Brevet FR2740706A1 — publié le 19970509

PROCEDE D'EXTRACTION DE SUBSTANCES ORGANIQUES A PARTIR DE MATIERES ORGANIQUES SOLIDES La présente invention concerne un procédé d'extraction de substances organiques, particulièrement des substances organiques volatiles, des substances aromatiques ou des composés d'arôme type Notes Vertes1 à partir de matières organiques végétales. Plus particulièrement, I'invention concerne l'extraction de composés volatiles pouvant être générés en faibles quantités par une réaction enzymatique résultant de l'exposition à l'oxygène de certains enzymes intracellulaires présents dans une matière organique végétale. II existe présentement plusieurs procédés industriels de traitement de matières organiques végétales mis en oeuvre par divers dispositifs. Ces procédés sont utilisés par exemple soit pour l'extraction de jus de fruits ou de légumes, ou soit simplement pour la déshydratation de la matière organique. Dans la plupart des cas, il s'agit d'appareils sophistiqués et le traitement effectué sur la matière organique doit produire une substance ayant une quelconque valeur ajoutée pour que la mise en oeuvre de ces procédés soit rentable sur le plan économique. Lorsqu'il s'agit de traitements visant par exemple à extraire des jus de fruits frais à l'échelle industrielle et de récupérer les solides des fruits pour d'autres utilisations, les procédés les plus sophistiqués développés jusqu'à présent sont mis en oeuvre en évitant soigneusement de presser les fruits, ce qui a pour effet de rompre l'organisation inteme du fruit, de mettre en contact les arômes avec le milieu acide. Dans ces conditions, il s'ensuit une hydrolyse lente mais irréversible quelles que soient les conditions de température et le type d'appareillage. On a également voulu éviter dans la mesure du possible l'exposition des fruits à l'oxygène afin d'éviter des pertes accentuées de vitamines et d'arômes par action concomitante de la température et de l'oxygène et des phénomènes de brunissement. Plusieurs matières organiques végétales telle la luzerne ne présentent qu'un intérêt commercial assez faible. A titre d'exemple, la déshydratation de la luzerne permet d'en faire un produit alimentaire utile pour le bétail. Cependant, les méthodes actuelles qui permettraient d'en récupérer le jus ne présentent qu'assez peu d'intérêt puisque la luzerne déshydratée obtenue ensuite est généralement de faible qualité. En effet, et de façon analogue pour plusieurs types de matières organiques végétales, seule la déshydratation présente a priori un quelconque intérêt commercial. II serait donc souhaitable de pouvoir développer et perfectionner les méthodes d'extraction de substances organiques volatiles existantes et ce dans le but de permettre la déshydratation sur grande échelle de plusieurs produits agricoles en ajoutant à ces méthodes une étape leur assurant une plus grande rentabilité surtout pour les matières organiques végétales n'ayant que peu de valeur commerciale. La présente invention concerne un procédé d'extraction d'une ou de plusieurs substances organiques, plus particulièrement de substances organiques volatiles, de substances aromatiques ou de composés d'arômes présents ou pouvant être obtenus à de faibles concentrations à partir de matières organiques végétales. Plus particulièrement, le procédé de l'invention permet de foumir les conditions favorables à la production et à la libération en continu de substances volatiles pouvant être obtenues à de faibles concentrations à partir de la matière organique végétale à traiter, d'effectuer une déshydratation totale ou partielle de cette matière organique végétale et de récupérer, à la fin du traitement, la matière organique végétale d'une part et un liquide condensat d'autre part contenant des substances organiques volatiles d'intérêt pouvant être facilement extraites de ce condensat et concentrées par la suite. Le procédé d'extraction de la présente invention est donc caractérisé en ce qu'il comprend une étape de désagrégation des tissus de la matière organique à une granulométrie prédéterminée de façon à générer, par l'entremise d'une exposition des tissus désagrégés à l'air ambiant, une réaction chimique etlou enzymatique, particulièrement une réaction de biosynthèse permettant la production de la substance organique d'intérêt. La biosynthèse de la substance organique d'intérêt, par exemple un composé d'arôme, terminée, la matière organique végétale désagrégée est ensuite chauffée dans une enceinte par injection de vapeur d'eau dans des conditions de pression, particulièrement de pression de vapeurs, variant de 20 grammes au-dessus de la pression atmosphérique à 3 bars. La matière végétale désagrégée ayant atteint la température