éco-extraction du végétal - Dunod

Farid Chemat
SÉRIE | chimie
éco-extraction
du végétal
Procédés innovants
et solvants alternatifs

Table des matières
A

Préface
V
1 • Éco-extraction : contexte et innovation 1
1.1 Une opération ancienne, de nouveaux modèles économiques 1
1.2 Des savoir-faire et des technologies dans un nouveau contexte 2
1.3 Les six principes de l’éco-extraction 3
1.4 Vers un label « éco-extrait » 25
1.5 Références 25
2 • Intensification des procédés d’extraction par détente instantanée
contrôlée DIC 27
2.1 Introduction 27
2.2 Techniques de texturation 28
2.3 Analyse de la DIC 32
2.4 Applications technologiques de la détente instantanée contrôlée DIC 40
2.5 Conclusion 45
2.6 Références 46
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
3 • Champs électriques pulsés (CEP) 51
3.1 Introduction 51
3.2 Mécanismes des traitements par CEP 52
3.3 Extraction de jus et de solutés 57
3.4 Traitements des suspensions biologiques 67
3.5 Consommation énergétique 70
3.6 Réalisations de traitements CEP à l’échelle pilote 70
3.6 Couplage des CEP avec d’autres traitements physiques 75
3.7 CEP et sécurité alimentaire 75
3.8 Conclusion 76
3.9 Références 77
IX

4 • Extraction assistée par ultrasons 91
X
4.1 Introduction 91
4.2 Ultrasons et cavitation acoustique 92
4.3 Sonochimie, sonoluminescence et phénomène de cavitation hétérogène 94
4.4 Applications des ultrasons dans l’industrie 98
4.5 Les réacteurs à ultrasons : du laboratoire au pilote industriel 103
4.6 Applications de l’extraction par ultrasons aux produits naturels 105
4.7 Applications industrielles de l’extraction assistée par ultrasons 111
4.8 Coût, investissement et impact environnemental 114
4.9 Références 115
5 • Extraction assistée par micro-ondes 119
5.1 Introduction 119
5.2 Généralités sur les micro-ondes 119
5.3 Applications industrielles du chauffage micro-ondes 130
5.4 Les différentes techniques d’extraction par micro-ondes 133
5.5 Applications de l’extraction micro-ondesdans les produits naturels 139
5.6 Compréhension de l’extraction assistée par micro-ondes 144
5.7 Applications de l’extraction micro-ondes en industrie 148
5.8 Références 149
6 • Extraction assistée par induction thermomagnétique
directe (ITMD) 155
6.1 Introduction 155
6.2 Principe 156
6.3 Mise en œuvre de l’extracteur assisté par induction 
thermomagnétique directe 156
6.4 Changement structural des tissus de la graine et ITMD 161
6.5 Conclusions et perspectives 165
6.6 Matériel utilisé 165
6.7 Références 166
7 • Les agrosolvants en extraction 169
7.1 Introduction 169
7.2 Panorama des agrosolvants 170
7.3 Les paramètres de solubilité : une approche prédictive de la performance 
des agrosolvants 181
7.4 Les hydrotropes ou solvo-surfactants 190
7.5 Conclusion 197
7.6 Références 197

8 • Extraction par flash-détente 207
8.1 Principe 207
8.2 Matériel et méthodes de chauffage 209
8.3 Applications 213
8.4 Références 227
9 • Extraction par fluide supercritique 231
9.1 Introduction 231
9.2 L’extraction par fluide supercritique 239
9.3 Applications industrielles 245
9.4 Aspects économiques 253
9.5 Conclusion 255
9.6 Références 257
10 • Extraction par eau subcritique 259
10.1 Introduction 259
10.2 Les propriétés de l’eau subcritique 260
10.3 Mise en œuvre du procédé au laboratoire 262
10.4 Étapes de l’extraction et modélisation 264
10.5 Influence des paramètres opératoires 269
10.6 Extraction par eau subcritique de composés d’intérêt d’origine végétale 273
10.7 Références 283
11 • Extraction, séparation et purification : du végétal à l’éco-extrait 289
11.1 Opérations unitaires complémentaires de l’extraction 290
11.2 Productions d’extraits à partir de végétaux tropicaux à l’échelle pilote 
et par des PME du Sud 300
11.3 Combinaison des techniques d’extraction 309
11.4 Conclusion générale 316
11.5 Références 316
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
Index 321
XI

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
Maryline Abert Vian, Farid Chemat,
Laurent Prat et Christophe Gourdon
A

