Etude de l`effet des champs électriques pulsés sur l`extraction solide
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Revue de génie industriel 2008, 2, 33-40 __________________________________________________________________________ Revue de Génie Industriel ISSN 1313-8871 http://www.revue-genie-industriel.info Etude de l’effet des champs électriques pulsés sur l’extraction solide-liquide à partir des matières premières végétales Mariana Savova, Ilonka Saykova Université de technologie chimique et de métallurgie, Sofia, Bulgarie Révisé et accepté le 20 juillet 2008 / Disponible sur Internet le 1 janvier 2009 Resumé Cette étude expérimentale relève les résultats concernant l’effet du prétraitement par des champs électriques pulsés (CEP) sur la perméabilisation des membranes des tissus végétaux et la contribution aux processus de transfert de matière lors de l’extraction solide-liquide. Les essais ont été réalisés avec une installation à l’échelle de laboratoire qui permet de varier l’intensité (100-1000 V/cm), le nombre (jusqu'à 900) et la durée des impulsions (300-900 μs) à une fréquence basse de 13-14 Hz. L’effet de l’application des CEP sur le taux d’extraction de différentes fractions à partir de pépins de raisin, de sésame, de moutarde et de lin a été étudié, en utilisant comme solvant l’eau ou un mélange eau-éthanol. Il a été montré que la technique des champs électriques à une intensité modérée d’environ 1 V/m est applicable pour des matériaux avec une conductivité électrique effective de l’ordre de 0.01- 0.1 S/m. La consommation d’énergie relativement basse (environ 1000 J/kg) et la rapidité de traitement permise par la technique CEP représente un atout majeur pour le traitement des matières premières végétales. Abstract This experimental study examined the impact of the pre-treatment by pulsed electric fields (PEF) on plant cell membrane permeabilisation and subsequent contribution to mass transfer rate during solid-liquid extraction. Experiments were performed in labscale equipment that permits to vary the field intensity (in the range of 100-1000 V/cm), the pulse number (up to 900) and pulse duration (300-900 μs) at low frequency of 13-14 Hz. The effect of the application of PEF on the yield of extracted by-products (marc) from seeds of grape, mustard, sesame and flax was investigated, using respectively water or mixture of water-ethanol as a solvent. It has been demonstrated that the ability of PEF to permeabilize cellular tissues is an effective treatment to improve the extraction at a moderate intensity (up to 1000 V/cm) and an effective electric conductivity of the material in the range of 0.01-0.1 S/m. The low energy consumption (about 1000 J/kg) and the short processing time required are key advantages of PEF technology. Mot-clés : champs électriques pulsés, impulsion électrique, polyphenols, polysaccharides, extraction solide-liquide Keywords : pulsed electric fields, polyphenols, polyszaharides, solid-liquid extraction 33 Revue de génie industriel 2008, 2, 33-40 __________________________________________________________________________ Introduction Les champs électriques pulsés (CEP) de forte intensité sont depuis longtemps utilisés en génie génétique pour l'incorporation de grosses molécules (ADN) ou en biotechnologie, où l’effet destructeur sur les microorganismes est exploré. Dans le domaine agroalimentaire, la plupart des applications CEP en tant qu’une technique non- thermique se sont concentrées vers la pasteurisation d’aliments liquides tels que le lait ou les jus de fruits [1]. Plusieurs études développent le concept d'un traitement combiné des tissus végétaux par l'application simultanée d'une pression et d'un champ électrique pulsé pour l’extraction des jus à partir tissues à forte teneur d’eau [2]. Très peu d’études ont porté sur l’application d’un traitement sous CEP dans des solides d’origine végétale [3]. Le procédé proposé combine le prétraitement CEP à l’extraction solide-liquide classique. L’objectif est d’utiliser l’accroissement de la perméabilité cellulaire sous l’effet des CEP pour faciliter le transfert de matière des molécules chargées comme les polysaccharides, les protéines, tannins ou certains lipides. Les cellules végétales sont très sensibles aux champs électriques, en raison de la très faible conductivité électrique des membranes de lipides qui les entourent (≈1 µS/cm). Selon le mécanisme proposé par Zimmermann [4] l’exposition de la membrane à un champ électrique entraîne une accumulation des charges en surface de la membrane, ce qui augmente le potentiel transmembranaire initial. L’accumulation des charges, de signe opposé, provoque une compression de la membrane et donc son amincissement, qui à son tour augmente l’attraction entre les deux faces. A un moment donné, une rupture localisée de la membrane a lieu: