DS2 PC2 19

DS2 chimie 19/20
Calculatrice autorisée. La présen
t
précision des raisonnements en
tr
particulier, les résultats non enc
ad
Les résultats numériques sans uni
t
Premier Problème:
Extraction de la caféine du thé vert.
Depuis la mise en œuvre de la directive REACH (visant à assurer un niveau élevé de protection de la santé humaine et de
l’environnement contre les risques que peut poser l'utilisation des solvants organiques chimiques), l'utilisation du CO
supercritique a
été introduite comme alternative fiable aux procédés d’extraction par solvants organiques.
À l'aide des documents ci-après,
l'objectif est de
la caféine présente dans la variét
é de thé vert choisie à l'aide du CO
1-
Donner le nom des deux points A et B du diagramme de phase de CO
système correspondant au point B
et conclure.
1- Justifier le choix du CO
2
supercri
tique pa
2- J
ustifier la détermination des conditions expérimentales optimales utilisées pour extraire sélectivement la caféine
du thé vert et préserver la teneur en catéchine EGCG dans le thé vert
3- E
xpliquer l'influence de l'ajout d'eau lor
4- E
valuer les quantités de caféine et d'épigallocatéchine
supercritique dans les conditions expérimentales optim
Document n°1 –
Présentation d’une variété de thé vert
Le thé vert est issu d'une variété de plante
Camelia Sinensis
cueillette. Il en résulte une teneur importante en catéchines m
•
Les catéchines : ingrédient précieux du thé vert
les catéchines possèdent des effets bénéfiques pour l'organisme (propriétés antioxydantes, anti
inflammatoires, …) en
synergie avec les autres constituants du thé vert. Bien que la plupart des recherches
scientifiques se focalisent sur l'épigallocatéchine
sont présentes dans le thé en proportions moindres).
• La caféine -
Le thé vert contient également de la caféine dont la teneur varie en fonction de la variété
choisie. Cette espèce chimique peut être à l'origine d'effets indésirables ou de symptômes en cas de forte
consommation (nervo
sité, agitation, insomnie, …
Espèces chimiques étudiées
Moment dipolaire (D)
Structure
Teneur dans la variété de thé vert étudié
(mg/g de thé)
Ainsi il semble très important d'extraire sélectivement
production plus saine.
Sujet PC*
t
ation, la lisibilité, l’orthographe, la qualité de l
a
tr
eront pour une part importante dans l’a
pp
ad
rés et non justifiés ne seront pas pris en co
m
t
é ou avec une unité fausse ne seront pas co
m
Depuis la mise en œuvre de la directive REACH (visant à assurer un niveau élevé de protection de la santé humaine et de
l’environnement contre les risques que peut poser l'utilisation des solvants organiques chimiques), l'utilisation du CO
été introduite comme alternative fiable aux procédés d’extraction par solvants organiques.
l'objectif est de
déterminer les conditions expérimentales optimales pour extraire sélectivement
é de thé vert choisie à l'aide du CO
2
supercritique.
Donner le nom des deux points A et B du diagramme de phase de CO
2
(document2). Calculer la variance du
et conclure.
tique pa
r rapport aux solvants classiques (
eau, éthanol, chloroforme, …
ustifier la détermination des conditions expérimentales optimales utilisées pour extraire sélectivement la caféine
du thé vert et préserver la teneur en catéchine EGCG dans le thé vert
.
xpliquer l'influence de l'ajout d'eau lor
s de l'extraction au CO
2
supercritique.
valuer les quantités de caféine et d'épigallocatéchine
-3-
gallate (EGCG) obtenues lors de l'extraction
supercritique dans les conditions expérimentales optim
ales.
Présentation d’une variété de thé vert
Camelia Sinensis
dont l'oxydation des feuilles est immédiatement interrompue après la
cueillette. Il en résulte une teneur importante en catéchines m
ais également en caféine.
Les catéchines : ingrédient précieux du thé vert
-
Responsable de l'amertume et de l'astringence du thé vert,
les catéchines possèdent des effets bénéfiques pour l'organisme (propriétés antioxydantes, anti
synergie avec les autres constituants du thé vert. Bien que la plupart des recherches
scientifiques se focalisent sur l'épigallocatéchine
-3-
gallate (EGCG), catéchine principale du thé vert, d'autres
sont présentes dans le thé en proportions moindres).
