LES ELEMENTS DE CONCEPTION D’UNE UNITE DE DISTILLATION SOUS-PRESSION

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L’extraction par des solvants organiques

Elle est utilisée pour les matières végétales renfermant une très faible quantité de composants aromatiques. Le rendement est souvent faible et peu rentable sans rapport olfactif avec le végétal d’origine.

Le solvant est mélangé avec la matière végétale. Onobtient après dissolution et filtration des substances grasses.

Les solvants présentent souvent des contraintes diverses : ils doivent avoir une bonne sélectivité, une température d’ébullition relativement basse, être chimiquement inertes, non toxiques, inflammables et aussi de coût abordab le. Le procède exige de se limiter principalement à des solvants dont l’élimination est relativement simple et facile après extraction sinon présence de traces résiduelles dans l’extrait final, en contradiction avec les normes alimentaires existantes et/ou futures.

Energétiquement économe, techniquement flexible et d’application simple, le procédé a souvent des impacts négatifs aux niveaux hygiénique et environnemental.

On utilise habituellement comme solvants : l’hexane (éther de pétrole), l’éthanol, l’acétone, les polychloromethanes et éthane.

Notons que cette méthode a remplacé l’extraction par des paraffines.

L’extraction au CO2 supercritique

Les fluides supercritiques comme le CO2 se caractérisent par leur grande diffusivité, leur faible masse volumique, leur viscosité nettement plus réduite et une sélectivité relativement plus importante. Poussé àhaute pression et haute température, le CO2 acquiert des caractéristiques nouvelles : la même viscosité que l’eau et vitesse de diffusion aussi rapide que celle d’un gaz. En contact avec les végétaux dans le réacteur, il entraîne de façon sélective les aromes.

Ayant une température d’ébullition sous la pression atmosphérique rend la séparation finale solvant – extrait plus simple.

Aussi, généralement on obtient des huiles ayant plutôt l’aspect cireux et visqueux des concrètes.

Toutefois, le coût de fonctionnement et de l’installation est élevé et fait que le procédé reste réservé à une gamme limitée de produits. L’extrait obtenu est de haute qualité.

AVANTAGES DE LA DISTILLATION PAR PASSAGE DE VAPEUR

Le procédé présente plusieurs avantages :

– permet d’empêcher le « coup de feu »

– donne une énergie rentable et une bonne qualité d’huile

– possibilité de faire varier la pression de vapeur, ce qui est nécessaire pour l’expérimentation ultérieure sur le traitementpar D.I.C.

La basse pression étant utilisée pour les huiles à substances volatiles et la haute pression pour celles à substances peu volatiles ou qui libèrent mal leurs huiles essentielle (exemples : sesquiterpènes, gingembres,…).

ACTION DE LA VAPEUR D’EAU LORS DE L’EXTRACTION

La vapeur d’eau agit avec la plante, pour extraire l’huile essentielle, à l’intérieure des membranes cellulaires. Ces cellules sont localisées dans le parenchyme au voisinage des grandes lacunes.

Au contact de la vapeur, les cellules végétales s’éclatent et libèrent leurs substances aromatiques qui seront entraînées vers le condenseur. Le mélange est volatil à une température inférieure à 100[°C] et à cause de cela, il est distillé avec la vapeur pour être condensé.

LA D.I.C. (DETENTE INSTANTANEE CONTROLEE)

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

La D.I.C. est une technologie de traitement thermomécanique. Elle consiste à soumettre, pendant quelques secondes, les produits à traiter à une température inférieure à 200[°C] pour éviter le cuisson et préserver la texture, sous une pression allant de 5 à 20[bars] maximum. Ils sont refroidis très rapidement par passage à une basse pression brusque d’ordre d’une dizaine de mbars.

Ce refroidissement par détente rapide entraîne uneauto vaporisation instantanée d’une partie de l’eau contenue dans les produits.

DOMAINES D’APPLICATION

Les champs d’application de la technologie D.I.C., même si elle est assez récente, sont très élargis.

Application au séchage

Pour les fruits et légumes même les plus thermosen sibles. Elle permet d’obtenir de faible humidité résiduelle, une forte capacité de réhydratation et aussi la diminution de la charge bactérienne.

Application à la débacterisation

La D.I.C. effectue un traitement de type U.H.T., applicable aux produits solides ou en morceaux. La saveur et la texture étant encore bien conservées.

Application à l’extraction des huiles aromat iques

A partir d’herbes aromatiques, la D.I.C. peut être appliquée pour l’extraction d’huiles essentielles. On n’a pas besoin de broyage préalable des produits à distiller ni d’utiliser des solvants.

LES AVANTAGES

– Elle permet d’obtenir des produits de qualité comparable aux aliments lyophilisés avec un coût inférieur au séchage à air chaud.

– Elle réduit le coût de production par la rapidité du traitement, inférieure à la minute.

