déchets de jus d'orange comme supports de matériaux à changement de phase

Porous materials based on orange juice side-streams as carriers for phase change materials

• Auteur / Autrice : Lais Taguchi possari
• Direction : Tatiana Budtova
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Mise en Forme des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Mécanique Physique des Polymères Industriels
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Biomasse

Déchets d'orange

Aérogels

Cryogels

Matériaux à changement de phase

Biomass

Orange residue

Aerogels

Cryogels

Phase change materials

Résumé

La production de jus d'orange génère de grandes quantités de déchets qui, s'ils ne sont pas correctement gérés, peuvent entraîner des problèmes environnementaux et sanitaires. Lorsqu'ils ne sont pas mis en décharge, les millions de tonnes de sous-produits générés chaque année dans la chaîne de traitement des oranges sont généralement destinés à des applications à faible valeur ajoutée. Dans ce contexte, une stratégie prometteuse de valorisation de la biomasse résiduelle des oranges consiste à la convertir en nouveaux matériaux, tels que des films, en raison de sa forte teneur en biopolymères (par exemple, la cellulose, l'hémicellulose et surtout la pectine). Les matériaux poreux (par exemple, les aérogels et les cryogels) basés sur ces résidus n'ont pas encore été rapportés dans la littérature. Ces types de matériaux ont été largement explorés pour leurs capacités remarquables dans le transport des fluides, comme les matériaux à changement de phase (MCP). Le contrôle de la microstructure de ces systèmes pour le maintien passif de la température permet de surmonter les limitations techniques, telles que les fuites et la stabilité conformationnelle des MCP, dont l'action est principalement basée sur les transitions solide-liquide. Dans ce projet, l'exploration des sous-produits de la transformation des oranges est étudiée pour développer des aérogels et des cryogels pour le transport des MCP organiques. Des suspensions aqueuses sont préparées avec de la biomasse résiduelle intégrale et fractionnée (pelures, pulpes et bagasse), en présence d'acide citrique, et utilisées comme précurseurs de matériaux poreux. Elles sont obtenues par séchage au dioxyde de carbone supercritique (scCO2) ou par lyophilisation, et imprégnées de polyéthylène glycol (PEG) et d'huile de coco, comme alternative biologique, sous vide. L'influence des conditions de préparation des suspensions (par exemple, la teneur en matières solides, la teneur en acide citrique et la fraction de biomasse) et des échafaudages poreux (modelage, non-solvant utilisé pour la séparation de phase induite par le non-solvant et procédure de séchage) sur les propriétés morphologiques, physiques et mécaniques des matériaux résultants est étudiée. Enfin, les supports imprégnés de PCM sont caractérisés par leurs performances en matière de contrôle passif de la température et de résistance aux fuites.

The orange juice production generates large amounts of side-streams that, when not properly managed, can entail environmental and sanitary problems. When not landfilled, the millions of tons of by-products generated per year in the orange processing chain are typically destined to low added value applications. In this context, a promising strategy for valorizing orange residual biomass is its conversion into new materials, such as films, due to its high content of biopolymers (e.g., cellulose, hemicellulose, and especially pectin). Porous materials (e.g., aerogels and cryogels) based on these residues, however, have not been reported on the literature yet. Such materials have been extensively explored for their remarkable capabilities in fluid transport, such as phase change materials (PCMs). Controlling the microstructure of these systems for passive temperature maintenance allows overcoming technical limitations, such as leakage and shape stability of PCMs, whose action is mainly based on solid-liquid transitions. In this project, the exploration of by-products from orange processing is investigated for developing aero and cryogels for organic PCMs carriage. Aqueous suspensions are prepared with integral and fractionated residual biomass (peels, pulp, and bagasse), in the presence of citric acid, and used as precursors for porous materials. These are obtained via supercritical carbon dioxide (scCO2) drying or lyophilization, and impregnated with polyethylene glycol (PEG) and coconut oil, as a bio-based alternative, under vacuum. The influence of suspension preparation conditions (e.g., solid content, citric acid content and biomass fraction) and porous scaffolds (shaping, non-solvent used for non-solvent induced phase separation and drying procedure) on the morphological, physical and mechanical properties of the resulting materials are investigated. Finally, the PCM-impregnated carriers are characterized in their performance in passive temperature control and leakage resistance.