il y a formation d’ouvertures microscopiques («électropores»). Lorsque l’intensité du champ électrique est nettement supérieure au champ électrique de rupture, la formation des pores devient irréversible. Plusieurs paramètres sont susceptibles de faire varier l’efficacité d’un traitement par la technique des CEP, dont les valeurs varient suivant les applications spécifiques. Les plus importants sont: intensité du champ électrique E (de 0.1 à 50 kV/cm), durée ∆ti (de l’ordre de µs), forme, nombre N et intervalles entre les impulsions électriques. Un traitement CEP demande, par unité de volume traité, une quantité d’énergie Q définie par : Q = σ m sN∆t i E 2 (1) où : - σm est la conductivité électrique moyenne durant le traitement électrique, - s est un facteur qui dépend de la forme de l’impulsion ; s=1 pour des impulsions à forme rectangulaire, et s=0,5 pour des impulsions à décroissance exponentiel [4]. Les mécanismes d’électroporation ne sont pas encore bien compris. Le développement des protocoles expérimentaux pour des applications spécifiques est généralement déterminé empiriquement, en ajustant les paramètres électriques du CEP. D’une façon générale, l’efficacité de traitement électrique dépend de trois classes de paramètres : • les conditions opératoires telles qu’intensité du champ électrique appliqué, durée, nombre et forme des impulsions ; • la nature, la forme et lа taille des cellules ; • les caractéristiques de la composition et de résistivité électrique du milieu. Les tissus biologiques ont en général un structure hétérogène, de sorte que leurs caractéristiques électriques varient, et donc leur comportement en tant que composant électrique est très variable. La résistivité varie entre 0.01-0.05 S/m pour les matières grasses et les huiles végétales à plus de 2 S/m pour les produits à forte teneur en sels et en eau. L’élaboration des protocoles expérimentales des installations à champs 34 Revue de génie industriel 2008, 2, 33-40 __________________________________________________________________________ électriques pulsées doit prendre en compte ces caractéristiques électriques, selon l’usage pour lequel elles sont destinées. Ce travail a été mené visant à mettre en évidence l’interaction entre conductivité électrique et changement structurel de la matrice solide lors de l’extraction classique et en combinaison avec un traitement sous CEP dans le cas des solides d’origine végétale. Les expérimentations ont portées sur la mesure de la conductivité électrique initiale et avec l’avancement de l’extraction. Enfin, nous avons pu obtenir des courbes reliant directement l’efficacité de l’extraction à l’énergie spécifique consommée lors du traitement électrique qui pourront servir pour un paramétrage correct d’un procédé sous CEP. Partie expérimentale Méthodes analytiques et matériaux utilisés Des graines issues des plantes oléagineuses (humidité moyenne 6-8% et porosité 0.40.6) ont été utilisées dans les essais (Tableau I). Le but de l’extraction sélective effectuée est de libérer les fractions polaires localisées dans l’écorce de ces graines. Les polyphenols ont été déterminés suivant la méthode de Folin-Ciocalteu [5], avec un spectrophotomètre SPECOL 11 à une longueur d’onde λ=450 nm. Les polysaccharides de l’extrait filtré ont été déterminés après précipitation avec de l’éthanol par mesures gravimétriques. Appareillage Les études cinétiques de l’extraction ont été réalisées dans un réacteur batch parfaitement agité, conditionné thermiquement, à des températures de 25 à 65 °C. Pour soumettre les échantillons à un CEP, une installation électrique à l’échelle laboratoire a été élaborée qui comporte les éléments suivants (Figure 1a) : • un générateur pour fournir de l’énergie électrique à la tension U0 désirée ; • un commutateur qui permet la décharge de l’énergie stockée sous forme des impulsions ; • une chambre de traitement à volume de travail réglable comportant deux 2 électrodes planes en métal inoxydable d’une surface de 9 cm ; • un oscilloscope pour mesurer la tension aux bornes des électrodes et visualiser la forme des impulsions. a/ installation expérimentale b/ cellule de mesure de la conductivité Figure 1. Dispositifs pour le traitement électrique. Les impulsions électriques mettent un jeu des intensités modérées (100-1000 V/cm) durant des intervalles de temps extrêmement courts (d’une durée de 300-900 µs) tandis que les intervalles de temps séparant deux impulsions sont beaucoup plus longs (75 ms). Les impulsions rectangulaires monopolaires réalisées ont l’avantage d’appliquer le champ électrique à la tension voulue pendant la presque totalité de la durée de 35 Revue de génie industriel 2008, 2, 33-40 __________________________________________________________________________ l’impulsion (Figure 2a et 2b) et de diminuer l’élévation de la température suite