Donnons un sens à l'innovation

  • Technologies agro-industrielles (TAI)

    L’activité de l’équipe TAI est con­sacrée à la maitrise des procédés d’extraction/purification et de con­ser­va­tion des agrores­sources et, en par­ti­c­uli­er, à la mise en œuvre de trans­for­ma­tions physiques non conventionnelles. 

    Présen­ta­tion

    Présentation

    L’ob­jec­tif de l’équipe TAI est con­sid­éré au tra­vers d’une approche mul­ti-échelle en y asso­ciant très claire­ment les aspects tech­nologiques. L’expérimentation et la mod­éli­sa­tion des phénomènes de trans­fert sont les out­ils indis­so­cia­bles mis en œuvre pour attein­dre cet objec­tif. L’approche macro­scopique est com­binée avec l’approche locale pour la com­préhen­sion des phénomènes. 

    Axes de recherche

    Axes de recherche

    L’équipe est struc­turée autour de 2 axes thématiques : 

    • Procédés d’extraction et de sépa­ra­tion des biomolécules,
    • Procédés émer­gents d’intensification des transferts.

    Procédés d’extraction et de séparation des biomolécules

    L’axe «Procédés d’extraction et de sépa­ra­tion des bio­molécules » com­prend 2 sous-axes : 1) l’extraction (sépa­ra­tion) liquide/solide et 2) l’extraction fine des bio­molécules à par­tir de matri­ces liq­uide ou solide.

    Le pre­mier sous-axe « Extrac­tion (sépa­ra­tion) liquide/solide » rassem­ble les procédés mécaniques du pres­sage (bet­ter­aves à sucre, pommes, raisin, graines oléagineuses, bio­masse,…) et de la fil­tra­tion-déshy­drata­tion des sus­pen­sions (sous-pro­duits des indus­tries ali­men­taires, boues indus­trielles,…). Par exem­ple, nous visons à amélior­er la théorie con­ven­tion­nelle de la fil­tra­tion en ten­ant en compte les phénomènes de redis­tri­b­u­tion de la pres­sion à l’interface entre le gâteau de fil­tra­tion et le media fil­trant ; nous cher­chons les méth­odes alter­na­tives de car­ac­téri­sa­tion physique des sédi­ments (déter­mi­na­tion de leur per­méa­bil­ité, com­press­ibil­ité) par des expéri­men­ta­tions sur une pho­to-cen­trifugeuse; nous dévelop­pons des mod­èles de pres­sage à par­tir des bio-solides. Le lien entre car­ac­téris­tiques physi­co-chim­iques, var­iétés et itinéraires cul­tur­aux de la matière pre­mière traitée et com­porte­ment au cours du procédé de pres­sage est égale­ment abor­dé. Nous étu­dions égale­ment la com­bi­nai­son des méth­odes clas­siques de la sépa­ra­tion liquide/solide avec les pré­traite­ments et tech­nolo­gies inno­vantes dévelop­pés dans l’axe 2. 

    Le deux­ième sous-axe « Extrac­tion fine des biomolécules » est apparu plus récem­ment. Dans cette thé­ma­tique, nous met­tons en œuvre des com­pé­tences sci­en­tifiques por­tant sur l’extraction des bio­molécules par solvants verts (eau, éthanol, …), sur les procédés mem­branaires (ultra- et nano-fil­tra­tions tan­gen­tielles et dynamiques), sur la cristalli­sa­tion et sur l’extraction par flu­ide super­cri­tique. La légitim­ité de cette activ­ité est claire­ment assise, car elle est très com­plé­men­taire de l’activité du pre­mier sous-axe iden­ti­fié dans notre équipe, et elle nous per­met de finalis­er notre démarche sci­en­tifique par une extrac­tion sélec­tive des bio­molécules d’intérêt.

    L’équipe s’intéresse ain­si à la fil­tra­tion dynamique et aux appli­ca­tions indus­trielles des mem­branes en agroal­i­men­taire (lait, huile), en biotech­nolo­gie (extrac­tion d’oligo et poly­sac­cha­rides à par­tir de moûts de fer­men­ta­tion) et aux traite­ments d’effluents (eaux de procédés, efflu­ents agri­coles, …).

    Notre activ­ité sur la cristalli­sa­tion a débutée en 2009. Un équipement de cristalli­sa­tion sous vide nous per­met de finalis­er nos actions pour obtenir des pro­duits fin­aux issus d’agro-ressources (par exem­ple, du sucre de bet­ter­aves traitées par une tech­nolo­gie de champs élec­triques pul­sés).