souhaitée (80 à 130"C), celle-ci est transférée à l'aide d'une pompe appropriée de la chambre de chauffe dans une enceinte appelée chambre de détente mise sous vide. Le transfert de la matière végétale dans une enceinte sous vide provoque une vaporisation brutale de l'eau contenue dans la matière végétale ainsi qu'un abaissement de la température de la matière végétale. Les vapeurs ainsi générées sont ensuite condenses par un condenseur également sous vide et on récupère un condensat comprenant les composés organiques d'intérêt1 particulièrement des composés d'arômes type Notes Vertes qui sont ensuite extraits et concentrés. De façon particulière, le procédé de l'invention est utilisé pour l'extraction, à partir de matières organiques végétales diverses, de substances organiques tels des arômes et particulièrement des Ce aldéhydes et des C6 alcools volatils qui présentent un intérêt commercial particulier. Parmi les substances organiques d'intérêt à extraire en mettant en oeuvre le procédé de la présente invention, on peut mentionner à titre d'exemple l'hexanal, le (E)-2-hexenal, le 1-hexanol, le (Z)-3-hexen-l-ol ainsi que le (E)-2-hexen-l-ol. Ces substances sont produites à partir d'acides gras polyinsaturés par l'entremise d'une réaction enzymatique impliquant la lipoxygénase et l'hydropéroxyde lyase en présence d'oxygène. Plus particulièrement, cette réaction enzymatique a lieu lorsque les tissus de la matière organique solide sont désagrégés et que les enzymes mentionnés précédemment, plus particulièrement en lypoxygénase, sont exposés à l'air ambiant. Le mécanisme de synthèse enzymatique de ces composés est décrit de façon plus détaillée dans les publications suivantes: J. Agric. Food Chem. 1983,31,176-178, Lebensm. WIss u. Technol. 19 152-155 (1986) et dans le livre intitulé . Le procédé de la présente invention permet, par l'utilisation d'une étape de désagrégation des tissus d'une matière organique végétale, de générer et d'extraire des substances synthétisées à partir d'enzymes présentes dans la matière organique sans augmenter sensiblement le coût global du traitement initial. Chacune des étapes du procédé de l'invention sera maintenant décrite de façon détaillée cidessous. Désagrégation des tissus de la matière oraaniaue solide L'étape de désagrégation des tissus de la matière organique solide est préalable à tout chauffage susceptible de dégrader les systèmes enzymatiques et par conséquent de modifier ou de ralentir la réaction enzymatique par laquelle les substances aromatiques désirées sont produites. Cette étape de désagrégation est très importante puisqu'elle permet d'exposer à l'air ambiant les enzymes intracellulaires induisant la bioconversion des précurseurs présents dans les cellules de la matière organique végétale, par exemple des acides gras polyinsaturés en C1, en substances organiques d'intérêt. L'article de Hatanaka et al auquel il est fait référence ci-dessus décrit de façon assez détaillée le mécanisme enzymatique permettant la synthèse de composés volatiles en C6 par l'entremise de la lipoxygénase et de l'hydropéroxyde lyase. On y mentionne entre autres que l'hydropéroxyde lyase se trouve à plusieurs endroits dans les plantes et particulièrement dans les tissus associés au chloroplaste. On y mentionne également (voir page 173) que la présence d'oxygène est essentielle pour que la réaction enzymatique s'effectue. De façon préférée, la désagrégation des tissus s'effectue par broyage etlou par coupage. Le coupage est cependant préféré parce que cette opération permet d'éviter de générer un excès d'eau. Des quantités optimales de (E)-2-hexenal ont été obtenues en laboratoire en broyant la luzerne, et particulièrement la partie aérienne de la luzerne soit les tiges et les feuilles, de façon à obtenir des fragments de dimensions inférieurs ou égales à 2 mm. Cependant, au niveau industriel, une désagrégation de luzerne permettant d'obtenir des fragments d'une taille comprise entre 1 et 2 cm donne des résultats satisfaisants. La taille des particules broyées ou coupées peut donc varier de 1 mm à 4 cm, la taille optimale se situant autour de 2 mm. Une fois le broyage effectué, la réaction enzymatique a lieu à l'intérieur d'un délai relativement court, de l'ordre de 1 seconde à 2 minutes. II est cependant préférable de laisser la matière organique broyée exposée à l'air ambiant pour une période variant de 5 secondes à 5 minutes afin de s'assurer que la réaction enzymatique est complète. Une fois cette réaction enzymatique terminée, la matière organique solide est chargée dans une enceinte pour y être chauffée. Chauffage de la matière organique désagrégée Le chauffage de la matière organique végétale à l'intérieur d'une enceinte pouvant être pressurisée