processes, more particularly for three-fraction separation.A combined approach of experiments (pulse tests and frontal analysis) and modelling (continuous non-linear and non-equilibrium formulation) was used to achieve these objectives. A more predictive retention model, called “hybrid model”, was developed for organic acids, by combining competitive Langmuir adsorption with ion-exchange. Moreover, a continuous model, solved by the CE/SE (conservation element / solution element) method, was used to better predict compounds elution and dispersion.Bed properties, axial dispersion and transfer rate coefficients were estimated by performing pulse tests with pure solutions. Adsorption isotherms were established for each compound by frontal analysis, to estimate corresponding equilibrium coefficients. Then, pulse tests with binary mixture were performed to validate our retention hybrid model.Finally, this hybrid model was used first to simulate and optimize the well-known two-fraction multi-column process, called ISMB (Improved Simulated Moving Bed). Then, as an outstanding achievement, it was used to design a new three-fraction process more efficient than the usual process using two ISMB in cascade, both in terms of productivity and dilution factor.