    Une nou­velle instal­la­tion d’extraction super­cri­tique est implan­tée au lab­o­ra­toire depuis juin 2010 pour com­pléter nos actions sur l’extraction fine des biomolécules. 

    Procédés émergents d’intensification des transferts

    L’axe « Procédés émer­gents d’intensification des trans­ferts » rassem­ble les con­nais­sances de notre équipe dans les domaines suivants :

    • Élec­trotech­nolo­gies : champs élec­triques pul­sés (CEP), décharges élec­triques (DE), chauffage ohmique (CO), élec­tro-osmose/élec­trophorèse (EO),
    • Oscil­la­tions mécaniques (ultra­sons, vibra­tions, pulsations),
    • Adju­vants chim­iques (floc­u­lants, dis­per­sants) et enzymatiques,
    • Homogénéi­sa­tion haute pression,
    • Ultrasons,
    • Microondes.

    En rup­ture avec les procédés de trans­fert tra­di­tion­nels (essen­tielle­ment avec les procédés extrac­t­ifs et séparat­ifs, mais aus­si avec cer­tains procédés ther­miques), l’équipe vise à pro­mou­voir les procédés alter­nat­ifs et inno­vants.

    L’originalité de la recherche de l’équipe TAI con­siste ain­si dans l’intégration des tech­nolo­gies émer­gentes pour la trans­for­ma­tion des agrores­sources et l’intensification des procédés agro-indus­triels.

    Exem­ples de procédés dévelop­pés : extrac­tion ou con­géla­tion améliorées par CEP ; ultra­fil­tra­tion dynamique ; déshy­drata­tion osmo­tique améliorée par chauffage ohmique, déshy­drata­tion des boues améliorée par élec­tro-osmose et dis­per­sants, etc. 

    Équipements

    Équipements

    Fer­men­ta­tion

    En micro­bi­olo­gie, la fer­men­ta­tion désigne les étapes de mul­ti­pli­ca­tion et de crois­sance cel­lu­laire. Cette opéra­tion peut avoir pour objec­tif la pro­duc­tion de bio­masse ou de métabo­lites d’intérêt. Les élec­trotech­nolo­gies (CEP et DEHT) trou­vent des appli­ca­tions liées à la fer­men­ta­tion et à dif­férents stades des opéra­tions de sépa­ra­tion des bio­molécules microbiennes.

    La stim­u­la­tion de la crois­sance de S. cere­visi­ae par l’application d’un CEP d’intensité mod­érée a été démon­trée à l’échelle du lab­o­ra­toire. Cette appli­ca­tion a pour objec­tif de rac­cour­cir les cycles de fer­men­ta­tion et aug­menter la pro­duc­tiv­ité des métabo­lites d’intérêt.

    Lorsqu’il est ques­tion de récupér­er des molécules d’intérêt, l’utilisation d’un champ élec­trique pul­sé per­me­t­trait une extrac­tion sélec­tive des métabo­lites intra­cel­lu­laires. Une alter­na­tive à cette tech­nique douce est la décharge élec­trique dans l’eau qui per­me­t­trait une extrac­tion inten­sive du con­tenu intracellulaire. 

    Fil­tra­tion

    His­torique­ment, les Champs Élec­triques Pul­sés (CEP), grâce au phénomène de l’électroporation, ont été le sujet de plusieurs appli­ca­tions en agroal­i­men­taire et en biolo­gie molécu­laire. Par exem­ple, ils sont util­isés pour la stéril­i­sa­tion à froid et l’intensification des procédés extrac­t­ifs. Ils favorisent égale­ment la fusion de cel­lules et l’insertion de molécules dans les tis­sus biologiques.

    En micro­bi­olo­gie, la fer­men­ta­tion désigne les étapes de mul­ti­pli­ca­tion et de crois­sance cel­lu­laire. Cette opéra­tion peut avoir pour objec­tif la pro­duc­tion de bio­masse ou de métabo­lites d’intérêt. Les élec­trotech­nolo­gies (CEP et DEHT) trou­vent des appli­ca­tions liées à la fer­men­ta­tion et à dif­férents stades des opéra­tions de sépa­ra­tion des bio­molécules microbiennes.

    Les mécan­ismes de la stim­u­la­tion de la crois­sance et de la lyse cel­lu­laire, ain­si que leurs paramètres asso­ciés font actuelle­ment l’objet de travaux de recherche dans notre équipe.