est effectué par injection directe de vapeur, particulièrement à une pression de vapeur pouvant varier de 0,1 à 3 bars, etlou par contact en utilisant une double paroi chauffée. La quantité de vapeur d'eau injectée dans l'enceinte varie en fonction de la nature et de la quantité de matière organique à traiter d'une part, et de la pression de vapeur dans l'enceinte d'autre part. De façon générale, il est souhaitable d'injecter entre 5 et 25 kg de vapeur d'eau pour 100 kg de matière organique à traiter. En ce qui conceme le temps de chauffage requis, il varie de façon générale de 3 à 15 minutes, et jusqu'à ce que la matière végétale ait atteint la température souhaitée, de préférence 80 à 130"C et plus particulièrement d'environ 100 C. Diminution raide de la Dression Cette étape du procédé est importante car elle permet l'obtention d'une vapeur comprenant l'essentiel des substances aromatiques à extraire. De façon générale, la diminution rapide de la pression est effectuée en transférant la matière organique chauffée, à l'aide d'une pompe appropriée, de la chambre de chauffe dans une enceinte appelée chambre de détente mise sous vide. Ce transfert provoque une ébullition de cette eau constitutive de la matière chauffée, une vaporisation brutale de cette eau ainsi qu'un abaissement plus ou moins important de la température de la matière chauffée qui varie en fonction du vide de la chambre de détente. Afin d'augmenter au maximum la quantité de substances organiques d'intérêt qui sera vaporisée lors de la diminution de pression, il est souhaitable de travailler à l'intérieur d'écarts de pression relativement précis. Ainsi, la température de la matière végétale passe, de façon préférée, de 100 C à une température variant de 60 à 15"C et de préférence à environ 25"C. RécuPération de la matière organique végétale Dartiellement déshvdratée Au cours de l'étape précédente de diminution rapide de la pression, une partie de l'eau contenue dans la substance organique végétale est évaporée. La substance organique végétale est donc partiellement déshydratée. Le procédé de l'invention comprend donc une étape de récupération de cette matière organique partiellement déshydratée, de préférence déshydratée à un taux variant de 25 à 35% MS/MF (MS = matière sèche ; MF = matière fraîche). Cette substance organique végétale partiellement déshydratée peut faire l'objet de traitement de déshydratation additionnel pour produire des granulés de luzerne déshydratée utilisables pour l'alimentation du bétail. Condensation du liauide vaPorisé Cette étape de condensation peut être effectuée en utilisant des échangeurs standards qui permettront de récupérer les substances organiques d'intérêt. La température de condensation varie en fonction de la substance à récupérer mais se situe généralement entre 0 et 10 C. Une fois la vapeur condensée, les substances d'intérêt sont concentrées et purifiées à partir de méthodes diverses. Dans le cas de substances volatiles aromatiques de type Notes Vertes, on utilise des méthodes telles que l'osmose inverse, I'évaporation sous vide, l'extraction liquidelliquide par solvant pour la concentration ; la distillation fractionnée pour la concentration et la purification. Le procédé décrit ciaessus peut être mis en oeuvre par l'utilisation de dispositifs de traitement de matière organique tel que définis dans les brevets français 84 13469, 88 14311 et 89 17414. Des modifications sont toutefois nécessaires afin de permettre l'exécution de l'étape initiale de désagrégation des tissus. Pour mettre en oeuvre cette étape, on peut utiliser les appareils suivants : broyeur CLERO type dilacérateur, hacheur à couteau de marque PROMILL, etc. L'importance de la dimension des fragments de luzerne sur la biosynthèse des composés d'arômes peut requérir le montage de plusieurs broyeurs en série, chaque broyeur étant réglé selon le type de broyage demandé: grossier, fin, très fin, etc. L'invention est illustrée davantage en se référant à la figure de dessin cidointe dans laquelle: - la figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Se référant maintenant à la figure 1; le dispositif d'extraction de l'invention, représenté de façon générale par la référence numérique 10, comprend un groupe de prétraitement 20, un groupe de chauffe 30, un groupe de vaporisation 40 ainsi qu'un groupe de condensationiséparation 50. Le groupe de prétraitement 20 comprend un convoyeur 22 relié à une trémie d'alimentation 24 sur laquelle la matière organique végétale à traiter est introduite. Le groupe de prétraitement 20 comprend également un broyeur 26 placé de façon à recevoir la matière organique végétale transportée par le convoyeur 22. Bien que la réalisation de la figure 1 ne montre qu'un seul