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Des techniques au service de la chimie verte

Par Marie-Andrée Sirvain, ingénieur d'études à l'IFTS
Des techniques au service de la chimie verte

Marie-Andrée Sirvain, ingénieur d'études à l'IFTS

© © IFTS

Le développement durable doit répondre aux besoins des générations présentes sans altérer le « capital » qui sera légué aux générations futures. Comme tous les secteurs d'activités, la fabrication de produits chimiques et le traitement et l'épuration des eaux sont concernés.

Un séminaire sur le développement durable organisé par l'IFTS fin 2009 a été l'occasion d'aborder l'implication dans la chimie verte des séparations liquides-solides (SLS).

Douze principes ont été proposés par P.T. Anastas et J.C. Warner dès 1998 pour décrire les intentions de la chimie verte qui prônent un retour aux ressources non fossiles, aux procédés économes et la réduction des émissions de CO2, des risques pour les travailleurs. Les SLS ont des atouts pour appliquer presque tous ces principes, mais aussi des limites à leur mise en service.

1- Elles préviennent la pollution à la source car les SLS traitent le mélange réactionnel au sortir du réacteur, ou les sous-produits pour les concentrer, les recycler et produire moins de résidus. Certaines des SLS n'utilisent pas de produits consommables et évitent le déchet à venir.

2- Pour réduire l'emploi de substances toxiques, de solvants, de produits organiques, les SLS permettent d'éviter l'extraction liquide-liquide avec des solvants, peuvent fractionner les molécules, les substances d'un mélange.

3- Les SLS sont des séparations douces qui mettent en œuvre des niveaux de pression faibles et consomment peu d'énergie, contrairement aux évaporations, distillations, extractions aux fluides supercritiques. Pour les SLS les plus énergivores (centrifugation, nanofiltration, osmose inverse sur membrane de solutions concentrées), des développements techniques limitent cette consommation (échangeur de pression, recyclage de l'énergie de freinage). Les SLS développent aussi des couplages dans des séparations assistées pour simplifier les procédés et augmenter la productivité.

4- De par la diversité des technologies, les SLS et les séparations sur membranes peuvent fractionner tous produits biologiques, végétaux, issus des biotechnologies qu'ils soient solides ou sous forme de molécules déjà présentes dans le mélange ou libérées du solide qui les porte. Elles se placent en amont d'opérations de transformation (up-stream) ou en aval pour l'extraction et la purification des composés nobles (down-stream).

5- Ces technologies sont proposées sous forme de diverses machines aux conditions de fonctionnement calées au juste nécessaire pour le procédé industriel et les fonctions à conduire : séparations gravitaires, sous vide, sous pression, centrifuges, clarification grossière ou plus poussée, rétention de beaucoup de particules ou de toutes, de quelques ou de toutes les molécules, lavage, déshydratation poussée de la fraction solide.

6- Les SLS sont utilisées pour des réactions catalytiques, couplées au bioréacteur agité pour la bioproduction ou la biodégradation (épuration de l'eau). Avec le milieu biologique plus concentré, la vitesse de réaction est souvent plus forte, ce qui augmente la productivité. Le milieu filtrant peut immobiliser l'enzyme ou le catalyseur. Il devient le siège de la réaction et facilite l'extraction des diverses molécules, substrats, produits. Le choix des techniques séparatives associées aux autres étapes du procédé réduit souvent la complexité de la filière complète.

7- Les opérations de SLS utilisent peu de matières non fossiles hormis les adjuvants de filtration (dérivés d'amidon, de cellulose), qui sont eux, des produits biosourcés, biodégradables, compostables, ce qui lève la contrainte de leur dégradation finale.

8- La surveillance et le contrôle en temps réel et en cours de production sont faisables pour les opérations de SLS ou membranaires grâce aux suivis des paramètres masse, pression, couple, puretés... dans le temps et aux automatismes conçus avec ces données et les résultats de recherche qui permettent de simuler ces procédés.

9- Les SLS développent peu de risques. Les pressions liquides sont faibles (régulièrement moins de 3-5 bar). La centrifugation concerne des machines tournantes où les vibrations et les balourds sont des éléments connus et maîtrisés dans ces technologies largement matures. Les SLS mettent en œuvre des équipements étanches, confinés, stérilisables ou inertables qui empêchent les fuites, protègent les personnels et contrôlent l'environnement dans les ateliers.

10- Les bases théoriques des SLS sont largement diffusées, sont développées dans les moyens expérimentaux pour qualifier la productivité et les performances qu'elles peuvent atteindre sans nécessiter d'outils industriels ni mettre en œuvre des essais à grande échelle : bancs d'essais et protocoles normalisés de décantation, de centrifugation, de filtration, de séparation membranaire.