    La stim­u­la­tion de la crois­sance de S. cere­visi­ae par l’application d’un CEP d’intensité mod­érée a été démon­trée à l’échelle du lab­o­ra­toire. Cette appli­ca­tion a pour objec­tif de rac­cour­cir les cycles de fer­men­ta­tion et aug­menter la pro­duc­tiv­ité des métabo­lites d’intérêt.

    Lorsqu’il est ques­tion de récupér­er des molécules d’intérêt, l’utilisation d’un champ élec­trique pul­sé per­me­t­trait une extrac­tion sélec­tive des métabo­lites intra­cel­lu­laires. Une alter­na­tive à cette tech­nique douce est la décharge élec­trique dans l’eau qui per­me­t­trait une extrac­tion inten­sive du con­tenu intracellulaire. 

    Pres­sage

    Le pres­sage est une opéra­tion uni­taire pen­dant laque­lle­un liq­uide est séparé à par­tir d’un mélange solide-liq­uide par com­pres­sion mécanique. Il est très util­isé en indus­trie pour extraire le jus et les huiles végé­tales par­tir des matéri­aux cel­lu­laires. Notre lab­o­ra­toire est équipé de plusieurs press­es dis­con­tin­ues et con­tin­ues. Ces press­es sont util­isées pour étudi­er et opti­miser le pres­sage de nom­breux matéri­aux biologiques (graines oléagineuses, insectes, fruits, légumes, algues) pour extraire des com­posés d’intérêt (huiles, sucres, pro­téines, polyphénols, colorants). 

    Presse hydraulique

    La presse à plaque est com­posée d’une cham­bre de pres­sage de 200mm de diamètre et 400mm de hau­teur. La pres­sion est délivrée par un groupe hydraulique pou­vant appli­quer de 10 à 150bars. Une chaudière per­met de réguler la tem­péra­ture dans le pis­ton et la cham­bre de pres­sage et un logi­ciel d’acquisition enreg­istre les don­nées au cours du pres­sage (masse d’huile extraite, déplace­ment du pis­ton, force appliquée…). 

    Tex­tur­omètre

    Cette micro-presse est for­mée d’une cel­lule de pres­sage de 20.6mm équipée d’un sys­tème de régu­la­tion de la tem­péra­ture, et fixée à un tex­tur­omètre TA.HDi (Sta­ble Microsys­tems, U.K.). La force appliquée peut attein­dre 4905N (100 bars) et la vitesse de déplace­ment du pis­ton peut vari­er entre 0.01mm/s et 10mm/s. La force appliquée et le déplace­ment du pis­ton sont enreg­istrés en fonc­tion du temps par le logi­ciel d’acquisition.

    Rheomex 19/33 OS de Haake 

    Le HAAKE Rheomex lab est une extrudeuse mono-vis (1 kg/h) dédiée à l’analyse des pro­priétés rhéologiques et de trans­for­ma­tion de divers matéri­aux. Avec seule­ment un petit échan­til­lon, nous pou­vons simuler des proces­sus de pro­duc­tion et pro­duire des films ou des pro­fils pour des essais sup­plé­men­taires. Elle peut être util­isée pour une var­iété d’ap­pli­ca­tions, y com­pris le traite­ment de com­posés cri­tiques ther­miques, l’ex­tru­sion, le pres­sage et le développe­ment des nou­veaux pro­duits. L’ex­trudeuse est équipée d’un sys­tème de chauffage, de qua­tre cap­teurs de pres­sion et de qua­tre son­des de tem­péra­ture dis­posées le long du canon.

    Komet screw press

    La presse Komet est un pilote de presse à vis, pou­vant traiter jusqu’à 18 kg/h, selon le matéri­au util­isé et les paramètres de pres­sage. Elle se com­pose d’une vis de diamètre et pas con­stant et est équipée d’un sys­tème de chauffage. Dif­férentes con­fig­u­ra­tions de pres­sage sont pos­si­bles, en mod­i­fi­ant le four­reau et le diamètre de la fil­ière. Le logi­ciel d’acquisition enreg­istre les mass­es d’huile et de de gâteau au cours du temps, ain­si que la pres­sion dévelop­pée le long de la vis. 

    Reinartz AP 08 screw press 

    La presse Reinartz AP08 est un pilote de presse à vis (2–40 kg/h) util­isé pour le pres­sage à froid des pro­duits agri­coles et agro-ali­men­taires. Cette presse est équipée des cap­teurs de pres­sion et des son­des de tem­péra­ture dis­posées le long du four­reau. Les don­nées sont enreg­istrées via un logi­ciel d’acquisition. Cet équipement est conçu spé­ci­fique­ment pour le pres­sage des graines oléagineuses et per­met d’atteindre de ren­de­ments de pres­sage impor­tants (ren­de­ment en huile >90%) à froid. 