à un très faible rapport entre la durée de l’impulsion et l’intervalle de temps entre les impulsions (Figure 2c). a. Impulsion électrique d’une durée de 900 µs b. Impulsion électrique d’une durée de 200 µs c. Le rapport entre la durée de l’impulsion et l’intervalle entre deux impulsions Figure 2. Les impulsions électriques réalisées par l’installation CEP L’échantillon traité, inséré entre les deux électrodes joue le rôle de résistance électrique dans un circuit contenant un condensateur chargé par le générateur puis déchargé 36 Revue de génie industriel 2008, 2, 33-40 __________________________________________________________________________ quasi instantanément après l’ouverture d’un interrupteur.Les électrodes de la chambre de traitement, constitués de plaques parallèles ont l’avantage d’offrir un champ électrique uniforme à condition que la distance séparant les deux électrodes soit suffisamment faible (distance inter-électrodes d=3-6 mm). Ainsi, l’échantillon placé entre les électrodes est soumis à un champ électrique d’intensité E=U/d. L’appareillage a été complété par le montage d’une cellule pour mesurer la conductivité électrique (Fig. 1b). Celle-ci est constituée de 2 électrodes d’or en parallèle à des distances fixées par des anneaux de profondeurs d=0.5-1.5 cm et d’une surface utile 2 F=9 cm , complétée par un transformateur et deux multimètres digitaux pour la prise des valeurs de la tension et du courant alternatif. Afin d’éviter l’effet thermique et la polarisation, un courant alternatif faible jusqu’à 50 mA pour une tension d’environ 4.5 V à une fréquence de 50 Hz ont été utilisé. La conductivité électrique spécifique est calculée d’après la loi d’Ohm qui relie les principaux paramètres électriques, à savoir l’intensité du courant I (A), la tension U (V), et la résistance spécifique R (Ω) : σ= Id UF (2) Pour déterminer les valeurs réelles de ces conductivités, l’étalonnage de l’appareil est réalisé à l’aide d’une solution étalon de 0.01 mol KCl (σ=1413 µS/cm). Une compensation linéaire avec le changement de la température est prise en compte et les valeurs sont rapportées à une température de 25 °C. Résultats et discussion L’étude de la conductivité électrique durant le traitement est basée sur le fait que le moindre changement dans la structure de la matrice végétale induit une variation de sa conductivité effective. Les végétaux solides ont une structure hétérogène, de sorte que leurs caractéristiques électriques varient lors de la macération par le solvant et l’avancement de l’extraction, et donc leur détermination en tant que composant électrique complexe peut poser des difficultés. Par rapport aux produits biologiques à forte teneur en sels et eau (tels que carottes, pommes, betterave, etc.) ayant une conductivité spécifique de l’ordre de 100 à 400 µS/cm [4], les végétaux solides secs se comportent comme des diélectriques. Ainsi, la mesure de la conductivité électrique effective initiale σeff, ainsi que le prétraitement électrique se réalise dans un mélange solide-liquide. Il faut noter que les mesures présentées dans le Tableau 1. ont été effectuées dans une suspension dense d’eau distillé (σ=27.6 μS/cm) et ces valeurs sont dépendantes du milieu de suspension. Tableau 1. Conductivité électrique effective (µS/cm) des matières premières utilisées. Conductivité électrique effective Matière première Soluté extractable- solvant initiale Pépins de raisin Polyphenols (Vinis Vinifera) 50% éthanol-eau distillée Sésame Polysaccharides- (Sesamum indicum) eau distillée Moutardee blanche Polysaccharides- (Sinapis Alba) eau distillée Lin Polysaccharides- macération 5 min 58.8± 6.25 79.9± 8.30 54.9 ± 9.25 164.9 ± 10.25 499.5 ± 18.67 682.3 ± 29.67 200.6 ± 11.53 1040.2 ± 61.43 37 Revue de génie industriel 2008, 2, 33-40 __________________________________________________________________________ (Linum Usitatissimum) eau distillée La variation brusque de σeff au moment du contact avec le solvant est due à plusieurs phénomènes à savoir : pénétration du solvant, diffusion des molécules solubilisées, gonflement du solide qui provoquent une première destruction de la matrice végétale. On remarque qu’après une période de macération de 5 min le rapport des valeurs mesurées de σeff est d’environ 1.3 à 5, en fonction de la capacité d’adsorption du solvant et le taux du gonflement du solide. Afin d’estimer les changements ultérieurs ayant subi la matrice solide lors de l’extraction, des mesures conductimétriques de σext du solide et de l’extrait liquide en équilibre σeff ont été prises. La variation typique que nous pouvons obtenir est illustrée à 25 °C (Tableau 2). D’après les expérimentations on remarque que σext du solide croit également avec l’avancement de l’extraction malgré la diminution de la teneur en substances polaires qui se libèrent vers le solvant. Cette