Extraction de composés phénoliques à partir d'une bio-huile de lignine

328 Pages·2017·7.15 MB·French

by  Laëtitia Cesari

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Ecole Doctorale RP2E : Ressources, Procédés, Produits, Environnement

Thèse
Présentée pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Université de Lorraine

Spécialité Génie des Procédés et des Produits
par
Laëtitia Cesari

Extraction de composés phénoliques à partir
d’une bio-huile de lignine

Soutenue publiquement le 09 Octobre 2017 devant la commission d’examen :

Membres du jury :
Pr Christophe Coquelet (Mines de Paris CTP, rapporteur)
Dr Ilham Mokbel (Université de Lyon LMI, rapporteur)
Pr Nicolas Brosse (Université de Lorraine LERMAB, examinateur)
Pr Olivier Dangles (Université d’Avignon et des pays du Vaucluse INRA, examinateur)
Dr Fabrice Mutelet (Université de Lorraine LRGP, directeur de thèse)
Dr Laetitia L.S. Canabady-Rochelle (CNRS LRGP, co-directrice de thèse)

Membres invités :
Dr Mohammed Bouroukba (Université de Lorraine LRGP)
Dr Anthony Dufour (CNRS LRGP)

Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP)

1 rue Grandville, 54000 Nancy, France

Remerciements

Ce travail a été réalisé au Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP-UMR 7274
CNRS) à Nancy et je tiens à remercier Monsieur Laurent Falk pour m’avoir accueilli dans ce
laboratoire.
Ma gratitude va en tout premier lieu à mon directeur de thèse monsieur Fabrice Mutelet. Je
n’oublierai jamais la confiance sans faille qu’il m’a accordée pendant ces trois années, ainsi
que sa gentillesse, sa disponibilité, son écoute et ses conseils tant sur le plan scientifique et
intellectuel que sur le plan humain.
Je tiens à remercier chaleureusement ma co-directrice de thèse madame Laetitia Canabady-
Rochelle pour son soutien, ses conseils et sa contribution au bon déroulement de cette thèse.
Que monsieur Christophe Coquelet et madame Ilham Mokbel trouvent ici l’expression de ma
sincère reconnaissance pour avoir accepté de juger ce travail en tant que rapporteur. Leur
présence dans le jury m’honore. De plus, je tiens également à remercier messieurs Nicolas
Brosse et Olivier Dangles qui ont accepté de faire partie du jury en tant qu’examinateurs.
J’adresse mes vifs remerciements à messieurs Mohammed Bouroukba et Anthony Dufour pour
leur aide et leurs conseils ainsi que nos nombreuses discussions scientifiques. Je les remercie
également d’avoir accepté l’invitation à participer à ma soutenance.
J’adresse également ma gratitude à messieurs Yann Lebrech et Dominique Petitjean pour leur
écoute et leurs conseils avisés. Que messieurs Steve Pontvianne et Emilien Girot trouvent
également l’expression de ma sincère reconnaissance pour leur aide et leur grande disponibilité.
Je remercie aussi l’ensemble de l’équipe ThermE pour m’avoir accueillie et intégrée : Jean-
Noël Jaubert, Romain Privat, Roland Solimando, Michel Dirand, Dominique Alonso, Viviane
Renaudin, Jean-Charles Moise, Patrick Carré et Nathalie Hubert. Je pense également à mes
collègues plus ou moins étudiants maintenant : Xiaochun « Peter » Xu, Vincent Plee, El
Shaimaa Abumandour, Amal Ayad, Silvia Lasala, Mathieu Furet, Aurélien Allys, Airy Tilland,
Lubin de Beauchene, Etienne Berger, Quentin Ribeyre et Kevin Villeneuve.
Un grand merci à l’ensemble des thésards restants : Sylvain Namysl, Nicolas Vin, Mathieu
« Papy » Château, Jean-Patrick Barbé, Charlotte Godoy, Audrey Santandréa et aux membres
du bureau des jeunes chercheurs : Lucie Barbier, Zeinab Chour, Daniela Florez, Mathilde
Guilpain, Edouard Moine, Simon Picaud-Vannereux et Assia Saker. Je vous souhaite à tous
bon courage !
J’adresse également mes vifs remerciements à l’ensemble des personnes de l’IUT Nancy-
Brabois pour leur confiance et leur gentillesse. Grâce à vous, j’ai découvert les joies de
l’enseignement et je vous en remercie. Je remercie également l’ensemble du LRGP que j’ai
côtoyé pendant ces trois années et qui, d’une manière ou d’une autre, a eu une influence sur ce
projet de thèse.
Je ne saurais terminer ces remerciements sans penser également à mes amis et à ma famille qui,
de près ou de loin, ont contribué à celle que je suis devenue.
Tout d’abord à mes parents, qui m’ont toujours dit que je réussirai ce que j’entreprends, quelque
en soit le projet. Votre amour et votre confiance ont toujours été sans faille.
Ensuite à mes frères qui, quoi que je fasse, me verront toujours comme leur petite sœur et me
permettent de garder cette âme d’enfant.
A ma « happy family », qui demeure malgré la distance et le temps qui passe !
A mes futurs beaux-parents, qui m’ont acceptée telle que je suis et me confère le même soutien
qu’à leur fils.
A Maxwell, qui a jugé qu’être réveillée dès potron-minet était le meilleur moyen de commencer
la journée.
Enfin, et le plus important, je souhaite remercier de tout mon cœur mon collègue, ami et conjoint
Yohann Le Guennec qui a toujours su trouver les mots et faire en sorte que je me dépasse
chaque jour un peu plus. Pour cela et pour tout le reste, je souhaite te dédier cette thèse.
Tables des matières
Table des matières
Liste des figures ........................................................................................................................ vi
Liste des tableaux .................................................................................................................... viii
Introduction ................................................................................................................................ 1
Chapitre I : Etude bibliographique ............................................................................................. 5
I-1. Contexte et enjeux environnementaux ............................................................................. 5
I-2. La biomasse lignocellulosique ......................................................................................... 7
I-2.1. Composition de la biomasse ...................................................................................... 7
I-2.2. Prétraitement de la lignine ....................................................................................... 11
I-2.3. Valorisation de la lignine ........................................................................................ 13
I-2.4. Production de bio-huile issue de la lignine ............................................................. 14
I-2.5. Mécanismes réactionnels rencontrés lors de la pyrolyse ........................................ 15
I-2.6. Composition des bio-huiles ..................................................................................... 17
I-3. Extraction de composés à forte valeur ajoutée présents dans une bio-huile .................. 21
I-3.1. Procédés d’extraction .............................................................................................. 21
I-3.2. Vers de nouveaux milieux extractifs : les liquides ioniques ................................... 26
I-3.3. Etude microscopique et macroscopique des systèmes clés rencontrés dans le
