Sunni (2024-2026)

De plus en plus d’industriels sont à la recherche de molécules et d’ingrédients naturels pour les incorporer dans leurs produits : aliments, nutraceutiques, produits pharmaceutiques, cosmétiques, parfums… Au cours des dernières années, de nouvelles techniques d'extraction ont été développées comme alternatives aux méthodes conventionnelles pour l’obtention de molécules d’intérêt. Ces technologies d’éco-extraction visent l’utilisation de ressources végétales renouvelables, l’utilisation de solvants alternatifs et une réduction de la consommation énergétique, tout en garantissant un produit ou extrait de qualité. Les déchets végétaux issus de la chaine alimentaire peuvent être une source riche et durable d'ingrédients bioactifs naturels. 

L’extraction de molécules d’intérêt nécessite généralement l’utilisation de grandes quantités de solvants, qui sont dans la plupart des cas considérés comme COV (Composés organiques volatiles), toxiques et inflammables. La consommation de solvants dans le monde chaque année est d’environ 28 millions de tonnes et en Europe de 6 millions de tonnes. L’usage des solvants est réglementé par l’UE à travers REACH et la directive 2010/75. Cette dernière réglementation est plus attentive aux émissions de COV et aux impacts énergétiques de la technologie qu’aux impacts sanitaires et qualitatifs. A titre d’exemple, l’hexane technique (solvant conventionnel d'origine pétrochimique) présente d’évidents avantages du fait de sa faible chaleur latente de vaporisation et de l’efficacité des systèmes d’absorption (captage des vapeurs dans l’effluent gazeux du procédé). En revanche, son isomère linéaire (n-hexane, représentant de 40 à 60% des hexanes techniques) est une substance dangereuse classée comme hautement inflammable (H225), toxique pour la santé humaine (CMR 2 - H361f ; H304 entraînant une classification des sites SEVESO seuil bas, H315, H336, H373) et dangereuse pour l'environnement (H411).

Les inconvénients de ces solvants conventionnels, l’anticipation de réglementations plus strictes, l’épuisement des ressources fossiles, la sensibilisation collective à la protection de l’environnement ainsi que les attentes du marché en termes de naturalité incitent au développement d’alternatives à ces solvants pétrochimiques. Dans ce contexte, notre projet est axé :

• sur la substitution de solvants (éco)toxiques/inflammables par des solutions de remplacement plus saines, plus sûres et plus respectueuses de l'environnement, telles que les solvants verts/biosourcés,
• sur la proposition de procédés verts d'extraction / de séparation-purification de molécules d’intérêt / de recyclage des nouveaux solvants verts.

La question de recherche de ce projet est : Quelle méthodologie efficace d’ingénierie inverse permet de rechercher des solvants verts d’extraction de composés d’intérêt (curcumine comme modèle) ? Dans un premier, nous travaillerons sur l’extraction d’un modèle simple, le curcuma, afin d’obtenir des extraits riches en curcumine, composé très largement utilisé en Inde comme épice, conservateur, colorant alimentaire et agent thérapeutique. Après avoir fait la preuve de concept de notre démarche sur ce modèle, nous l’appliquerons à la valorisation de déchets alimentaires tels que les peaux argentées du café ou bien les coques des cacahuètes très riches en composés phénoliques et en lignine. 

Pour atteindre ces objectifs, nous proposons dans ce projet de développer une approche d’ingénierie inverse basée sur divers outils logiciels (HSPiP, COSMO-RS et IBSS®) permettant la prédiction de propriétés techniques (solubilité, viscosité, point d'ébullition ...), les caractéristiques de sécurité (point éclair) et de critères environnementaux et sanitaires (volatilité, écotoxicité, biodégradabilité) pour identifier les meilleures alternatives de solvants, purs ou en mélange, répondant au cahier des charges lié à l’application visée (extraction de composés phénoliques comme la curcumine…). Les molécules prometteuses seront ensuite classées en fonction de leur niveau de performance par rapport aux objectifs fixés. Sur la base de nos expériences passées, nous prévoyons que de nouveaux candidats substituant les solvants (éco)-toxiques pourraient être des mélanges de solvants tels que des mélanges hétéroazéotropiques permettant de fractionner les extraits. Par conséquent, plusieurs objectifs scientifiques et techniques sont visés :

• Objectif 1 : Concevoir via une approche d’ingénierie inverse un solvant pas ou peu toxique et éco-compatible ou un mélange de solvants verts (y compris biosourcés) en tant que solvant d’extraction. La conception moléculaire assistée par ordinateur de nouvelles structures biosourcées (IBSS) couplée à des outils de modélisation de la solubilité (COSMO-RS, HSPiP) sera réalisée pour générer des solvants alternatifs. Le résultat sera soit un composant pur, soit un mélange de molécules nouvelles ou existantes. Nous donnerons la priorité aux molécules existantes afin d'éviter l'enregistrement de nouvelles molécules dans REACH. Dans le cas des mélanges, ils devront présenter un comportement particulier en termes d’équilibre vapeur-liquide (mélanges azéotropiques) ou d’équilibre solide-liquide (mélanges eutectiques) (comportement comme un composant pur, permettant leur recyclabilité complète). Si aucune solution provenant uniquement de molécules existantes ne conviendrait, nous pourrons synthétiser ces nouvelles structures sans chercher à développer des procédés de synthèse conformes aux principes de la chimie verte, peu coûteux et transposables à un niveau industriel. Cette partie « développement de synthèse verte de solvants innovants » pourra faire l’objet d’un projet futur, s’ils s’avèrent efficaces dans les essais expérimentaux de validation.

• Objectif 2 : Développer une méthodologie de substitution de solvants plus performante que la méthode conventionnelle « essais et erreurs » en s’appuyant sur divers outils complémentaires (IBSS, HSPiP et COSMO-RS) 

• Objectif 3 : Valider expérimentalement les solutions générées selon l’approche d’ingénierie inverse et optimiser / intensifier les processus d’extraction à l’aide des nouvelles formulations à base de molécules « vertes » et/ou biosourcées, pour séparer les molécules d’intérêt.

• Objectif 4 : Optimiser l’élimination et le recyclage du solvant. L'élimination du solvant des extraits et des drêches sera étudiée afin de proposer des conditions ne dégradant pas les extraits naturels. La recyclabilité du solvant sera également étudiée.

Ce projet est réalisé en collaboration avec le LGC (laboratoire de Génie Chimique) à Toulouse et financé par le département INRAE TRANSFORM (AIC).