Eco-conception de solvants de substitution de l'hexane pour l'extraction d'huile issue de tourteaux oléagineux par une approche d'ingénierie inverse

Eco-design of Solvents for the Substitution of Hexane in Oil Extraction from Oilseed Cake using a Reverse Engineering Approach

• Auteur / Autrice : Mohamad Nehmeh
• Direction : Sophie Thiebaud-Roux, Ivonne Rodríguez-Donis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Agroressources
• Date : Soutenance le 04/07/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Toulouse ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Villeneuve
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Thiebaud-Roux, Ivonne Rodríguez-Donis, Pierre Villeneuve, Vincent Gerbaud, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Corinne Lacaze-Dufaure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Moisés Teles dos Santos, Véronique Nardello-Rataj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solvants

Huiles végétales

Mots clés libres

Formulation Inverse

Substitution de l'Hexane

Extraction d'Huile

Criblage à Haut Débit

Conception Moléculaire Assistée par Ordinateur

Solvants verts

Reverse Engineering

Hexane Substitution

Oil Extraction

High Throughput Screening

Computer Aided Molecular Design

Green solvents

Résumé

Suite à une première extraction d'huile végétale par pressage des graines oléagineuses, une huile résiduelle exploitable persiste dans le tourteau de graines, nécessitant une seconde extraction par solvant. Actuellement, l’hexane est le solvant principalement utilisé industriellement. Malgré ses caractéristiques favorables, telles que sa sélectivité envers les lipides et sa séparation aisée de l'huile par distillation, des préoccupations concernant sa toxicité et son origine non renouvelable ont incité à rechercher des alternatives. Ces travaux de recherche visent à identifier de nouveaux solvants plus sains, plus sûrs et respectueux de l'environnement, notamment des solvants bio-sourcés, pour l'extraction sélective de l'huile des graines oléagineuses.Pour atteindre cet objectif, une approche d'ingénierie inverse basée sur le Criblage à Haut Débit (CHD) et la Conception Moléculaire Assistée par Ordinateur (CMAO) a été employée pour concevoir des alternatives optimales adaptées aux exigences spécifiques liées à l'application. Le processus de formulation inverse a débuté par la définition de valeurs cibles pour les propriétés physico-chimiques clés (par exemple, le point d'ébullition, le point d'éclair) des solvants existants utilisés pour l'extraction d'huile. Ensuite, des structures moléculaires correspondantes à ces cibles ont été recherchées parmi des milliers de solvants à l'aide de l'outil CMAO IBSS (InBioSynSolv). Plus précisément, pour chacune de ces molécules, les propriétés sont prédites grâce à des modèles de contribution de groupe et comparées aux spécifications techniques, aux critères de sécurité et aux considérations environnementales et sanitaires. Un affinement supplémentaire des solvants candidats générés par IBSS a été effectué en étudiant l'affinité entre les solvants identifiés et les solutés cibles dans le tourteau, en comparant leur profil σ (déterminé à l’aide de l’outil COSMO-RS) et en calculant l'équilibre thermodynamique. Cette méthodologie associant divers outils de modélisation et des critères industriels a permis une sélection efficace d’une douzaine de candidats pour leur sélectivité vis-à-vis des lipides. Enfin, une validation expérimentale a été menée à différentes échelles pour corroborer l'efficacité des solvants alternatifs.

Following an initial vegetable oil extraction through oilseed pressing, valuable residual oil persists within the oilseed cake, necessitating a further solvent extraction process. Hexane is currently the predominant solvent employed industrially for oilseed oil extraction. Despite its favourable characteristics such as lipid selectivity and ease of separation from oil through distillation, concerns regarding toxicity and non-renewable sourcing have prompted investigations into its replacement. This research aims to identify novel solvents for the selective extraction of oil from oilseeds that are healthier, safer, and environmentally sustainable, including bio-based solvents.To achieve this objective, a reverse engineering approach based on High Throughput Screening (HTS) and Computer Aided Molecular Design (CAMD) is employed to design optimal alternatives tailored to specific application requirements. The reverse engineering process began by defining the target values for key physicochemical properties (e.g., boiling point, flash point) of existing solvents used in oil extraction. Subsequently, molecular structures aligning with these targets were sought among thousands of solvents using the CAMD tool IBSS (InBioSynSolv). Specifically, for each and every molecule, the properties are predicted through group contribution models and compared against technical specifications, safety criteria, and environmental and health considerations. Further refinement of the candidate solvents generated by IBSS involved investigating the affinity between the identified solvent candidates and the target solutes within the cake, by comparing their σ-profile (determined using the COSMO-RS tool) and calculating the thermodynamic equilibrium. This methodology, coupling various modelling tools and industrial criteria, enabled an effective selection of a handful of candidates based on their selectivity towards lipids. Finally, experimental validation was conducted across various scales to corroborate the efficiency of the alternative solvents.