augmentation peut s’expliquer alors avec la modification du contenu des canaux intercellulaires, l’altération de la structure des membranes cellulaires et l’augmentation de la porosité interne induites dans la matrice végétale. Tableau 2. Variation de la conductivité électrique effective (µS/cm) avec l’avancement de l’extraction Durée de l’extraction, en min 5 10 15 30 60 Pépins de raisin (Vinis Vinifera) 26.4 30.0 49.0 67.0 69.0 Moutardee blanche (Sinapis Alba) 321.9 380.3 399.21 467.93 519.19 Lin (Linum Usitatissimum) 497.6 635.3 692.2 769.79 914.26 Afin d’étudier l’effet d’un prétraitement CEP sur le transfert de matière, un certain nombre d’échantillons sont prétraitées à différentes conditions sous CEP, puis mis à l’extraction dans les mêmes conditions qu’un échantillon de référence. Ainsi, la phase extraction est identique et toute amélioration de l’extraction sera due à la nature du prétraitement. a/ cas de végétaux à conductivité différent b/ cas de milieux du traitement différents Figure 3. Comparaison de l’extraction classique (référence) et celle après prétraitement CEP. Les expérimentations effectuées montrent que l’effet des CEP reste très variable dans l’intervalle de 100-1000 V/cm à cause la variabilité de la matière première traité. La différence entre les variations des taux d’extraction est évidente quand on compare l’effet des CEP en fonction de la résistivité électrique dans la chambre du traitement (Figure 3). Figure 3a. compare les résultats obtenus après un traitement électrique d’environ 1 s (N=900 impulsions d’une durée de ∆ti=900 μs), suivi de 15 min d’extraction. Ainsi, une augmentation comparable des taux d’extraction a été obtenue à une intensité E=888 V/cm pour le système pépins de raisin/50% éthanol (σeff=69.9 μS/cm) alors que le système lin/eau (σeff =620.3 μS/cm) a subi un traitement à E=1000 38 Revue de génie industriel 2008, 2, 33-40 __________________________________________________________________________ V/cm. Les écarts des taux d’extraction obtenus en utilisant des solvants à conductivité différente, illustrée dans le cas de pépins de raisin (Figure 3b), confirme qu’une conductivité effective de la suspension dans la chambre de traitement plus faible (dans ce cas 50% éthanol-еаu σ=3.6 μS/cm) entraîne une effet sur l’extraction plus marquée. On a obtenu des courbes donnant l’efficacité de traitement en fonction du champ électrique pour différentes durées de la pulsation. Voire par exemple le graphique correspondant au traitement des pépins de raisin (Figure 4). L’évolution de la quantité extraite, et respectivement l’efficacité de l’extraction η a été tracée en termes des différents paramètres électriques. La dépendance présentée peut être exprimée en terme d’énergie consommée durant le traitement électrique par : η = 1 − exp HQ (3) où H est une constante de corrélation directement reliée à la résistivité électrique de la matière traitée. Cette relation empirique indique un seuil corrélé à l’intensité et à la durée de la pulsation à partir du quel il n’y a pas plus une augmentation sensible de la quantité de matière extraite. Ainsi, l’efficacité atteindra une valeur limite lorsque l’énergie spécifique atteindra un niveau autour de 1000 J/kg. Figure 4. Efficacité de l’extraction en fonction de l’énergie de prétraitement par CEP. Conclusion L’étude de la conductivité électrique effective des solides d’origine végétale d’une manière générale, relève qu’il est souvent difficile d’obtenir des valeurs représentatives à cause de l’hétérogénéité de ces produits, la variabilité des mesures peut être assez importante d’un échantillon à l’autre et d’un système diphasique à l’autre. Malgré ces précautions les mesures conductimétriques doivent être prises en compte afin de paramétrer correctement un procédé de traitement sous CEP. Les résultats obtenus montrent que les échantillons ayant subi un traitement CEP libèrent à temps égal plus de substances que les échantillons non-traités. Cette amélioration de la diffusion permet ainsi de réduire le temps ou de diminuer la température d’extraction. Des traitements dont la conductivité électrique est d’une petite valeur, sont particulièrement vulnérables, de telle sorte que les CEP à des voltages modérées paraissent spécialement voués au traitement dans des milieux nonconductrices. 39 Revue de génie industriel 2008, 2, 33-40 __________________________________________________________________________ Références bibliographyques 1. Zhang Q., Barbosa-Canovas G.V., Swanson B.G. Engineering aspects of pulsed electric field pasteurization. J. of Food Eng. 1995, 25(2), 261-281 2. El-Belghiti, Vorobiev, E. Mass transfer enchanced by pulsed electric fields. Food and Bioprod. Processing 2004, 82(C3), 226-230. 3. Guderjan M., Topfl S., Angersbach A., Knorr D. 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