    Dif­fu­sion

    Ce dif­fuseur a été spé­ciale­ment con­stru­it (LANTERNE Claude S.A.S) pour men­er la dif­fu­sion à con­tre-courant qui est util­isée dans l’industrie sucrière. Il est équipé d’une dou­ble enveloppe pour main­tenir la tem­péra­ture, d’un cof­fret de régu­la­tion de la tem­péra­ture, de quinze paniers rétic­ulés pour le trans­port des cos­settes et d’une cel­lule isolée des autres sur­faces du dif­fuseur pour le traite­ment par le champ électrique. 

    Le dif­fuseur se com­pose de 14 sec­tions qui sont séparées par une dou­ble paroi pour assur­er le pas­sage de l’eau de haut en bas à tra­vers le panier des cos­settes. La capac­ité du dif­fuseur est de 7,2 kg de jus par heure et il traite 6 kg de pro­duit par heure. 

    Micro-ondes

    Con­traire­ment aux tech­niques clas­siques de chauffage par con­duc­tion ou con­vec­tion, l’utilisation des micro-ondes implique une inter­ac­tion directe entre un ray­on­nement élec­tro­mag­né­tique et la matière. 

    Le chauffage par micro-ondes d’un pro­duit résulte ain­si de la con­ver­sion en chaleur de l’énergie d’une onde élec­tro­mag­né­tique au sein de ce matéri­au. Ce trans­fert d’énergie par­ti­c­uli­er induit un trans­fert de matière lui aus­si par­ti­c­uli­er et dont les mécan­ismes dif­fèrent notable­ment de ceux de l’extraction solide-liq­uide traditionnelle.

    L’efficacité (en terme de ren­de­ment ou de ciné­tique d’extraction) et la sélec­tiv­ité (en terme de pureté des pro­duits) des procédés d’extraction assistée par micro-ondes sont un corol­laire de ces con­di­tions par­ti­c­ulières de trans­fert de matière et d’énergie.

    Les durées des procédés d’extraction assistée par micro-ondes sont en effet de l’ordre de quelques min­utes. Les ren­de­ments, dans la plu­part des cas, sont com­pa­ra­bles à ceux obtenus par les procédés tra­di­tion­nels d’extraction. Lorsqu’ils sont inférieurs, il s’agit le plus sou­vent d’une man­i­fes­ta­tion de la sélec­tiv­ité du procédé, con­duisant à une plus grande pureté des extraits. 

    Ultra­sons

    Les ultra­sons sont des ondes élas­tiques (ondes se propageant dans un milieu élas­tique ayant la capac­ité de se déformer) dont la fréquence est com­prise entre 15 kHz et quelques cen­taines de méga­hertz (MHz). Elles sont util­isées dans de nom­breuses appli­ca­tions, telles que l’homogénéisation, la dés­in­té­gra­tion, l’extraction, la cristalli­sa­tion, l’inactivation…

    L’équipe TAI est équipement d’un équipement ultra­sons UP400S (400 W, 24 kHz). L’appareil est adap­té pour les traite­ments ultra­sons en con­tinu (10 à 50 L/h) ou batch (5 à 4000 mL). L’équipe TAI a acquis une expéri­ence impor­tante dans la dés­in­té­gra­tion des struc­tures cel­lu­laires par ondes ultra­sonores pour l’extraction de com­posés intra-cel­lu­laires (pro­téines, polyphénols, chloro­phylles…) à par­tir de la bio­masse lig­no­cel­lu­losique (bois, tiges de colza…) et des microalgues. 

    CO2 super­cri­tique

    Un flu­ide est dit super­cri­tique lorsqu’il est placé dans des con­di­tions de tem­péra­ture et de pres­sion au-delà de son point cri­tique (Tc, Pc).

    La tech­nique du CO2 super­cri­tique utilise du gaz car­bonique (CO2) qui, à par­tir de cer­taines con­di­tions de pres­sion (7,38 MPa) et de tem­péra­ture (31,1 °C), se com­porte comme un solvant à l’état super­cri­tique. Cette tech­nique, con­nue depuis env­i­ron 30 ans dans l’industrie, présente de nom­breux intérêts. Elle per­met de tra­vailler à une tem­péra­ture mod­érée (à par­tir de 31°C), ce qui ne déna­ture pas les qual­ités organolep­tiques et les principes act­ifs de l’extrait obtenu. De plus, elle per­met d’obtenir des extraits exempts de tous résidus du solvant d’extraction. À la fin de l’extraction, par abaisse­ment de la pres­sion (phase de détente), on provoque le pas­sage du gaz car­bonique à l’état gazeux et le CO2 s’élimine tout seul de l’extrait sous pres­sion atmo­sphérique.