1.1 Une opération ancienne, de nouveaux modèles
économiques
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
Lixiviation, percolation, décoction, infusion, macération, digestion, élution sont
autant de termes très anciens qui recouvrent la même opération unitaire, l’extraction
solide-liquide. Il s’agit de mettre en contact un solide et un liquide afin de
récupérer un ou plusieurs composés solubles, contenus dans le solide. De nos jours,
il est devenu difficile de trouver un procédé de fabrication dans l’industrie cosmétique,
pharmaceutique, agroalimentaire et de la parfumerie qui, directement ou
indirectement, n’utilise pas l’extraction. En agro-alimentaire, à côté des cas très
classiques de l’obtention du sucre à partir des betteraves, de la canne à sucre, de la
préparation d’extrait de café et de thé décaféiné, de nombreuses formulations ont
été mises au point en rajoutant des extraits de plantes tels que les procyanidines
(OPC) réputés pour leurs pouvoirs antioxydants. Dans les industries pharmaceutiques,
vitamines, antibiotiques, alcaloïdes sont utilisés soit directement, soit pour
servir de précurseurs à des synthèses organiques complexes.
Bien que cette opération puisse être considérée comme « propre » par rapport
à d’autres procédés, l’impact environnemental n’est pas si évident à estimer. Les
procédés d’extraction requièrent souvent 70 % des investissements et consomment
50 % de l’énergie dans les procédés industriels tous secteurs confondus. Un
simple millilitre d’absolue de rose, pesant moins d’un gramme, nécessite plus de
1 kg de roses comme matière première, sans oublier les solvants, l’eau de refroidissement
et les énergies fossiles. Pour de nombreux produits entrant dans les
formulations de cosmétiques, d’alicaments, de parapharmacie ou de parfums, le
modèle économique repose sur des produits à très forte valeur ajoutée, issus de
plantes extrêmement ciblées en termes d’origine géographique, de mode de culture
et caractérisés par une activité très ciblée. Il s’agit de marchés pouvant être versatiles
et qui nécessitent une capacité à proposer rapidement de nouveaux produits
aux différentes échelles de production (essais de faisabilité, production de lots pour
les tests et la caractérisation, premiers lots de fabrication pour les essais du client
final puis lots de production).
1

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.2Dessavoir-faireetdestechnologies
dansunnouveaucontexte
1.2 Des savoir-faire et des technologies 
dans un nouveau contexte
1.2.1 Le contexte
Les enjeux politiques, économiques, sociétaux, environnementaux imposent désormais
des innovations technologiques que l’on peut qualifier de rupture et non plus
seulement incrémentales. Aux 12 principes de la chimie verte ont répondu très
vite les 12 principes de l’ingénierie verte qui font la base du génie des procédés
moderne et « durable ». En effet, si la directive européenne REACH s’est intéressée
aux substances chimiques, en tant que telles ou intervenant dans les produits ou
les objets manufacturés, la directive IPPC (pour Integrated Pollution Prevention
Control) se préoccupe quant à elle de réduire la contribution de l’industrie au développement
non durable à l’échelle d’abord européenne … puis mondiale. Cette
directive fait la part belle aux procédés en définissant par secteur professionnel la
notion de MTD (Meilleure Technologie Disponible). Elle réconcilie de manière
définitive le couple produit-procédé, selon l’adage « on ne fera pas les produits de
demain avec les procédés d’hier ! ». Les principes qui guident l’application de cette
directive sont les suivants :
– Prévention et réduction (élimination) de la pollution : action à la source
– Gestion prudente des ressources naturelles
– Priorité à la réduction intégrée
– Évolution vers un équilibre plus durable entre activité humaine et développement
socio-économique d’une part et les ressources et la capacité régénératrice
de la nature d’autre part.
Dans ce nouveau contexte, les opérations unitaires du génie chimique avec les
technologies séparatives associées occupent une place primordiale au cœur du
développement de procédés respectueux de l’environnement, soit à titre curatif, soit
mieux à titre préventif. C’est pourquoi, on note une politique de R&D toujours
active dans ce domaine, même sur des procédés historiques comme l’extraction
solide-liquide.
1.2.2 Aspects théoriques
L’extraction solide-liquide consiste à mettre en contact un solide et un liquide et de
séparer grâce au liquide un ou plusieurs composés solubles, « les solutés », contenus
dans un matériau solide insoluble. Le liquide d’extraction est appelé « solvant ».
Le composé soluble peut être solide ou liquide. Enfin, le solide insoluble peut être
massif ou poreux et se présente en général sous la forme de particules poreuses ou
cellulaires avec des membranes semi-perméables. Au cours de l’opération, plusieurs
étapes peuvent être décrites :
– (i) la pénétration du solvant au sein de la structure du solide. Il s’agit en général
d’une étape rapide qui ne limite pas le procédé ;
– (ii) la « libération » du soluté dans le solvant d’imprégnation. Cette étape peut
recouvrir des phénomènes physiques et physico-chimiques différents suivant la
2

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

nature du soluté et sa place dans la structure (liaison chimique à rompre, diffusion
au travers d’une membrane, désorption, dissolution). Cette étape peut être
limitée par des temps de réaction longs, par des équilibres entre phases et des
saturations locales du solvant ;
– (iii) enfin, la diffusion du soluté au travers de la porosité de la structure solide
jusqu’au film liquide entourant le solide et le transfert vers le sein du solvant.
Cette dernière étape est en général l’étape limitant le procédé et explique les
ordres de grandeurs de plusieurs heures habituellement rencontrés lors de cette
opération. Comme toutes les opérations de transfert de matière, le dimensionnement
se base sur le concept d’étage idéal ou étage d’équilibre [1], mais
l’extraction est tout autant un problème cinétique qu’un problème d’équilibre.
A