broyeur 26, tel que mentionné précédemment, il est possible d'ajouter un ou plusieurs autres broyeurs en série avec ce demier de manière à obtenir le type de broyage requis. Le groupe de chauffe 30 comprend une chambre de chauffe 32 directement reliée au broyeur 26 à l'une de ses extrémités 33. L'autre extrémité 34 de la chambre de chauffe 32 est reliée à une pompe de transfert 36. Le groupe de vaporisation 40 comprend une chambre de vaporisation 42 reliée à la pompe de transfert 36 par l'entremise du conduit 43. A son extrémité inférieure, la chambre de vaporisation 42 est reliée à une pompe de transfert 44 elle-même reliée à un conduit de sortie 46. Le groupe de condensationiséparation 50 comprend un condenseur tubulaire 52 relié en cette partie supérieure à un groupe frigorifiant 54. Le condenseur tubulaire 52 est également relié en sa partie supérieure à une pompe à vide lubrifiée 56 ainsi qu'à une pompe à vide sèche 58 reliée à un condenseur auxiliaire 66 relié luimême à un bac de récupération 70. En sa partie inférieure, le condenseur tubulaire 52 est relié à un ballon de collection 60, lui-même relié à une pompe de transfert 62 ainsi qu'à un réservoir réfrigéré 64. Lorsqu'on désire effectuer l'extraction d'une ou de plusieurs substances organiques et plus particulièrement de substances organiques volatiles, de substances aromatiques ou de composés d'arômes à partir de matières organiques végétales, la matière organique végétale est d'abord chargée dans la trémie d'alimentation 24 puis acheminée par l'entremise du convoyeur 22 vers le broyeur 26. Une fois le broyage effectué, la matière organique végétale est transférée dans la chambre de chauffe 32 où elle est chauffée. Une fois le chauffage terminé, la matière organique chauffée est transférée dans la chambre de vaporisation 42 par l'entremise de la pompe de transfert 36. La chambre de vaporisation 42 étant mise sous vide, le transfert de la matière organique végétale provoque une vaporisation de l'eau contenue dans la matière chauffée ainsi qu'un abaissement plus ou moins important de la température de la matière chauffée qui varie en fonction du vide de la chambre de vaporisation 42. Les vapeurs générées dans la chambre de condensation 42 sont transférées vers le condenseur tubulaire 52 où elles sont refroidies. Une fois le refroidissement terminé, les condensats sont transférés d'abord vers le ballon de collection des eaux aromatiques 60 puis ensuite vers le réservoir réfrigéré 64 par l'entremise de la pompe de transfert 62. Les substances d'intérêt sont extraites à partir des condensats se trouvant dans le réservoir réfrigéré 64. Bien que le condenseur tubulaire 52 permette de condenser une grande partie des vapeurs, les vapeurs non condensées sont acheminées vers la pompe à vide sèche 58 qui est normalement à pression atmosphérique. Cette différence de pression permet une meilleure condensation qui est alors effectuée par l'entremise du condenseur auxiliaire 66, ce qui permet de récupérer une autre partie des substances aromatiques d'intérêt dans le bac de récupération 70. Exemole 1 Procédé d'extraction de composés d'arômes de tvDe Notes Vertes à Dartir de luzerne De la luzerne provenant d'une culture de deuxième année est récoltée au stade végétatif de l'apparition des premières fleurs de la manière habituellement utilisée par les déshydrateurs, c'est-à-dire par fauchage et ensilage. II est préférable d'éviter de laisser la luzerne sur le champ après le fauchage. La luzerne est ensuite traitée par l'entremise de l'appareil décrit à la figure 1 qui comprend un broyeur CLERO de type délicérateur DL 400 à un débit d'alimentation de 300 kg/h régulé par un tapis peseur à vitesse variable. Après broyage, la concentration de la luzerne en Trans 2 Hexenal est de 42 mg/kg de matière fraîche. La luzerne broyée entre directement dans la chambre de chauffe alimentée par 60 kglh de vapeur à une pression d'alimentation de 0,1 bar. Le temps de chauffage de la luzerne est de 6 minutes. A la sortie de la chambre de chauffe, la température de la luzerne est de 97"C. La luzerne est ensuite transférée par une pompe à vis à garniture de marque FRISTAM type RIS 50 D dans une enceinte sous vide à une pression de 40 mbars. Après détente, la matière organique solide est récupérée au bas de la chambre de détente par une pompe EGRETIER pour être évacuée vers une installation de déshydratation. La matière organique végétale n'est alors que partiellement déshydratée. La température de la luzerne est alors de 27"C et la concentration en Trans 2 Hexenal est de 8 mg/kg. La vapeur d'eau générée dans la chambre de détente lors du pompage de la luzerne est condensée par un condenseur multitubulaire alimenté par de l'eau glycolée à 2"C. La