    La tech­nique du CO2 super­cri­tique présente un large spec­tre de poten­tial­ités dans de nom­breux domaines d’activités comme l’agro-alimentaire, la  phar­ma­cie, les matéri­aux, la chimie et la biochimie.

    Notre équipe dis­pose d’un équipement batch d’extraction par CO2 super­cri­tique (SEPAREX, France). Il per­met de tra­vailler dans une plage de tem­péra­ture et de pres­sion pou­vant aller jusqu’à 150 °C et 70 MPa, respec­tive­ment. Cet équipement per­met de tra­vailler selon trois configurations :

    - extrac­tion par CO2 super­cri­tique seul (SCE) : le pro­duit est placé dans un « panier » placé dans l’extracteur. Une pompe assure la cir­cu­la­tion du CO2 à l’état super­cri­tique. L’extrait (exem­ple : huile végé­tale) est alors dis­sout dans le CO2 sous forme de flu­ide. Le CO2 est ensuite ren­du à l’état gazeux et se sépare du com­posé extrait, avant d’être recy­clé pour être réutilisé;

    – pres­sage mécanique seul (MPE) : le pro­duit placé dans l’extracteur est com­primé par un pis­ton déplacé à l’aide d’une pompe hydraulique. L’extrait est alors récupéré en bas du pis­ton et son accu­mu­la­tion est suiv­ie au cours du temps;

    – pres­sage assisté par CO2 super­cri­tique (GAME) : les deux procédés décrits ci-dessus sont com­binés per­me­t­tant une extrac­tion, rapi­de et plus effi­cace ain­si qu’une util­i­sa­tion de CO2 beau­coup moins importante. 

    Procédés élec­trociné­tiques (élec­tro­fil­tra­tion, élec­trophorèse, électroosmose)

    Electrofiltration/Électrophorèse

    Principe

    L’électrofiltration est une méth­ode qui com­bine la fil­tra­tion et l’application d’un champ élec­trique. Lorsque le champ élec­trique est suff­isant, les par­tic­ules en sus­pen­sion générale­ment de charge néga­tive, migrent vers l’électrode chargée pos­i­tive­ment appelée anode. L’épaisseur du gâteau croît ain­si à l’anode. La sur­face de fil­tra­tion du côté de l’électrode chargée néga­tive­ment appelée cath­ode ne com­porte que peu de par­tic­ules. Ain­si, le pas­sage de l’eau est favorisé ren­dant la vitesse d’écoulement con­stante et supérieure à celle de la fil­tra­tion sans champ élec­trique. Quand la cham­bre de fil­tra­tion est rem­plie entière­ment (par accroisse­ment du gâteau de fil­tra­tion de l’anode vers la cath­ode), le procédé passe à l’étape de consolidation.

    Electro-déshydratation/Electroosmose

    Principe

    Le procédé d’électro-déshydratation con­siste à appli­quer un champ élec­trique pen­dant la phase de con­sol­i­da­tion du gâteau. Grâce aux liaisons visqueuses, le déplace­ment des ions entraîne l’eau, qui se trou­ve dans les pores du gâteau. Le flux élec­tro-osmo­tique est donc prin­ci­pale­ment dirigé vers l’électrode chargée néga­tive­ment appelée cath­ode. Dans les pores du gâteau, une force élec­tro-osmo­tique est créée qui est dirigée vers la cath­ode. Cette force induit une com­pres­sion sup­plé­men­taire qui améliore la déshydratation.

    D’après Citeau, 2012

    • Les avan­tages
      • réduire le temps de traite­ment classique
      • aug­menter la sic­c­ité des boues en sor­tie de traitement
      • réduire l’utilisation de pro­duits chimiques
    • Les champs d’application
      • procédés séparat­ifs solide/liquide (fil­tre presse, fil­tre à bande…) 
    Décharges élec­triques haute ten­sion (DEHT)