1.2.3 Mise en œuvre et technologies
En pratique, l’opération d’extraction solide-liquide ne peut être dissociée des
étapes amont (préparation du solide, conditionnement, séchage, broyage…) et
aval (séparation du solide et du liquide, récupération et purification du soluté et
éventuellement régénération du solvant par évaporation, distillation ou extraction
liquide-liquide). Ainsi, la mise en œuvre à l’échelle du laboratoire ou dans
l’industrie fait appel à de nombreuses opérations unitaires. De plus, l’utilisation du
solide implique de nombreuses contraintes, au niveau de la manipulation, du choix
d’appareillage robuste ou des règles de sécurité. Cette spécificité laisse, à côté des
outils théoriques classiques du Génie des Procédés, une grande part à un savoirfaire
difficilement mis en équation.
Ainsi, une très grande diversité de technologies et d’appareils a été mise au point et
est utilisée dans le domaine de l’extraction solide-liquide [2] [5]. Ces technologies
sont souvent spécifiques à la matière traitée et au secteur concerné. Ils peuvent être
classés en deux groupes :
– (i) les appareils à particules fixes, c’est-à-dire sans mouvement les unes par
rapport aux autres. Le lit de particule pouvant être fixe ou en mouvement ;
– (ii) les appareils à particules en suspension. Dans ce cas, le solide peut être
traité par une ou plusieurs charges de solvant ou avec du solvant qui s’écoule en
continu à travers le solide.
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
1.3 Les six principes de l’éco-extraction
En janvier 2010, plus de 60 chercheurs et professionnels travaillant dans le domaine
de l’extraction des produits naturels se sont réunis à Grasse, sous l’impulsion de
« France Eco-Extraction », pour définir l’éco-extraction et ses principes, présentés
sur la figure 1.1. Une définition très générale a été adoptée : « l’éco-extraction est
basé sur la découverte et la conception de procédés d’extraction permettant de
réduire la consommation énergétique, mais aussi l’utilisation de solvants alternatifs
et des ressources végétales renouvelables, tout en garantissant un produit/extrait
sûr et de qualité ».
3

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

Plusieurs ateliers de réflexion ont permis de lister les attentes mais aussi d’envisager
les visions futures, dans un contexte de développement durable, aussi bien au
niveau des producteurs de matières premières végétales que les industriels transformateurs
ou bien les formulateurs de produits finis que des chercheurs académiques
et institutionnels. Une des conclusions qui ressort de ces groupes de travail est la
nécessité de la notion d’« éco-extrait » qui touche directement les consommateurs
bien au-delà de l’éco-extraction. Des travaux sont menés sur la réflexion d’un label
spécifique d’« éco-extrait » mais également sur l’évaluation de son impact environnemental
à l’aide de l’Analyse de cycle de vie.
Principe 1 :Favoriserl’innovationparlasélectionvariétaleetl’utilisationderessources
végétalesrenouvelables.
Principe 2 : Privilégier les solvants alternatifs et principalement ceux issus des agroressources.
Principe 3 : Réduire la consommation énergétique par l’assistance des technologies
innovantesetfavoriserlarécupérationd’énergie.
Principe 4 :Favoriserlacréationdecoproduitsaulieudedéchetspourintégrerlavoie
delabio-ouagro-raffinerie.
Principe 5 : Réduire les opérations unitaires grâce à l’innovation technologique et
favoriserlesprocédéssûrs,robustesetcontrôlés.
Principe 6 :Privilégierunproduitnondénaturé,biodégradable,sanscontaminantset
surtoutporteurdevaleurs :« éco-extrait ».
Figure 1.1 –Lessixprincipesdel’éco-extraction
4
Trois voies majeures ont été identifiées pour parvenir à imaginer, concevoir et faire
la démonstration à l’échelle industrielle de ces principes : l’amélioration des procédés
existants, en proposant des ruptures technologiques et de mise en œuvre ; le
détournement d’appareils non dédiés pour parvenir au plus proche d’un optimal
de consommation de matière première et d’énergie et l’innovation méthodologique
et technologique.
1.3.1 Principe 1 : favoriser l’innovation par la sélection variétale et l’utilisation
de ressources végétales renouvelables
La demande croissante dans le domaine de l’extraction des produits naturels induit
une surexploitation des ressources végétales qui peut conduire à terme à l’épuisement
de certaines ressources précieuses. Leur préservation est aujourd’hui un
défi majeur. Dans une démarche d’éco-extraction, la diminution de l’utilisation
de ressources non renouvelables, la sélection variétale, l’exploitation de cellules ou
d’organes végétaux in vitro ou bien le recours à des technologies innovantes sont
autant de voies à considérer afin d’éviter l’extinction de certaines espèces végétales.

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

■■
Vers une ressource renouvelable
Un quart des médicaments actuels sont extraits à partir de produits d’origine
végétale. Le paclitaxel ou Taxol® est devenu l’emblème des bienfaits à attendre de
l’exploitation de la diversité des substances naturelles. Cette molécule aux vertus
anti-tumorales était extraite de l’écorce de l’If (Taxus brevifolia) de l’Ouest, originaire
des États-Unis. Dans les années 1970, pas moins de 30 tonnes d’écorces
ont été collectées pour des essais cliniques ; sachant que 10 kg d’écorces sèches
produit 1g de taxol. D’une biodisponibilité restreinte, son exploitation industrielle
semblait compromise car abattre des milliers d’arbres n’était pas une solution.
De plus l’écorce d’un arbre ne se régénère pas et les arbres périssent lorsqu’ils en
sont dépourvus. La complexité (nombreux carbones asymétriques) et la taille de
la molécule n’ont pas permis d’envisager une voie synthétique économiquement
rentable (figure 1.2). C’est ainsi que bon nombre de recherches ont visé à trouver
des alternatives à l’abattage des arbres de cette espèce menacée. En 1980, le professeur
Pierre Potier et ses collaborateurs (ICSN, CNRS) sont parvenus à obtenir des
versions semi-synthétiques du taxol, le docétaxel ou Taxotere® à partir d’un précurseur,
la 10-désacétylbaccatine III, extrait d’aiguilles et de rameaux d’espèces d’if
de nos contrés (taxus baccata) moins rares et possédant une activité anticancéreuse
supérieure à celle du taxol.
A