– Amélioration de la qualité des produits en séchage grâce à une opération de séchage réduite de moitié lorsque celle-ci est couplée avec la D.I.C.

– Le procédé émet moins de rejet pour l’environnement.

GENERALITE

Une substance peut se présenter sous plusieurs formes distinctes dans certaines conditions de température et de pression. Pour les substances pures, il existe trois phases : solide – liquide – vapeur .

DEFINITION

La vapeur d’eau est l’état gazeux de l’eau. Cet état est acquit dans des conditions de température et de pression bien définies, c’est-à-dire, au-dessus de son point d’ébullition.

On distingue 2 sortes de vapeur :

– la vapeur sèche : la vapeur se trouve dans des conditions différentes

des celles du changement d’état. Elle peut être assimilée à un gaz car elle suit la loi de MARIOTTE.

– la vapeur saturante : une vapeur en équilibre avec le liquide est appelée vapeur saturante. La pression qui règne dans l’enceinte lors de l’ébullition est désigné sous le nom de » pression de vapeur saturante » notée Ps

MECANISME DE L’EBULLITION DE L’EAU [10]

L’ébullition est le changement de phase liquide → gaz qui se produit à une interface solide → liquide. La température d’ébullition d’un liquidepur est telle que la pression maximale correspondante de la vapeur est égale à la pression qui s’exerce sur le liquide. L’ébullition peut se manifester sous deux aspects :

– l’ébullition nucléée les: flux de chaleur sont modérés. Le processus se caractérise par la formation de bulles de vapeur qui se grossissent puis se détachent de la surface et sont remplacées par du liquide. Leur dynamique est conditionnée en particulier par la tension superficielle du liquide.

– l’ébullition en film : à partir d’un flux de chaleur critique, la formation de vapeur est suffisamment rapide pour qu’un film de vapeur sépare en permanence la paroi du liquide. Ce flux critique dépend lui aussi de la tension superficielle.

L’ébullition nucléée constitue en principe le régime le plus favorable, du fait que les mouvements engendrés par les bulles provoquent un brassage du liquide et un accroissement du coefficient d’échange. Dans l’ébullition en film, la couche de vapeur est à l’origine d’une résistance thermique supplémentaire.

LES BUTS D’UTILISATION DE LA VAPEUR D’EAU [17]

Les chauffages effectués à la vapeur se rattachent en général aux quatre catégories suivantes :

– chauffage à but physique : pour évaporer, sécher et distiller

– chauffage à but chimique : pour augmenter les vitesses de réaction

– chauffage à but biologique : pour la pasteurisation et la stérilisation

– chauffage à but physiologique : pour le chauffage des locaux

Dans notre cas, c’est la vapeur qui va agir sur les produits à distiller, donc, son utilisation est à but physique.

Notons aussi qu’elle est utilisée dans la production d’énergie et dans de nombreux procédés industriels.

LA CONDENSATION DE LA VAPEUR D’EAU [16]

La condensation est une des parties d’échanges de chaleur avec changement d’état physique du fluide convecteur.

La vapeur se transforme en liquide. Ce changement d’état physique se fait si la température de la surface sur laquelle a lieu la condensation est inférieure à la température de saturation de la vapeur saturante et ce, sous la pression à laquelle elle se fait.

La condensation de la vapeur au contact d’une surface peut se faire selon trois manières :

– condensation morte : c’est lorsque la condensation se fait sur une surface horizontale (sans écoulement du condensât).

– condensation en film : la condensation se fait au contact d’une surface plane verticale ou inclinée d’un angle par rapport à la verticale. Il se produit sur la

surface d’échange un film liquide qui s’écoule le ongl de cette surface sous l’impulsion de la force de gravité.

– condensation en gouttelettes : les gouttelettes de condensation prennent naissance sur la paroi d’échange, augmentent de volume jusqu’à ce que les forces de gravité les détachent du point de condensation. Elle est lieu lorsque la surface est verticale ou inclinée, il y a accumulation du condensât sans être évacuée et au bout d’un certain temps, on assiste à une condensation morte.

Les conditions pour réaliser une telle condensation sont fonction de trois tensions superficielles :

– entre condensât – paroi

– entre condensât – vapeur

– entre paroi – vapeur.