    Principe des DEHT

    Le principe des décharges élec­triques de haute ten­sion est basé sur le phénomène de rup­ture diélec­trique dans l’eau. L’application d’une ten­sion élevée entre deux élec­trodes per­met une accéléra­tion des élec­trons avec une énergie suff­isante pour exciter les molécules d’eau. La créa­tion d’un « stream­er » (avalanche d’élec­trons) qui se propage de l’électrode pos­i­tive vers l’électrode néga­tive a donc lieu. Lorsque le stream­er atteint l’élec­trode néga­tive, un claquage dans l’eau survient avec l’apparition d’un arc et d’une chute brusque de ten­sion. Le claquage ou rup­ture diélec­trique, provoque une cav­i­ta­tion des bulles, une tur­bu­lence du liq­uide, et des ondes de choc de haute ampli­tude de pres­sion. Ces divers phénomènes des DEHT résul­tent en une frag­men­ta­tion des par­tic­ules traitées et un endom­mage­ment de leurs struc­tures cel­lu­laires. La généra­tion d’une décharge élec­trique dans l’eau pro­duit égale­ment des rayons UV, des rayons IR et des espèces chim­iques actives (rad­i­caux H•, HO•, O•, O2•-, et le per­ox­yde d’hydrogène H2O2), des élec­trons haute­ment énergé­tiques et de l’ozone (O3).

    Avan­tage des DEHT

    Com­parées à d’autres tech­nolo­gies inno­vantes, comme les champs élec­triques pul­sés et les ultra­sons, les DEHT étaient les plus effi­caces quant à l’extraction de molécules d’intérêt de divers pro­duits étudiés. La tech­nique des DEHT présente l’avantage d’être ather­mique car l’augmentation de la tem­péra­ture durant le traite­ment reste inférieure à 10 °C. De même, c’est une méth­ode à économie de temps puisque les décharges sont appliquées sur de cour­tes durées, voire des microsec­on­des ou mil­lisec­on­des. Les décharges élec­triques sont par la suite peu coû­teuses en ter­mes d’énergie.

    Champs d’application des DEHT

    Ini­tiale­ment des­tinées aux appli­ca­tions mil­i­taires ou sci­en­tifiques de très fortes éner­gies, les décharges élec­triques peu­vent, main­tenant, être adap­tées à des appli­ca­tions civiles. Les DEHT ont des appli­ca­tions dans le domaine des lasers, des rayons X et des microon­des. Ils auront égale­ment des appli­ca­tions civiles telles que le traite­ment des gaz (NOx, SOx, dépous­siérage de fumée, etc.), des liq­uides (débac­téri­sa­tion, pas­teuri­sa­tion à froid, extrac­tion de com­posés cel­lu­laires, floc­u­la­tion de boues, etc.), et des solides (sépa­ra­tion puis con­cas­sage de déchets, réduc­tion en poudre de pro­duits, écroutage de béton, frit­tage de céramiques, etc.). Les DEHT sont égale­ment util­isées dans le domaine d’extraction de com­posés d’intérêts à par­tir de végétaux.

    Équipements avec leurs car­ac­téris­tiques et photos

    L’appareil expéri­men­tal est com­posé d’un généra­teur de haute ten­sion (Uni­ver­sité Poly­tech­nique de Tom­sk, Russie) relié à une cham­bre de traite­ment d’une capac­ité de 1 L. L’énergie élec­trique emma­gas­inée dans le con­den­sa­teur se décharge dans la cel­lule de traite­ment par l’intermédiaire de l’éclateur. Un claquage diélec­trique se pro­duit dans l’eau et génère ain­si la décharge élec­trique. Le con­den­sa­teur se recharge une nou­velle fois pour ensuite décharg­er son énergie dans la cel­lule. Le généra­teur (Fig­ure 1) peut fournir une ten­sion max­i­male de 40 kV pour un courant max­i­mal de 10 kA. Les impul­sions générées ont une durée d’environ 10 μs. La fréquence des impul­sions élec­triques, imposée par le généra­teur, est de 0,5 Hz. L’énergie moyenne d’une impul­sion élec­trique, fournie par le généra­teur, est de 160 J/impulsion.

    La cham­bre de traite­ment com­porte deux élec­trodes en aci­er inoxyd­able entre lesquelles est intro­duit le pro­duit (Fig­ure 2). La masse de pro­duit (inclu­ant le liq­uide) pou­vant être traité varie de 100 à 500 g. La pre­mière élec­trode pointe (10 mm de diamètre) est reliée au généra­teur ; la sec­onde, une élec­trode plane (35 mm de diamètre) est reliée à la terre. La dis­tance entre les élec­trodes peut vari­er de 2 à 10 mm. Le traite­ment élec­trique con­siste à appli­quer n impul­sions (ou n décharges élec­triques) dans un mélange de pro­duit et de liquide.

    Champs élec­triques pul­sés (CEP)

    Le traite­ment par champs élec­triques pul­sés est un traite­ment non-ther­mique sélec­tif de très courte durée, générale­ment de quelques microsec­on­des à quelques millisecondes.