Écorce d’if
(Taxus brevifolia)
Paclitaxel ou Taxol ®
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
Aiguilles d’if
(Taxus baccata)
10-désacétylbaccatine III Docétaxel ou Taxotère ®
Figure 1.2 –IsolationduTaxol ® etduTaxotère ®
Le prélèvement sauvage dans la nature de ressources naturelles à grande échelle
présente donc le danger de la raréfaction voire de la disparition des espèces. C’est
notamment le cas de l’Harpagophytum ou « Griffe du diable », très convoitée
par les laboratoires pharmaceutiques pour le traitement du rhumatisme. Cette
plante est particulièrement menacée. Elle ne pousse en effet que dans le désert du
Kalahari (Namibie), et, avec les 600 tonnes qui en sont exportées chaque année,
l’extinction est fort probable. Certaines espèces comme le bois de santal, bois de
rose sont également surexploités et peuvent conduire à leur extinction.
5

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

■■
Dans une logique d’éco-extraction, il est pertinent de faire le choix de n’utiliser
que des plantes cultivées aux dépens de prélèvement en milieu naturel ; seules les
cultures contrôlées permettent de participer à la conservation de notre biodiversité.
Amélioration/sélection variétale
La sélection variétale permet d’obtenir naturellement des plantes plus vigoureuses
et des concentrations en principes actifs beaucoup plus importantes.
Un exemple actuel est la production d’artemisinine, substance antimalarique,
isolée de l’armoise annuelle, Artemisia annua L., originaire d’Asie. Le principe
actif de cette plante, une lactone sesquiterpénique possédant un pont peroxyde,
est présent dans les parties aériennes de la plante à une concentration de l’ordre
de 0,01 à 0,5 % (figure 1.3). L’extraction de cette substance active se révèle être
peu rentable du fait de sa faible teneur dans la plante. De nombreux travaux de
recherche ont été entrepris afin de produire des variétés d’Artemisia annua L. avec
des teneurs en artemisinine plus élevées. Il existe aujourd’hui des variétés avec des
teneurs en artemisinine supérieures à 1 %.
■■
Figure 1.3 –Moléculed’artémisinine
La pervenche de Madagascar (Catharanthus roseus G. Don) contient des alcaloïdes
à propriétés antitumorales remarquables. Les parties aériennes de cette plante referment
0,2 à 1 % d’alcaloïdes. Il a été identifié environ 90 constituants différents
dont les plus connus sont la vindoline, la catharanthine, la vincristine, la vinblastine,
etc. La concentration et les proportions relatives de ces divers alcaloïdes sont
extrêmement variables d’un génotype à l’autre (ce qui donne prise à la sélection) et
selon la position et l’âge physiologique des organes (ce qui permettrait d’envisager
une production industrielle optimisée).
Cap sur l’innovation : les plantes à traire
Les plantes produisent naturellement des molécules à applications médicales ou
cosmétologiques. Lors de l’extraction de ces molécules la destruction de la plante
est quasiment inévitable. Une nouvelle technologie, les plantes à traire, a été mise
au point par des chercheurs de l’INRA de Nancy pour permettre la production
et l’extraction des molécules d’intérêt sans les détruire. Des plantes sont cultivées
en serre sur milieu liquide et la sécrétion et l’exsudation des molécules par les
racines dans le milieu de culture sont provoquées par des stimulations physiques,
chimiques ou biologiques. Les molécules sont ensuite collectées par des méthodes
classiques de purification. Ce procédé est plutôt dédié à la production de principes
6

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

actifs de végétaux rares et dont la synthèse chimique est difficile et coûteuse
(figure 1.4). « Traire les plantes » permet donc une production respectueuse de la
bio diversité. Ce procédé a permis, en autres, de produire des alcaloïdes tropaniques
d’intérêt pharmaceutique à partir de Datura innoxia. Dans ce cas, la récolte permet
d’obtenir trois fois plus de métabolites secondaires en un an que l’extraction à
partir de plantes cultivées en champ, à surfaces de culture égales.
De bons résultats ont également été obtenus avec la rue des jardins (Ruta graveolens),
qui contient des furocoumarines, molécules utilisées pour soigner l’eczéma et
le psoriasis, et avec l’edelweiss, riche en antioxydants.
Concernant l’if, cette récolte inédite, « les plantes à traire », fournit des quantités
de Taxol® bien plus grandes que la récolte traditionnelle. Si l’on parvenait à utiliser
cette technique à grande échelle, quelques centaines de serres suffiraient ainsi à
satisfaire la demande mondiale en Taxol® pendant un an.
A