Le thé vert contient également de la caféine dont la teneur varie en fonction de la variété
choisie. Cette espèce chimique peut être à l'origine d'effets indésirables ou de symptômes en cas de forte
sité, agitation, insomnie, …
).
Caféine
3,6
Non connu
Teneur dans la variété de thé vert étudié
32,9
Ainsi il semble très important d'extraire sélectivement
la caféine du thé vert tout en
conservant les catéchines afin d'obtenir une
1
a
rédaction, la clarté et la
pp
réciation des copies. En
m
pte.
m
ptabilisés
Depuis la mise en œuvre de la directive REACH (visant à assurer un niveau élevé de protection de la santé humaine et de
l’environnement contre les risques que peut poser l'utilisation des solvants organiques chimiques), l'utilisation du CO
2
été introduite comme alternative fiable aux procédés d’extraction par solvants organiques.
déterminer les conditions expérimentales optimales pour extraire sélectivement
(document2). Calculer la variance du
eau, éthanol, chloroforme, …
)
ustifier la détermination des conditions expérimentales optimales utilisées pour extraire sélectivement la caféine
gallate (EGCG) obtenues lors de l'extraction
par du CO
2
dont l'oxydation des feuilles est immédiatement interrompue après la
Responsable de l'amertume et de l'astringence du thé vert,
les catéchines possèdent des effets bénéfiques pour l'organisme (propriétés antioxydantes, anti
-
synergie avec les autres constituants du thé vert. Bien que la plupart des recherches
gallate (EGCG), catéchine principale du thé vert, d'autres
Le thé vert contient également de la caféine dont la teneur varie en fonction de la variété
choisie. Cette espèce chimique peut être à l'origine d'effets indésirables ou de symptômes en cas de forte
EGCG
Non connu
122,8
conservant les catéchines afin d'obtenir une

Document n°2 –
Quelques caractéristiques d
Etats physiques et propriétés -
Le dioxyde de carbone CO
Le diagramme de phase (ci-dessus
) indique les différents états physiques : solide, liquide, gaz et supercritique dont les domaines
d'existence dépendent de la press
ion P et de la température T
Etat physique
Masse volumique (kg.L
Gaz 0,0006
–
Fluide supercritique 0,2 –
Liquide 0,6 –
La diffusivité
mesure la capacité d'une espèce chimique à se déplacer dans un milieu donné où il existe un gradient de
concentration de cette espèce.
Le CO
2
supercritique et l'extraction végétale
particulièrement approprié à l'extraction végétale, et ce notamment comme alternative aux solvants organiques chlorés. Non
toxique, non polluant, non inflammable, largement disponible à de très hauts degr
modérés (de l'ordre de 1 euros/kg), ce
solvant vert
s'acquittent des opérations d'élimination des résidus de solvant (extraction, imprégnation, formulation), opérations indispen
l
orsque ce solvant est un composé organique (c
(en général de l'ordre de 40 à 60°C
) permettent de conserver l'intégrité chimique des molécules thermosensibles traitées et de
minimiser les coûts opératoires.
Capacité de solvatation du CO
2
supercritique
Les agrégats formés autour des molécules de soluté montre
influant sur les conditions de température et de pression, on parvient à adapter le pouvoir solvant ou la capacité de solvata
fluide supercritique en fonction de l'opération envisagée.
Le pouvoir solvant à géométrie
variable du fluide supercritique peut être mis à profit en faisant varier la pression et la température
des conditions opératoires. Ainsi :
•
une augmentation de la pression influence le pouvoir solvant du fluide par accroissement de sa densité ;
• une
augmentation de la température à pression élevée permet à la fois d’augmenter la pression de vapeur
saturante de la substance et de diminuer les interactions soluté
Quelques caractéristiques d
u dioxyde de carbone CO
2
Le dioxyde de carbone CO
2
est une molécule qui ne présente pas de moment dipolaire.
) indique les différents états physiques : solide, liquide, gaz et supercritique dont les domaines
ion P et de la température T
imposées.