procédé d’extraction .......................................................................................................... 28
I-4. Valorisation des composés phénoliques ........................................................................ 33
I-5. Description des prochains chapitres ............................................................................... 36
Références bibliographiques ................................................................................................. 38
Chapter II: Computational study on the molecular conformations of phenolic compounds.... 49
Résumé ................................................................................................................................. 49
Abstract ................................................................................................................................. 50
II-1. Introduction .................................................................................................................. 51
II-2. Computational methods ................................................................................................ 53
II-3. Results and discussion .................................................................................................. 54
II-3.1. Phenolic structures ................................................................................................. 54
II-3.2. Minimum structures ............................................................................................... 63
II-3.3. Potential functions ................................................................................................. 66
II-3.4. Calculation of intramolecular hydrogen bond enthalpy ......................................... 70
II-4. Conclusion .................................................................................................................... 72
References ............................................................................................................................ 73
Chapter III: Computational study of phenolic compounds-water clusters ............................... 77
Résumé ................................................................................................................................. 77
i
Tables des matières
Abstract ................................................................................................................................. 78
III-1. Introduction ................................................................................................................. 79
III-2. Computational methods ............................................................................................... 81
III-3. Result and discussion .................................................................................................. 82
III-3.1 Energies ................................................................................................................. 82
III-3.2. Vibrational frequencies ......................................................................................... 89
III-3.3. Natural Bond Orbitals (NBO) analysis ................................................................. 96
III-3.4 HOMO-LUMO analysis ........................................................................................ 98
III-4. Study of the phenol-choline bis(trifluoromethylsulfonide)imide cluster .................. 100
III-5. Conclusion ................................................................................................................. 106
References: ......................................................................................................................... 107
Chapter IV: Phase equilibria of phenolic compounds in water or ethanol ............................. 113
Résumé ............................................................................................................................... 113
Abstract ............................................................................................................................... 114
IV-1. Introduction ............................................................................................................... 115
IV-2. Material and Methods ............................................................................................... 117
IV-2.1. Chemicals ........................................................................................................... 117
IV-2.2. Solubility of the phenolic compounds in water .................................................. 119
IV-2.3. Solubility of water in the phenolic solution ....................................................... 119
IV-2.4. Vapor-Liquid equilibria of phenolic compound and ethanol ............................. 120
IV-2.5. Excess enthalpy between phenolic compounds and ethanol .............................. 121
IV-3. Theory/calculation .................................................................................................... 121
IV-3.1. Thermodynamic correlation ............................................................................... 121
IV-3.2. Solid-Liquid Equilibria ....................................................................................... 122
IV-3.3. Vapor-Liquid equilibria ...................................................................................... 122
IV-4. Results and Discussion .............................................................................................. 123
IV-4.1. Solubility of the phenolic compounds in water .................................................. 123
IV-4.2. Solubility of water in the phenolic solution ....................................................... 126
IV-4.3. Vapor-Liquid equilibria of phenolic compound and ethanol ............................. 127
IV-4.4 Excess enthalpy of the phenolic compound – ethanol systems ........................... 130
IV-5. Conclusion ................................................................................................................ 132
References .......................................................................................................................... 134
Chapter V: Extraction of phenolic compounds from aqueous solution using choline
bis(trifluoromethylsulfonyl)imide .......................................................................................... 139
Résumé ............................................................................................................................... 139
ii
Tables des matières
Abstract ............................................................................................................................... 140
V-1. Introduction ................................................................................................................ 141
V-2. Materials and Methods ............................................................................................... 142
V-2.1. Chemicals and materials ...................................................................................... 142