Figure 1.4 –Lesplantesàtraire(PATplantmilking©.Photographies :PhilippePsaïla)
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
1.3.2 Principe 2 : privilégier les solvants alternatifs et principalement ceux issus
des agro-ressources
La réglementation a aujourd’hui un impact direct sur la diminution de la
consommation de solvants, et tout particulièrement les solvants pétrochimiques
ou Composés Organiques Volatils (COV). L’utilisation de ces solvants pétrochimiques
est aujourd’hui très réglementée. Trois directives européennes encadrent
leur usage : la directive 1999/13/CE, relative aux émissions de COV, la directive
67/548/CEE, relative aux substances dangereuses et la directive 1999/45/CE
relative aux produits dangereux. Et depuis le 1er juin 2007, les solvants d’origine
pétrochimique sont également concernés par REACH (Registration, Evalutation,
Autorisation and Restriction of Chemicals). Ce règlement européen vise à connaître
la toxicité et les conséquences sur la santé humaine et sur l’environnement des
produits chimiques. Dans un premier temps, REACH permettra de faire un vaste
inventaire des produits chimiques utilisés ou vendus sur le marché européen et
donc d’avoir une meilleure connaissance de ces substances chimiques et de leurs
divers usages dans l’industrie. Les solvants n’échappent pas à cette nouvelle réglementation.
Chaque producteur ou importateur devra désormais apporter la preuve
de l’innocuité du solvant utilisé lors de l’extraction et des résidus éventuels que
contiennent les extraits finaux.
7

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

Dans le secteur de l’extraction de substances naturelles, l’extraction par solvant
organique volatil reste la méthode la plus pratiquée. L’extraction par solvant ou
encore appelée extraction solide-liquide consiste en une opération de transfert de
matière destinée à séparer les principes solubles d’un substrat solide par diffusion
dans un solvant. Les solvants les plus utilisés à l’heure actuelle sont l’hexane, le
cyclohexane, le méthanol et moins fréquemment le dichlorométhane et l’acétone.
Les solvants sont, en effet, des substances très efficaces qui dissolvent les solutés
solides et liquides, et leur volatilité facilite leur élimination en fin de procédé.
Cependant, les solvants organiques, sont aussi, pour bon nombre d’entre eux,
inflammables, très volatils et toxiques (cancérigènes, mutagènes, etc.). De ce fait,
leur utilisation est de plus en plus souvent montrée du doigt pour sa participation
à la pollution environnementale et à l’effet de serre. Par ailleurs, l’épuisement
progressif des ressources pétrolières et surtout le durcissement de la réglementation
obligent les industriels du secteur à s’orienter vers des solutions alternatives plus
respectueuses de l’environnement.
Un solvant d’extraction est caractérisé par différentes propriétés ; il doit être un
liquide volatil, simple ou mixte, qui a la propriété de dissoudre des substances
spécifiques (pouvoir solvant) sans altérer ces dernières. Dans une démarche d’écoextraction,
un solvant « vert », en référence à la chimie verte, ne doit pas être
seulement efficace mais doit aussi posséder, des caractéristiques complémentaires
liées à la sécurité et à l’impact environnemental (figure 1.5). De nombreux exemples
de solvants tentent de répondre à ces différentes exigences ; il s’agit de solvants
« verts » ou agrosolvants, des liquides ioniques, des fluides ou liquides en condition
sub- ou supercritique ou même des technologies sans solvant.
Sécurité et législation
Risque d’explosion
Bio
Alimentaire
Inflammabilité
Restrictions
environnementales
Émission de COV
Toxicité
Couche d’ozone
Effet de serre
SOLVANT
« IDÉAL »
Recyclage
Pouvoir solvant
Sélectivité
Coût
Figure 1.5 –Lesolvant« idéal »
8