    Le mécan­isme d’action des champs élec­triques pul­sés est basé sur la théorie de l’électrocompression de la mem­brane cel­lu­laire. Selon cette théorie, lorsque la cel­lule est placée dans un milieu extérieur, des charges de signes opposés appa­rais­sent de part et d’autre de la mem­brane cel­lu­laire. L’application d’un champ élec­trique pul­sé d’une inten­sité E engen­dre l’accumulation de charges sur les sur­faces mem­branaires, et l’augmentation du poten­tiel trans­mem­branaire de la mem­brane cel­lu­laire. L’attraction entre les charges de signes opposés accu­mulées de part et d’autre de la mem­brane cel­lu­laire provoque une com­pres­sion de cette dernière, une force élas­tique tend à s’opposer à cette élec­tro­com­pres­sion. Lorsque les champs élec­triques pul­sés appliqués dépassent une valeur cri­tique Ecr, la force élec­tro­com­pres­sive devient supérieure à la force élas­tique, on assiste alors à l’apparition de pores au niveau de la mem­brane cel­lu­laire, l’électroporation est sup­posée être encore réversible. Mais au-delà d’une inten­sité de champs élec­triques pul­sés encore plus grande, ain­si que pour de longues durées de traite­ment, on assiste à une inten­si­fi­ca­tion de la per­méa­bil­i­sa­tion et une destruc­tion irréversible de la mem­brane cel­lu­laire. Les champs élec­triques pul­sés peu­vent amélior­er con­sid­érable­ment l’efficacité des procédés et la qual­ité des pro­duits du fait de l’impact sur les mem­branes cellulaires

    Domaines d’application au sein du lab­o­ra­toire TAI:

    1- Com­préhen­sion des mécan­ismes d’électroporation : Développe­ment de mod­èles physiques/électriques à dif­férentes échelles (macro­scopique au microscopique)

    2- Aug­men­ta­tion des trans­ferts de matières, inten­si­fi­ca­tion des procédés

    • Inten­si­fi­ca­tion du pres­sage des jus à par­tir de divers­es matrice végé­tales (pommes, betteraves,…)
    • Inten­si­fi­ca­tion de l’extraction des bio­molécules pour la val­ori­sa­tion de divers­es matri­ces végé­tales (marc de raisin, résidu de l’industrie de la papeterie…)
    • Inten­si­fi­ca­tion du séchage (pomme de terre, bet­ter­ave rouge …)
    • Inten­si­fi­ca­tion de la con­géla­tion (pomme de terre…)
    • Amélio­ra­tion des procédés de fer­men­ta­tion (élec­tros­tim­u­la­tion des levures)

    Généra­teur lab­o­ra­toire de de champs élec­triques pul­sés (1.5 kV ; 20 A)

    Ce généra­teur de champs élec­triques pul­sés a été conçu par le ser­vice élec­tron­ique de l’Université de Tech­nolo­gie de Com­piègne (Com­piègne, France). L’appareil est cou­plé à une enceinte de pro­tec­tion et à un ordinateur.

    Ce généra­teur est équipé d’un inverseur d’impulsions qui change la polar­ité des trains après chaque série d’impulsions (train). L’utilisation de l’inverseur per­met d’éviter les phénomènes d’électrolyse pen­dant les traite­ments de longue durée à faible tension.

    Car­ac­téris­tiques du champ élec­trique fourni par le généra­teur 1.5 kV ; 20 A.

    Généra­teur pilote de champs élec­triques pul­sés 5 kV ; 1 kA

    Le généra­teur de champs élec­triques pul­sés a été conçu par la société Haze­mey­er (Saint Quentin, France) avec la par­tic­i­pa­tion de la région Picardie. Il s’agit d’un pilote délivrant une ten­sion et une inten­sité max­i­male de 5000 V et 1000 A respec­tive­ment. Ce généra­teur est con­trôlé par un poste de com­mande relié à une inter­face de con­trôle. Le poste de com­mande per­met de con­trôler et la masse et la tem­péra­ture grâce à un logi­ciel d’acquisition des données.

    Le sys­tème peut génér­er un nom­bre d’impulsions fini (entre 1 et 65000) ou bien infi­ni (généra­tion con­tin­ue) de forme rec­tan­gu­laires monopolaires.

    Car­ac­téris­tiques du champ élec­trique fourni par le généra­teur 5 kV ; 1 kA.