V-2.2. Phase diagrams measurements of ternary mixtures {phenolic compounds + water
+ IL} ................................................................................................................................ 144
V-2.3. Extraction of phenolic compounds from aqueous solution ................................. 145
V-3. Thermodynamic correlation ....................................................................................... 145
V-4. Results and discussion ................................................................................................ 146
V-4.1. Ternary mixtures {phenolic compounds + water + IL} ...................................... 146
V-4.2. Extraction of phenolic compounds from aqueous solution ................................. 154
V-4.3. Process sizing ....................................................................................................... 156
V-5. Conclusion .................................................................................................................. 159
References .......................................................................................................................... 162
Chapter VI: Separation of phenols from lignin pyrolysis oil using ionic liquid and comparison
with ethyl acetate. ................................................................................................................... 165
Résumé ............................................................................................................................... 165
Abstract ............................................................................................................................... 166
VI-1. Introduction ............................................................................................................... 167
VI-2. Materials and method ................................................................................................ 169
VI-2.1. Chemical reagents and solvents.......................................................................... 169
VI-2.2.Bio-oil production ............................................................................................... 169
VI-2.3. Liquid-liquid extraction ...................................................................................... 170
VI-2.4. Sample analysis .................................................................................................. 172
VI-3. Results and discussion .............................................................................................. 173
VI-3.1. Influence of the experimental conditions used in the produced crude bio-oil
before liquid liquid extraction. ........................................................................................ 173
VI-3.2. Liquid-liquid extraction of phenolic compounds from bio oil using basic aqueous
solutions. ......................................................................................................................... 173
VI-3.3. Extraction of phenolic compounds from the previous aqueous solution using
various solvents. .............................................................................................................. 176
VI-3.4. Extraction of phenolic compounds from the aqueous solution using ethyl acetate.
......................................................................................................................................... 177
VI-3.5. Extraction of phenolic compounds from aqueous solution using Choline
bis(trifluoromethylsulfonyl)imide. .................................................................................. 179
VI-4. Conclusion ................................................................................................................ 181
References .......................................................................................................................... 182
iii
Tables des matières
Chapter VII: Antioxidant Properties of Phenolic Compounds ............................................... 187
Résumé ............................................................................................................................... 187
Abstract ............................................................................................................................... 188
VII-1. Introduction .............................................................................................................. 189
VII-2. Materials and Method .............................................................................................. 191
VII-2.1. Chemicals .......................................................................................................... 191
VII-2.2. Dosage of phenols by the Folin-Ciocalteu method ........................................... 192
VII-2.3. Transition metal chelating capacity .................................................................. 193
VII-2.4. Radical scavenging activity .............................................................................. 194
VII-2.5. Reducing power ................................................................................................ 195
VII-3. Results and discussion ............................................................................................. 197
VII-3.1. Total phenols quantification by the Folin-Ciocalteu method ............................ 199
VII-3.2. Iron(II) and Copper (II) chelating activity ........................................................ 200
VII-3.3. Radical scavenging activity .............................................................................. 202
VII-3.4. Reducing capacity ............................................................................................. 204
VII-4. Conclusion ............................................................................................................... 206
References .......................................................................................................................... 207
Conclusion et perspectives ..................................................................................................... 211
APPENDIX ............................................................................................................................ 215
Appendix I: Computational study on the molecular conformations of phenolic compounds.
............................................................................................................................................ 217
Appendix II: Computational study of phenolic compounds-water clusters ....................... 261
Appendix III: Phase equilibria of phenolic compounds in water or ethanol ...................... 287
Appendix IV: Extraction of phenolic compounds from aqueous solution using choline
bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ...................................................................................... 295
Appendix V: Antioxidant Properties of Phenolic Compounds .......................................... 303

iv
v