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
■■
Une classification des solvants d’extraction est envisageable sous forme de tableau
en prenant en compte les aspects environnementaux, sécurité, économiques et
caractéristiques physico-chimiques (pouvoir solvant) (tableau 1.1).
Les solvants « verts » ou agrosolvants
Les solvants « verts » ou agrosolvants, issus de sources renouvelables, présentent
des caractéristiques techniques leur permettent de se substituer aux solvants d’origine
pétrochimique. Ces solvants renouvelables peuvent être produits à partir de
biomasse telle que le bois, l’amidon, les huiles végétales, des fruits ou même des
plantes aromatiques.
Le solvant « vert » le plus connu actuellement est l’éthanol, obtenu par fermentation
de matières riches en sucres comme la betterave et les céréales. L’éthanol est
un solvant utilisé à grande échelle dans l’industrie chimique compte tenu de sa
disponibilité, sa pureté, son faible prix, son caractère non toxique et parfaitement
biodégradable. Cependant, l’extraction alcoolique permet l’obtention de composés
hydrophiles, mais ne permet pas l’extraction efficace des composés lipophiles
apolaires et peut entraîner l’extraction de composés indésirables comme les tanins
qui sont fortement hydrosolubles.
Parmi les agrosolvants, on peut citer également les solvants terpéniques qui sont des
hydrocarbures insaturés extraits du pin (a-pinène) ou des agrumes (d-limonène).
Grâce à sa faible polarité, son très fort pouvoir solvant, le d-limonène offre des
avantages pour l’extraction de matières grasses. Il peut être une alternative « verte »
à l’utilisation de l’hexane [3]. D’un point de vue environnemental, il constitue une
valorisation intéressante des sous-produits de l’industrie des agrumes (abondant et
bon marché).
Les esters méthyliques d’acides gras (EMAG) d’huiles végétales (soja, coco et
colza) peuvent également être utilisés en substitution de solvants pétrochimiques.
En plus d’être biodégradables, ces esters présentent des performances techniques
comparables à celles des solvants pétrochimiques à savoir un pouvoir dissolvant
des matières actives et une pénétration plus forte dans la plante [4]. À l’encontre
des solvants pétroliers, les EMAG n’émettent pas de COV, ne contribuent pas à
l’effet de serre et n’ont pas d’odeur piquante. Ils sont biodégradables, proviennent
de ressources renouvelables et leur toxicité apparaît comme étant faible.
Les esters d’acides gras fermentaires entrent également dans la classe des agrosolvants.
Un nouveau venu est l’éthyllactate. Il est produit à partir de l’éthanol et de
l’acide lactique, tous deux issus des procédés de fermentation de sucres. Ce solvant
est non toxique, bon marché mais sa disponibilité sur le marché est un facteur
limitant compte tenu de son apparition récente.
Le glycérol, sous-produit de la transesterification des huiles végétales trouve
aujourd’hui de nouvelles valorisations en chimie verte en tant que solvant. Le
glycérol a un pouvoir solvant très étendu et une hydrophilie importante. Il est très
utilisé dans le domaine cosmétique pour la préparation de macérâts glycérinés.
Les agrosolvants présentent aujourd’hui des avantages indéniables : haut pouvoir
solvant, non inflammables, biodégradables et non écotoxiques. Cependant,
leurs coûts et leurs performances techniques sont parfois limités. En effet, ils
possèdent un aspect gras, une évaporation lente et peuvent engendrer un manque
A

9

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

■■
■■
d’homogénéité et de reproductibilité. Enfin, certains d’entre eux, peuvent laisser
des résidus non volatils odorants et colorés.
Les liquides ioniques
Les liquides ioniques sont des sels organiques liquides composés exclusivement
d’ions. Ils sont chimiquement et thermiquement très stables, non inflammables et
leur caractère ionique leur confère une plage de polarité importante. Ils sont généralement
utilisés en système biphasique avec l’eau dans les procédés d’extraction de
produits naturels.
L’extraction de l’artemisinine est réalisée aujourd’hui à l’échelle industrielle avec
un solvant organique de type hexane, éther de pétrole... Étant donné les caractéristiques
physico-chimiques de l’artémisinine, son extraction avec des solvants
non-polaires n’est pas aisée du fait de l’extraction simultanée de produits annexes
comme des cires, chlorophylles et huiles essentielles. En conséquence, une étape
de séparation et de purification de l’artémisinine doit être réalisée après l’étape
d’extraction afin de fournir un composé pur.
Des liquides ioniques, sels d’ammonium, se sont révélés être très efficaces pour
l’extraction de l’atemisinine [5]. L’extraction est 4 fois plus rapide qu’avec un solvant
organique et la molécule pure est isolée par simple précipitation. Ces travaux laissent
ainsi présager un avenir très prometteur pour l’utilisation de liquides ioniques en
tant que solvants alternatifs.
L’eau somme solvant d’extraction
Bien évidemment il n’existe aucun autre solvant plus idéal que l’eau sur notre
planète. Elle est disponible, recyclable et non toxique. L’eau est déjà très largement
utilisée dans l’extraction des huiles essentielles par distillation à la vapeur
d’eau. Cette dernière, connue depuis la plus haute Antiquité, transmise par les
Arabes et perfectionnée par les Grassois, est un procédé utilisant l’entraînement
des substances aromatiques grâce à la vapeur d’eau. Ce mélange, dit azéotrope,
a la particularité d’avoir un point d’ébullition inférieur aux points d’ébullition
respectifs de l’eau et des molécules composant l’huile essentielle. Les condensats
sont ensuite très facilement séparés par simple différence de gravité. Aujourd’hui,
cette méthode conventionnelle a été améliorée par l’apport des micro-ondes [6].
La distillation assistée par micro-ondes permet un gain de temps, d’énergie et un
meilleur respect de l’environnement.
Le caractère polaire de l’eau permet aussi bien de l’utiliser comme solvant d’extraction
dans le domaine des produits naturels solubles dans l’eau tels que les protéines,
les sucres, les acides organiques que dans l’extraction d’espèces inorganiques.
L’extraction par eau chaude pressurisée (en anglais, PHWE : Pressurized hot water
extraction) ou eau sub-critique devient une méthode d’extraction « verte » adaptée
à de nombreuses molécules provenant de matrices variées végétales, alimentaires
ou environnementales. Cette méthode consiste à utiliser de l’eau sous pression
contrôlée à haute température. La modulation de la température et de la pression
permet à l’eau de diminuer sa polarité et ainsi extraire des analytes peu polaires [7].
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contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
Tableau 1.1 –Classificationdessolvantsd’extraction
Impact
environnemental
Coût
Pouvoir solvant
vis-à-vis de composés Sécurité
& santé
Solvant d’extraction Technique d’extraction (application)
polaire peu polaire apolaire
+++ + +++
Sanssolvant MicrowaveHydrodiffusionandGravity
(extractiond’huilesessentielles)
++ + + ++ +
Eau Entraînementàlavapeurd’eau
(extractiond’huilesessentielles)
+++ +++ + + + ++
Distillationassistéeparmicro-ondes
(extractiond’huilesessentielles)
+ ++ + + +
Extractionpareausub-critique
(extractiond’arômes)
– + +++ + + +
CO 2 ExtractionparCO 2 supercritique
(decafféinationduthéetcafé)
– + +++ – – ++
Liquidesioniques Selsd’ammonium
(extractiondel’artemisinine)
+ + – – ++ +
Agrosolvants Éthanolensubstitutionauméthanol
(colorants)
+ + – – + +
Glycérolensubstitutionauméthanol
(polyphénols)
– – ++ – + +
Terpènes(d-limonène)ensubstitutionàl’hexane
(matièresgrassesethuiles)
_ + +++ ––– ++ –––
Solvantspétrochimiques Hexane
(extractiondematièresgrassesethuiles)
A