La démarche pour le choix de la technique de séparation, de la technologie la mieux adaptée et des conditions de fonctionnement juste nécessaires pour atteindre l'objectif recherché, s'appuie sur la norme NF X 45-600. Sans disposer d'un système expert détaillé et exhaustif, elle est simple à mener si on dispose de moyens expérimentaux comme ceux présents à l'IFTS.

En menant des essais à l'échelle du laboratoire, selon des protocoles souvent normalisés, on qualifie les propriétés physico-chimiques intrinsèques du produit réel industriel, et les propriétés comportementales de la suspension qui renseignent sur les aptitudes à sa décantation, sa centrifugation, sa filtration selon le domaine dimensionnel des particules et des molécules, sa déshydratation mécanique sous pression, un conditionnement chimique qui rend possible une séparation ou l'accélère considérablement.

Les données issues de ces tests qualifient la faisabilité d'une séparation et définissent les conditions à mettre en œuvre pour une opération industrielle (prédimensionnement de la machine et de ses paramètres de fonctionnement). On peut déjà optimiser les conditions de fonctionnement pour : maximiser la production, la qualité des fractions produites ; réduire les pertes de produit, la consommation d'énergie, de réactifs, d'utilités ; limiter les effluents à épurer, les sous-produits ou déjà envisager leur valorisation.

Les limites des SLS

Mais des éléments de la construction et d'exploitation des équipements de SLS sont contraires aux principes de la chimie verte car leurs matériaux de construction ou les produits nécessaires (réactifs, floculants, détergents, milieux filtrants) sont rarement biosourcés et renouvelables, mais métalliques, plastiques... De plus, les procédés de fabrication des produits et des équipements de SLS et les opérations de SLS (surtout la centrifugation, la nanofiltration, l'osmose inverse, la filtration tangentielle) demandent de l'énergie, et de l'eau souvent purifiée.

La fin de vie des machines et des média filtrants devra mettre en œuvre le tri des matériaux pour leur valorisation. La déconstruction n'est pas intégrée, à ce jour, dès leur conception. Paradoxalement, le caractère usage unique qui se conçoit de manière négative pour beaucoup de produits, est jugé positif pour les filtres (cartouches ou capsules) proposés récemment pour la production pharmaceutique. Ces filtres s'emploient directement, évitent la stérilisation, le nettoyage préalable en limitant les effluents à épurer.

Depuis la Directive IPPC (Prévention et Réduction Intégrées de la Pollution) 96-61-CE 24 septembre 96 en vigueur depuis le 30 octobre 99, toutes les installations nouvelles doivent utiliser les Meilleures Techniques Disponibles (MTD) et l'énergie de manière rationnelle. Pour chacun des grands domaines de l'industrie, on dispose de documents, les BREF (Best available techniques REFerence document)* qui décrivent les filières par produits ou par familles de produits ou d'opérations. Les SLS y sont largement citées prouvant leur caractère incontournable dans les productions industrielles, la prévention de la pollution et la dépollution.

Comme produits biosourcés renouvelables utilisés en filtration, les adjuvants organiques cellulosiques sont consommés en moindre quantité que des adjuvants siliceux, en filtration sur précouche (parfois de 22 % (piscine), 35 % (liquide de coupe) ou de 42 % (édulcorant)) ou pour le nourrissage (parfois de 30 % (huile), 44 % (cidre)) sans diminuer le volume clarifié par cycle et parfois même en l'augmentant sensiblement de 66 %(décirage d'huile) ou de 133 % (eau de piscine). Les quantités de gâteaux de filtration sont alors réduites (moins de déchets produits) ou plus concentrées en matières retenues et valorisables en énergie (matières organiques à brûler sans cendres, à méthaniser pour produire du biogaz) ou pour leur composition (production d'aliments pour animaux, recyclage de métaux). Les gâteaux d'adjuvants de filtration organiques sont biodégradables, compostables.

Autres produits utilisés pour la purification de liquides et de gaz, des charbons actifs sont produits à partir de déchets de scierie et de bois d'éclaircies coupés pour entretenir la forêt. On valorise ainsi des sous-produits. Deux unités d'activation, l'une thermique excédentaire en énergie, l'autre chimique consommant de l'énergie se complètent sur un même site de production. Ces charbons actifs, macroporeux, adsorbent des colorants de grande taille moléculaire en utilisant des masses moins importantes qu'avec des charbons actifs conventionnels. La régénération de ce charbon plus friable produit un charbon en poudre pour une nouvelle adsorption.

*BREF : http://eippcb.jrc.es/pages/FActivities.htm

http://aida.ineris.fr/bref/sommaire.htm

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