Masse volumique (kg.L
-
1
) Viscosité (
Pa.s)
Diffusivité (cm
–
0,002 10 - 30 0,1
–
0,5 10 - 30
0,0001
1,6 200 - 3000
0,00002
mesure la capacité d'une espèce chimique à se déplacer dans un milieu donné où il existe un gradient de
- Le CO
2
supercr
itique est très rapidement apparu comme un candidat
particulièrement approprié à l'extraction végétale, et ce notamment comme alternative aux solvants organiques chlorés. Non
toxique, non polluant, non inflammable, largement disponible à de très hauts degr
és de pureté (jusqu'à 99,99999
solvant vert
possède des paramètres critiques accessibles. Les procédés supercritiques
s'acquittent des opérations d'élimination des résidus de solvant (extraction, imprégnation, formulation), opérations indispen
orsque ce solvant est un composé organique (c
hloroforme, dichlorométhane...
). De plus, les faibles températures mises en œuvre
) permettent de conserver l'intégrité chimique des molécules thermosensibles traitées et de
supercritique
-
Dans une phase supercritique, les molécules ne sont pas uniformément distribuées.
Les agrégats formés autour des molécules de soluté montre
nt que la densité locale est élevée ave
c une solvatation relative. En
influant sur les conditions de température et de pression, on parvient à adapter le pouvoir solvant ou la capacité de solvata
fluide supercritique en fonction de l'opération envisagée.
variable du fluide supercritique peut être mis à profit en faisant varier la pression et la température
une augmentation de la pression influence le pouvoir solvant du fluide par accroissement de sa densité ;
augmentation de la température à pression élevée permet à la fois d’augmenter la pression de vapeur
saturante de la substance et de diminuer les interactions soluté
-soluté.
B
2
est une molécule qui ne présente pas de moment dipolaire.
) indique les différents états physiques : solide, liquide, gaz et supercritique dont les domaines
Diffusivité (cm
2
.s
-
1
)
–
0,4
0,0001
– 0,1
0,00002
– 0,0002
mesure la capacité d'une espèce chimique à se déplacer dans un milieu donné où il existe un gradient de
itique est très rapidement apparu comme un candidat
particulièrement approprié à l'extraction végétale, et ce notamment comme alternative aux solvants organiques chlorés. Non
és de pureté (jusqu'à 99,99999
%) et à des coûts
possède des paramètres critiques accessibles. Les procédés supercritiques
s'acquittent des opérations d'élimination des résidus de solvant (extraction, imprégnation, formulation), opérations indispen
sables
). De plus, les faibles températures mises en œuvre
) permettent de conserver l'intégrité chimique des molécules thermosensibles traitées et de
Dans une phase supercritique, les molécules ne sont pas uniformément distribuées.
c une solvatation relative. En
influant sur les conditions de température et de pression, on parvient à adapter le pouvoir solvant ou la capacité de solvata
tion du
variable du fluide supercritique peut être mis à profit en faisant varier la pression et la température
une augmentation de la pression influence le pouvoir solvant du fluide par accroissement de sa densité ;
augmentation de la température à pression élevée permet à la fois d’augmenter la pression de vapeur

Document n°3 – Utilisation des p
aramètres de solubilité
supercritique
C'est Joël Hildebrand, chimiste américain (1881
de prévoir la solubilité entre un soluté et un solvant. Sa théorie, initialement basée sur les lois de la thermodynamique, pe
donc de déterminer le bon solvant
pour un soluté donné.
D'autres scientifiques (Crowley ou encore Hansen) ont contribué à améliorer le système créé par Hildebrand.
Figure 1 -
Evolution des paramètres de solubilité
supercriti
que + teneur massique de 7 % eau) en fonction la température et de la pression.
Figure 2 -
Evolution des paramètres de solubilité
fonction de la température et d
e la teneur massique en eau à une pression de 200 bar.
Document n°4 -
Effets de la pression, de la température et de la teneur en eau lors de l'extraction sélective de la caféine par
le CO
2
supercritique
Figure 3 -
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de la température
(pression fixe de 400 bar, teneur massique en eau de 7 %, débit de CO2 fixe de 28,08 kg de CO
d’extraction fixe de 5 h).
aramètres de solubilité
 dans le cadre de l'extr
action sélecti
C'est Joël Hildebrand, chimiste américain (1881
-
1983), qui a introduit le premier le paramètre de solubilité
de prévoir la solubilité entre un soluté et un solvant. Sa théorie, initialement basée sur les lois de la thermodynamique, pe
pour un soluté donné.