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contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

■■
Le CO 2 supercritique
L’utilisation de CO 2 supercritique pour l’extraction s’est développée depuis le
début des années 70 et est aujourd’hui arrivée à maturité. Cette technique permet
d’obtenir des parfums, fragrances et ingrédients actifs parfaitement purs exempts
de toutes traces de solvant. Le CO 2 est un gaz ininflammable et sans odeur qui peut
être produit dans la nature lors de combustions de matières fossiles, par fermentation
alcoolique mais aussi par la respiration humaine et animale. La technique
d’extraction au CO 2 supercritique utilise du gaz carbonique comprimé (jusqu’à
300 fois la pression atmosphérique) à température modérée (environ 30 °C) qui se
comporte comme un solvant. Cette technique permet de travailler à une température
modérée qui ne dénature pas les qualités organoleptiques et les principes
actifs de l’extrait obtenu ; l’extrait reste dans un état proche du naturel. À la fin
de l’extraction, par abaissement de la pression (phase de détente), on provoque le
passage du gaz carbonique de l’état supercritique à l’état gazeux et le CO
2
s’élimine
de l’extrait sous pression atmosphérique.
L’extraction par CO 2 supercritique est appliquée à plusieurs secteurs comme
celui de l’agroalimentaire, la pharmacie, la cosmétique, la chimie et l’environnement.
Elle concerne des molécules de faible poids moléculaire et ayant une faible
polarité tels que les caroténoïdes, triglycérides, alcools gras, aromes légers… Ces
composés étant usuellement extraits avec des solvants organiques tels que l’hexane.
L’extraction par CO 2 supercritique constitue une alternative efficace et plus respectueuse
de l’environnement et de la santé. Les limitations de cette technique résident
dans son développement qui ne permet pas une mise en œuvre continue et le coût
lié à l’investissement initial du matériel.
■■
L’extraction sans solvant
La meilleure méthode d’extraction sera sans doute celle qui ne fait appel à aucun
solvant, n’engendrant aucun déchet résiduel et ne nécessitant aucune énergie pour
les traiter. La littérature regorge de nombreux articles proclamant le « sans solvant ».
Or la plupart nécessite de l’eau voire des solvants organiques pétrochimiques pour
traiter et purifier le produit. Même si la phase d’extraction ne consomme aucun
solvant, l’ensemble du procédé fait souvent appel à l’usage de solvants. Une nouvelle
technique sans solvant assistée par micro-ondes appelé Microwave Hydrodiffusion
and Gravity (MHG) [8], permet d’extraire une variété de substances naturelles
comme des antioxydants, huiles essentielles, eaux aromatiques à partir de romarin,
oignon, menthe… La technique MHG constitue une approche respectueuse
de l’environnement ne mettant en jeu aucun solvant et fournissant des extraits
propres ne nécessitant aucune purification. Ce procédé original d’alambic renversé
résulte de la combinaison du chauffage par micro-ondes associé à la gravité. La
matière végétale fraîche est instantanément échauffée par les micro-ondes sans
ajout de solvant ni d’eau. Par conséquent, la pression interne des cellules végétales
va augmenter provoquant ainsi leur éclatement et le relargage de leur contenu.
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1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

1.3.3 Principe 3 : réduire la consommation énergétique par l’assistance 
des technologies innovantes et favoriser la récupération d’énergie
L’extraction est particulièrement concernée par les enjeux environnementaux et
économiques et le secteur tente aujourd’hui de trouver des solutions afin de réduire
les dépenses énergétiques et les rejets tout au long de la chaîne du procédé. Les
méthodes d’extraction traditionnelles comme la distillation sont connues pour leur
forte consommation d’énergie. Dans une démarche d’éco-extraction, quatre voies
sont possibles pour minimiser la consommation énergétique: l’optimisation des
procédés existants, la récupération de l’énergie libérée au cours du procédé, l’assistance
aux procédés existants ou enfin l’innovation de procédé.
A