    Généra­teur de champs élec­triques pul­sés de haute ten­sion (40 kV ; 10 kA)

    Le généra­teur de haute ten­sion a été conçu et dévelop­pé par l’Université Poly­tech­nique de Tom­sk (Russie). Ce généra­teur peut fournir une puis­sance crête allant jusqu’à 4.105 kW. Ce généra­teur a été conçu ini­tiale­ment pour faire des traite­ments par décharge élec­trique de haute ten­sion (DEHT), mais il peut égale­ment servir de généra­teur de champs élec­triques pul­sés, avec des impul­sions expo­nen­tielles. L’énergie moyenne d’une impul­sion élec­trique, fournie par le généra­teur, est de 160 J/impulsion. La généra­tion d’impulsions avec une fréquence de 0,5 Hz, s’effectue grâce à deux con­den­sa­teurs en par­al­lèle. Un sys­tème d’acquisition des don­nées sous inter­face HPVEE 4.01 dévelop­pé par le Ser­vice Elec­tron­ique de l’UTC per­met de faire l’enregistrement du temps de traite­ment, la ten­sion et le courant ain­si que l’énergie con­som­mée lors des impulsions.

    Car­ac­téris­tiques du champ élec­trique fourni par le généra­teur 40 kV ; 10 kA.

    Généra­teur de chauffage ohmique et de champs élec­triques pul­sés 15kW (400 V ; 38 A)

    Ce généra­teur est util­isé pour deux appli­ca­tions dif­férentes ; le chauffage ohmique d’une part et les champs élec­triques pul­sés d’autre part.

    Il est capa­ble de génér­er un courant alter­natif impul­sion­nel d’intensité max­i­male de 38A (crête) et d’une ten­sion max­i­male de 400V (crête). Il four­nit des impul­sions rec­tan­gu­laires bipo­laires. Ce généra­teur est con­sti­tué d’une ali­men­ta­tion pro­gram­ma­ble 400V-38A (SORENSEN SGA) suiv­ie d’un sys­tème de « hachage » con­sti­tué prin­ci­pale­ment d’un pont de qua­tre tran­sis­tors IGBT (fonc­tion­nant en mode tout ou rien) dont le rôle est d’inverser péri­odique­ment le branche­ment de la charge aux bornes de l’alimentation et d’assurer la con­duc­tion pen­dant l’application des impul­sions. Un con­den­sa­teur élec­troly­tique, branché en par­al­lèle avec la sor­tie de l’alimentation con­stitue une réserve de charge qui per­met de ralen­tir les vari­a­tions de courant vu par l’alimentation et donc de réduire la baisse tran­si­toire de ten­sion au moment de chaque généra­tion d’impulsion.

    Car­ac­téris­tiques du champ élec­trique fourni par le généra­teur 400 V ; 38 kA.

    Parte­naires

    Partenaires

    Partenaires académiques nationaux

    • Uni­ver­sité Picardie Jules Verne
    • Uni­ver­sité d’Avignon
    • Uni­ver­sité de Bordeaux
    • Uni­ver­sité de Reims Champagne-Ardenne
    • Uni­ver­sité de Pau
    • AgroParis­Tech
    • Insti­tut Poly­tech­nique LaSalle Beauvais
    • École Supérieure d’Agriculture d’Angers
    • INRA de Montpellier
    • INRA d’Avignon
    • INRA de Rennes

    Partenaires académiques internationaux

    • Uni­ver­sité de Kiev (Ukraine)
    • Uni­ver­sité de Salerne (Ital­ie)
    • Uni­ver­sité de Llei­da (Espagne)
    • Uni­ver­sité de Valence (Espagne)
    • Uni­ver­sité de Ljubl­jana (Slovénie)
    • Uni­ver­si­dade Fed­er­al do Rio Grande do Sul (Brésil)
    • École Nationale d’Ingénieurs de Sfax (Tunisie)
    • Uni­ver­sité Saint-Joseph (Liban)
    • Insti­tute of Process Engi­neer­ing (Bei­jing, Chine)
    • Uni­ver­sité de Tech­nolo­gie de Dalian (chine)
    • Uni­ver­sité Catholique de Lou­vain (Bel­gique)

    Partenaires industriels

    • Veo­lia
    • Suez-Lyon­naise des Eaux
    • Bon­du­elle
    • Rho­dia
    • Tere­os
    • Basis
    • Haze­mey­er
    • Maguin
    • Hui­leries Vandeputte
    • Sofral­ab
    • Choquenet
    • Flo­erg­er
    • Orélis-Tech­sep
    • Soliance
    • Laboulet
    • Linéa
    • CIMS
    • ITERG
    • CETIOM
    • CVG
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