Bonne solubilité si  (solvant) 
D'autres scientifiques (Crowley ou encore Hansen) ont contribué à améliorer le système créé par Hildebrand.
Evolution des paramètres de solubilité
de la caféine, de la catéchine (EGCG) et du mélange (CO
que + teneur massique de 7 % eau) en fonction la température et de la pression.
Evolution des paramètres de solubilité
de la caféine, de la catéchine (EGCG) et du CO
e la teneur massique en eau à une pression de 200 bar.
Effets de la pression, de la température et de la teneur en eau lors de l'extraction sélective de la caféine par
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de la température
(pression fixe de 400 bar, teneur massique en eau de 7 %, débit de CO2 fixe de 28,08 kg de CO
3
action sélecti
ve de la caféine par CO
2
1983), qui a introduit le premier le paramètre de solubilité
δ dans le but
de prévoir la solubilité entre un soluté et un solvant. Sa théorie, initialement basée sur les lois de la thermodynamique, pe
rmet
 (soluté)
D'autres scientifiques (Crowley ou encore Hansen) ont contribué à améliorer le système créé par Hildebrand.
de la caféine, de la catéchine (EGCG) et du mélange (CO
2
que + teneur massique de 7 % eau) en fonction la température et de la pression.
de la caféine, de la catéchine (EGCG) et du CO
2
supercritique en
Effets de la pression, de la température et de la teneur en eau lors de l'extraction sélective de la caféine par
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de la température
(pression fixe de 400 bar, teneur massique en eau de 7 %, débit de CO2 fixe de 28,08 kg de CO
2
/kg de thé/h et période

Figure 4 -
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de teneur
massique en eau (température fixe de 50
et période d’extraction fixe de 5 h).
Figure 5 -
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de la pression
(température fixe de 50
◦
C, teneur massique en eau de 7 %, débit de CO2 fixe de 28
période d’extraction fixe de 5 h).
Document n°5 -
Extraction de la caféine à l'aide de solvants classiques
Des extractions classiques ont été réalisées en utilisant de l'eau ou de l'éthanol afin de pourvoir comparer
obtenus lors d'une extraction au CO
2
supercritique dans les conditions optimales. La caféine et l'épigallocatéchine
(EGCG) ont été extraites en utilisant 30 g de thé vert moulu dans un ballon à fond rond contenant 600 mL
L'extraction a été menée à une température constante (40 ou 50
Température (°C)
Solvant (pression)
40
Eau (1 bar)
Ethanol (1 bar)
50
Eau (1 bar)
Ethanol (1 bar)
, ,
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de teneur
◦
C, pression fixe de 400 bar, débit de CO
2
fixe de 28,08 kg de CO
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de la pression
C, teneur massique en eau de 7 %, débit de CO2 fixe de 28
,08 kg de CO
Extraction de la caféine à l'aide de solvants classiques
Des extractions classiques ont été réalisées en utilisant de l'eau ou de l'éthanol afin de pourvoir comparer
supercritique dans les conditions optimales. La caféine et l'épigallocatéchine
(EGCG) ont été extraites en utilisant 30 g de thé vert moulu dans un ballon à fond rond contenant 600 mL
L'extraction a été menée à une température constante (40 ou 50
°C) pendant 5h sous agitation.
Solvant (pression)
Rendement d’extraction
Sélectivité
Caféine EGCG
81 92
81/92 = 0,88
Ethanol (1 bar)
15 63
15/63 = 0,24
83 92
83/92 = 0,90
Ethanol (1 bar)
21 54
21/54 = 0,39
,
4
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de teneur
fixe de 28,08 kg de CO
2
/kg de thé/h
Evolution du rendement d’extraction de la caféine et de la catéchine (EGCG) en fonction de la pression
,08 kg de CO
2
/kg de thé/h et
Des extractions classiques ont été réalisées en utilisant de l'eau ou de l'éthanol afin de pourvoir comparer
les résultats avec ceux
supercritique dans les conditions optimales. La caféine et l'épigallocatéchine
-3-gallate
(EGCG) ont été extraites en utilisant 30 g de thé vert moulu dans un ballon à fond rond contenant 600 mL
d'eau ou d'éthanol.