■■
L’optimisation des procédés existants : l’hydrodistillation sous pression
L’hydrodistillation est l’un des plus anciens procédés d’extraction des huiles essentielles.
Bien que reconnue pour son efficacité, une hydrodistillation nécessite une
consommation énergétique importante au niveau de la chaudière, et une consommation
d’eau pour le réfrigérant. La réduction de la consommation énergétique
lors du procédé d’hydrodistillation peut être obtenue par augmentation de la pression.
L’augmentation de la pression permet une réduction du temps de distillation
d’un facteur 2 ou 3, donc une réduction de la consommation de vapeur et ainsi
une réduction de la consommation énergétique. Par ailleurs c’est une technique de
choix pour les essences difficilement distillables. On traite ainsi certaines matières
premières dont les constituants ne peuvent être entraînés par la vapeur à la pression
atmosphérique du fait de leur masse moléculaire élevée, par exemple le santal, le
girofle, les rhizomes de vétiver, de gingembre ou encore d’iris. Cependant bien que
le procédé sous pression conduise à un gain énergétique, l’influence d’une température
élevée (supérieure à 100 °C) sur la qualité de l’huile essentielle peut donner
lieu à certains artéfacts. De plus, les prix et les contraintes des équipements nécessaires
contribuent à freiner l’utilisation de ce procédé (Tournaire SA) (figure 1.6).
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
■■
Figure 1.6 –Alambicssouspressionde5000litres(TournaireSA)
La récupération de l’énergie libérée au cours du procédé
La réduction de la consommation énergétique lors d’un procédé peut également
être envisagée par la récupération des calories cédées lors de la condensation de la
13

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

vapeur. En effet, le CRIEPPAM (Centre régionalisé interprofessionnel d’expérimentation
en plantes à parfum, aromatiques et médicinales) a ainsi mis au point
un prototype d’écovaporateur qui permet de récupérer une partie de l’énergie de
la vapeur, une fois que celle-ci a traversé le végétal à distiller. Le principe de l’écovaporateur
consiste à réutiliser l’énergie de la condensation pour chauffer l’eau en
vapeur (figure 1.7.).
Figure 1.7 –Principedel’écovaporateur
L’écovaporateur permet une diminution de 55 % de la consommation énergétique
en incluant l’énergie nécessaire au surpresseur. Le gain d’énergie thermique
14

1 • Éco-extraction :
contexte et innovation
1.3Lessixprincipesdel’éco-extraction

avoisine 80 %. Cette technologie n’a aucun impact sur la qualité du produit. La
société Tournaire SA a également développé dans les années 1980 un système de
thermopompage qui consiste à récupérer la chaleur du condenseur et à l’utiliser
pour la production de vapeur de telle sorte que l’on se retrouve en présence d’un
cohobage en phase gazeuse. Les économies d’énergie calorifique et d’eau de refroidissement
se situeraient entre 60 et 90 %.
■■
Assistance aux procédés existants
Comme nous venons de le voir, l’extraction d’huiles essentielles est conventionnellement
réalisée par hydrodistillation ou entrainement à la vapeur. Pour certaines
espèces végétales, l’extraction peut durer de nombreuses heures et ainsi engendrer
une consommation énergétique importante. En outre, ce procédé traditionnel peut
fournir des rendements d’extraction faibles. L’entrainement à la vapeur assistée par
les ultrasons peut contribuer à améliorer l’efficacité de l’extraction d’huiles essentielles
et diminuer ainsi considérablement le temps d’extraction [9]. L’entrainement
à la vapeur assistée par les ultrasons est appliqué pour l’extraction de l’huile
essentielle de Yuzu, agrume japonais (figure 1.8). Ce procédé permet d’augmenter
de 44 % le rendement d’extraction par rapport à un contrôle sans assistance.
L’assistance aux procédés existants constitue donc une approche intéressante pour
diminuer la consommation d’énergie au cours d’un procédé d’extraction.
A

© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
Figure 1.8 –L’entrainementàlavapeurassistéeparlesultrasons
15

technique et ingénierie
Série Chimie
gestion industrielle
conception
froid et génie climatique
Farid Chemat
mécanique et matériaux
éco-extraction
du végétal
Procédés innovants et solvants alternatifs
L’éco-extraction est fondée sur la découverte et la conception de
procédés d’extraction permettant de réduire la consommation
énergétique, d’utiliser des solvants alternatifs et de privilégier
des ressources végétales renouvelables, tout en garantissant un
produit ou un extrait de qualité.
Cet ouvrage constitue un état de l’art sur les nouvelles technologies
aussi bien sur le plan des procédés innovants que sur le plan des
solvants alternatifs utilisables en industrie et en recherche. Il
aborde de manière détaillée :
• l’amélioration des procédés existants ;
• le détournement d’appareils non dédiés ;
• l’innovation par des ruptures technologiques.
Chaque technologie ou méthode est détaillée tant du point
de vue des principes théoriques, du matériel utilisé au niveau
du laboratoire de R&D, qu’au niveau pilote et industriel. Les
applications existantes au stade industriel, de même que les
protocoles d’extraction de produits naturels (arômes, huiles
essentielles, colorants, principes actifs etc.), sont également
abordés.
Véritable livre blanc dans le domaine de la chimie verte, cet
ouvrage constitue un outil de travail indispensable pour les
ingénieurs et les chefs de projet dans le domaine de l’extraction,
mais également une référence pour les étudiants, les universitaires
et les élèves ingénieurs du domaine.
chimie
environnement et sécurité
eea
agroalimentaire
Farid Chemat
est professeur des
universités à l’Université
d’Avignon et des Pays de
Vaucluse, responsable
du laboratoire et plateforme
GREEN (Groupe
de recherche en écoextraction
des produits
naturels).
6943112
ISBN 978-2-10-056543-6
www.dunod.com