quantité de condensat récupérée est de 45 kg/h et la concentration en Trans 2 hexenal dans les condensats est de 138 mg/kg. La mise sous vide de la chambre de vaporisation et du condenseur sous vide est réalisée par une pompe à vide sèche BUSH de type COBRA C 100. Au refoulement de la pompe est installé un condenseur multitubulaire de 1,8 m2 alimenté en eau glycolée à 2"C. Sur ce condenseur, on récupère 1.3 kg/h de condensat ayant une concentration en Trans 2 hexenal de 587 mg/kg. Les condenseurs sont alors concentrés dans une colonne de fractionnement en continu comprenant 15 plateaux d'épuissement, 20 plateaux de concentration. Le concentré, ayant une concentration supérieure à 25 g", est ensuite récupéré dans une colonne de fractionnement TOURNAIRE jusqu'à l'obtention de Trans 2 hexenal à une concentration de 95%. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extraction de substances organiques d'intérêt, plus particulièrement de substances organiques volatiles, de substances aromatiques ou de composés d'arômes, présent ou pouvant être obtenus à partir de matière organique végétale, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: - la désagrégation des tissus de la matière organique végétale à une granulométrie prédéterminée, de façon à générer, par l'entremise d'une exposition des tissus désagrégés à l'air ambiant, une réaction chimique etlou enzymatique, particulièrement une réaction de biosynthèse permettant la production d'une substance organique d'intérêt; - le chauffage de la matière organique végétale désagrégée par injection de vapeur d'eau; - la vaporisation rapide de l'eau contenue dans la matière organique végétale chauffée par le transfert rapide de la matière organique végétale à une pression substantiellement inférieure à la pression appliquée lors du chauffage; - la condensation de l'eau vaporisée en un condensat comprenant ladite substance organique d'intérêt; et - la concentration et l'extraction de ladite substance organique à partir dudit condensat. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière organique végétale partiellement déshydratée est récupérée après la vaporisation rapide de l'eau contenue dans ladite matière organique végétale chauffée. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conditions de température et de pression sont ajustées de façon à extraire entre 5 et 15% de l'eau contenue dans la matière organique végétale. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière organique végétale est désagrégée par broyage ou coupage. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière organique solide est coupée de façon à obtenir des morceaux ayant une taille variant entre 1 et 20 mm, particulièrement de 1 à 10 mm et plus particulièrement de 10 mm. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière organique désagrégée est exposée à l'air pendant une période variant de 5 secondes à 5 minutes, particulièrement de 5 secondes à 2 minutes. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on injecte entre 5 et 25 kg de vapeur d'eau pour 100 kg de matière organique solide à traiter. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape de diminution rapide de pression, la température de la matière organique végétale chauffée passe d'environ 100 C à une température variant de 60"C à 15"C. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière organique solide comprend la luzerne, le tabac, les épinards, la chicorée, les pommes de terre, la menthe, les poireaux, la laitue, les endives, le choux et les radis. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conditions expérimentales sont adaptées de façon à pouvoir extraire les substances aromatiques d'intérêt tels les composés volatiles en C6, notamment des C6 aldéhydes et des Cs alcools. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite substance aromatique comprend l'hexanal, le (E)-2-hexenal, le 1- hexanol, le (Z)-3+exen-1-ol et le (E)-2-hexen-1-ol. 12. Dispositif d'extraction de substances organiques d'intérêt à partir de matière organique végétale, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens de prétraitement permettant le broyage etlou la coupe de ladite matière organique végétale à des dimensions permettant de générer, par l'entremise d'une exposition des tissus désagrégés à l'air ambiant, une réaction chimique etlou enzymatique, particulièrement une réaction de biosynthèse, permettant la production de ladite substance organique d'intérêt; et - des moyens permettant le chauffage de la matière organique végétale désagrégée par injection de vapeur d'eau, la vaporisation rapide de l'eau contenue dans la matière organique végétale chauffée, la condensation de l'eau vaporisée en un condensat comprenant ladite substance organique.