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Table des matières

Introduction
PARTIE 1 : GENERALITES
Chapitre I : LA DISTILLATION
1.1. Définition
1.1.1. La distillation
1.1.2. Plantes aromatiques
1.1.3. Huiles essentielles et extraits
1.1.4. Concrètes et absolues
1.1.5. Oléorésines
1.2. Principe
1.2.1. La distillation dans l’eau
1.2.2. La distillation par passage de vapeur : à la vapeur saturée – à la vapeur directe saturée ou surchauffée
1.2.3. L’extraction par des paraffines
1.2.4. L’extraction par des solvants organiques
1.2.5. L’extraction au CO2 supercritique
1.3. Avantages de la distillation par passage de vapeur
1.4. Action de la vapeur d’eau lors de l’extraction
Chapitre II : LA D.I.C (DETENTE INSTANTANEE CONTROLEE)
2.1. Principe de fonctionnement
2.2. Domaine d’application
2.2.1. Application au séchage
2.2.2. Application à la débactérisation
2.2.3 Application à l’extraction des huiles aromatiques
2.3. Les avantages
Chapitre III : LA VAPEUR D’EAU
Généralités
3.1. Définition : vapeur sèche – vapeur saturante
3.2. Mécanisme de l’ébullition de l’eau : ébullition nucléée –
ébullition en film
3.3. Les buts d‘utilisation de la vapeur d’eau
3.4. La condensation de la vapeur d’eau : condensation morte –
condensation en film – condensation en gouttelettes
PARTIE 2 : LES ELEMENTS DE CONCEPTION D’UNE UNITE DE DISTILLATION SOUS-PRESSION
Introduction
Chapitre IV : MECANIQUE DES FLUIDES
4.1. Les fluides
4.1.1. Définition : fluide parfait
4.1.2. Propriétés physiques : compressibilité – viscosité
4.1.3. Écoulement des fluides
4.1.4. Pertes de charges : linéaire – singulière
Chap. V : TRANSFERT DE CHALEUR
5.1. Définitions
5.1.1. Flux de chaleur
5.1.2. Formule de NEWTON relative à des parois cylindriques
5.1.3. Coefficient d’encrassement
5.2. La conduction
5.2.1. Définition
5.2.2. Flux de chaleur transmis par conduction : à travers un corps cylindrique creux
5.3. La convection : convection libre – convection forcée
5.3.1. Les nombres sans dimensions
5.3.2. Le coefficient d’échange thermique h par convection
5.3.3. Convection forcée
5.3.4. Convection libre
5.4. Le rayonnement
5.4.1 Echange de chaleur entre deux surfaces grises
5.4.2. Flux de chaleur transporté d’un corps (1) au corps (2)
Chapitre VI : RESISTANCE DES MATERIAUX
6.1. Enveloppes minces
6.1.1. Définition
6.1.2. Les contraintes subies par une enveloppe mince soumise à une pression interne – Equation de LAPLACE
6.2. Application de l’équation de LAPLACE
6.2.1. Récipient sphérique
6.2.2. Réservoir conique
6.2.3. Enveloppe cylindrique – Tubes minces
6.2.4. Conditions de résistance
6.3. Vérification
Chapitre VII : LE CONDENSEUR
7.1. Généralités : condenseurs par surfaces – condenseurs par Mélange
7.2. Conception du condenseur
7.2.1. Evolution des températures le long du condenseur
7.2.2. Evaluation du coefficient d’échange thermique global
7.2.3. Surface d’échange total et forme du condenseur
PARTIE 3 : EXPERIMENTATION
Chapitre VIII : L’EXPERIMENTATION
8.1. Caractéristiques de l’unité d’expérimentation
8.1.1. La chaudière
8.1.2. Le réacteur
8.1.3. Le condenseur
8.2. Le produit à expérimenter : le ravintsara
8.3. Mode opératoire
8.4. Mesures obtenues
8.5. Courbes des HE
8.6. Evaluation énergétique
8.6.1. Evolution de la pression dans la chaudière
8.6.2. La quantité d’énergie consommée
8.7. Comparaison avec les résultats des autres procédés d’extraction
8.8. Analyse du produit obtenu
8.8.1. La technique chromatographique
8.8.2. Les composés de l’HE obtenu
8.8.3. Chromatographie de l’analyse
8.8.4. Normalisation des HE
8.9. Conclusion de l’expérimentation
8.9.1. Avantages
8.9.2. Inconvénients
PARTIE IV : ETUDES ECONOMIQUES ET IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
Chapitre IX : ETUDE DE RENTABILITE D’UNE UNITE D’EXTRACTION PAR D.I.C
9.1. Coûts globaux des appareillages
9.1.1. L’alambic
9.1.2. Le condenseur
9.1.3. La chaudière
9.1.4. Séparateur d’huile
9.1.5. Coût total des appareillages
9.1.6. Coût d’extraction
9.2. Etude de faisabilité
9.2.1. Le cash-flow brut annuel
9.2.2. Grandeurs caractéristiques de gestion dans cinq ans
9.3. Rentabilité du projet
9.3.1. Le temps de remboursement ou POT
9.3.2. Rentabilité globale
9.3.3. Le taux de rentabilité interne (TRI)
Chapitre X : ETUDE DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
Introduction
10.1. Les contraintes environnementales
10.1.1. Besoins et rejets d’une distillerie d’HE
10.1.2. Mesures et contrôles des matières polluantes en agroindustries
10.2. Les impacts économiques et sociaux
Conclusion
Annexes
Bibliographies