Sélectivité
81/92 = 0,88
15/63 = 0,24
83/92 = 0,90
21/54 = 0,39

Deuxième problème :
Pour obtenir un séchage rapide d’un film photog
noté MEP, plutôt que de l’eau (M
eau
l’indice P1
. La température de début d'ébullition du MEP est
de film, on constate que la température de début d'ébullition du MEP est
le diagramme d'ébullition du binaire MEP à pression
température en fonction de la fraction molaire en Pl,
liquide et de la phase vapeur.
1) A
partir de l’allure du diagramme, indiquer les propriétés des mélanges eau
2) Indiquer
le nom des courbes C1 à C4, ainsi que le
D4.
3)
Quel est le nom attribué à un mélange représenté par l
mélange? Calculer en le justifiant
complètement
chimique en ce point.
4)
Quelle est la fraction molaire en Pl du MEP
5)
Soit un mélange binaire MEP de fraction molaire en P1,
94°C. Décrire les phénomènes et préciser l'évolution de la fraction molaire en P1dans chaque phase.
6)
On porte un mélange contenant 545,5 g de H
vapeur et celle du liquide ?
7)
Quelle est la composition des produits (distillat et résidu) obtenus par distillation fractionnée d'un MEP de
composition X
P1
= 0,2
et d'un MEP de composition
Représenter le dispositif légendé d
’une distillation fractionnée.
Figure 2-
Fraction molaire en propan
Pour obtenir un séchage rapide d’un film photog
raphique, on emploie un mélange
= 18 g.mol-1). Le propan-1-ol (M
P1
= 60 g.mol
. La température de début d'ébullition du MEP est
θ
eb
= 92°C. Après séchage d'une aire de 1 m²
de film, on constate que la température de début d'ébullition du MEP est
θ
eb
= 90° C. On
le diagramme d'ébullition du binaire MEP à pression
constante P = 1,013bar (figure2
température en fonction de la fraction molaire en Pl,
X
P1
et Y
P1
,
respectivement au sein de la phase
partir de l’allure du diagramme, indiquer les propriétés des mélanges eau
-
propan
le nom des courbes C1 à C4, ainsi que le
nombre et la nature des phases dans les domaines D1 à
Quel est le nom attribué à un mélange représenté par l
e point C ? Quelles so
complètement
le nombre
de degrés de liberté du système physico
Quelle est la fraction molaire en Pl du MEP
avant et après séchage ?
Soit un mélange binaire MEP de fraction molaire en P1,
X
P1
= 0,2
que l'on chauffe de
94°C. Décrire les phénomènes et préciser l'évolution de la fraction molaire en P1dans chaque phase.
On porte un mélange contenant 545,5 g de H
2
O et 454,5 g de Pl à θ
= 90°C. Quelle est la masse de la
Quelle est la composition des produits (distillat et résidu) obtenus par distillation fractionnée d'un MEP de
et d'un MEP de composition
X
P1
= 0,6.
’une distillation fractionnée.
Fraction molaire en propan
-1-ol en liquide X
P1
et en vapeur Y
P1
.
5
raphique, on emploie un mélange
eau/propan-1-ol,
= 60 g.mol
-1) est désigné par
= 92°C. Après séchage d'une aire de 1 m²
= 90° C. On
donne ci-dessous
constante P = 1,013bar (figure2
). Il donne la
respectivement au sein de la phase
propan
-1-ol.
nombre et la nature des phases dans les domaines D1 à
e point C ? Quelles so
nt les propriétés de ce
de degrés de liberté du système physico
-
que l'on chauffe de
θ = 25°C à θ =
94°C. Décrire les phénomènes et préciser l'évolution de la fraction molaire en P1dans chaque phase.
= 90°C. Quelle est la masse de la
Quelle est la composition des produits (distillat et résidu) obtenus par distillation fractionnée d'un MEP de