Brevet FR3053682A1 — publié le 20180112

La présente invention s'inscrit dans le domaine de la concentration des solutions liquides par les procédés d'osmose, plus particulièrement par les procédés d'osmose directe. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé d'extraction, par osmose directe, d'un composé déterminé contenu dans une solution liquide, mettant en oeuvre une solution d'extraction de composition particulière. L'invention concerne également une solution d'extraction pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Elle concerne en outre l'utilisation de lactate de potassium dans un procédé d'osmose directe. De manière générale, l'osmose est définie comme le transfert d'un solvant d'une solution diluée, de faible pression osmotique, vers une solution concentrée, de plus forte pression osmotique, au travers d'une membrane semi-perméable, plus précisément perméable audit solvant mais non aux solutés. En particulier, dans les procédés réalisant l'extraction de solvant d'une solution liquide par osmose directe, dits procédés d'osmose directe, le solvant à extraire de la solution, dite solution d'alimentation, est mis en contact avec une première face d'une membrane semi-perméable, généralement la face au niveau de laquelle est disposée une couche active de la membrane. Une autre solution, dite solution d'extraction, est mise en contact avec la face opposée de la membrane, généralement la face au niveau de laquelle est disposée une couche dite support de la membrane. La solution d'extraction est typiquement une solution aqueuse très concentrée en un sel de forte pression osmotique. Lors de la mise en oeuvre du procédé, le solvant est transporté, à travers la membrane, depuis la solution d'alimentation vers la solution d'extraction, c'est- à-dire depuis la solution de plus basse pression osmotique vers la solution de plus haute pression osmotique, la force motrice du système étant liée à la différence de pression osmotique entre les deux solutions. Ces procédés sont généralement mis en oeuvre pour l'extraction d'eau de la solution d'alimentation. Ils peuvent également être mis en oeuvre de manière similaire pour l'extraction de la solution d'alimentation de tout autre composé d'intérêt 3053682 2 que l'eau, par un choix adéquat de la membrane et de la solution d'extraction. Les procédés d'osmose directe sont mis en oeuvre depuis longtemps pour le dessalement de l'eau de mer. Plus récemment, il a été proposé par l'art antérieur d'utiliser l'osmose 5 directe pour la concentration de solutions liquides d'intérêt, par exemple dans le domaine alimentaire, le domaine de la santé ou le domaine cosmétique, par extraction d'une partie ou de la totalité de l'eau contenue dans ces solutions. L'intérêt de cette technologie est notamment qu'elle permet de concentrer la solution d'intérêt tout en y conservant intacts les autres composés, y compris 10 les composés thermosensibles. Ceci s'avère en particulier tout à fait avantageux dans les cas où ces autres composés sont de haute valeur ajoutée, tels que des arômes, vitamines, colorants naturels, principes actifs, etc. Les solutions d'extraction mises en oeuvre de manière classique dans 15 de tels procédés sont des solutions aqueuses contenant un sel tel que le chlorure de sodium, le chlorure de calcium ou le nitrate de calcium par exemple. Ces solutions sont couramment qualifiées d'agents osmotiques. Il a notamment été proposé par l'art antérieur, illustré par exemple par le document WO-A-2013/148289, de mettre en oeuvre, en tant que solution 20 d'extraction, une solution aqueuse contenant un tensioactif soluble dans l'eau, et plus particulièrement un tensioactif anionique, tel que le lactate de sodium. Les agents osmotiques proposés par l'art antérieur, et compatibles avec le domaine alimentaire, présentent cependant tous des inconvénients, en particulier une faible efficacité et/ou une forte rétrodiffusion des sels à travers la 25 membrane. Le terme rétrodiffusion est employé ici pour désigner le phénomène selon lequel le sel contenu dans la solution d'extraction diffuse à travers la membrane vers la solution d'alimentation, ce qui s'avère bien évidemment préjudiciable lorsque la solution d'alimentation est une solution contenant des composés à haute valeur ajoutée, que le procédé d'osmose 30 directe vise à concentrer et/ou à purifier. 3053682 3 La présente invention vise à remédier aux inconvénients des procédés proposés par l'art antérieur pour l'extraction par la technique d'osmose directe d'un composé déterminé d'une solution liquide qui le contient, en proposant un procédé d'osmose directe qui permette de réaliser une telle extraction 5 rapidement et efficacement, en limitant en outre la rétrodiffusion du sel de l'agent osmotique à travers la membrane. Ainsi, selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention un procédé d'extraction par osmose directe d'un composé déterminé contenu dans une solution liquide, dite solution d'alimentation, selon lequel : on fait 10 circuler la solution d'alimentation au contact d'une première face d'une membrane apte à permettre sélectivement le transfert par osmose du composé déterminé à son travers, et on fait circuler une deuxième solution liquide, dite solution d'extraction, au contact d'une deuxième face de la membrane opposée à la première face. La solution d'extraction contient du lactate de potassium, en 15 solution dans un solvant. De préférence, le lactate de potassium est le composant majoritaire en solution dans le solvant de la solution d'extraction. Préférentiellement, la solution d'extraction consiste essentiellement en du lactate de potassium en solution dans le solvant. 20 Le terme solvant englobe ici également les mélanges de solvants. Il a été constaté par les présents inventeurs que le lactate de potassium permet de réaliser une extraction du composé déterminé de la solution d'alimentation plus rapide que la grande majorité des agents osmotiques proposés par l'art antérieur pour l'osmose directe. 25 En outre, de manière très surprenante, il a été constaté par les présents inventeurs que le lactate de potassium permet de réaliser une extraction au moins aussi rapide, et qui plus est accompagnée d'une rétrodiffusion plus faible, que le lactate de sodium. Ce résultat est d'autant plus inattendu qu'il est bien connu de l'homme du métier que pour un même anion, 30 les sels contenant du potassium diffusent plus vite à travers les membranes 3053682 4 que leurs homologues possédant du sodium en tant que cation. Ainsi, l'homme du métier n'aurait nullement envisagé de mettre en oeuvre du lactate de potassium comme alternative au lactate de sodium pour former des agents osmotiques pour l'osmose directe. 5 En particulier, lors de la mise en oeuvre du procédé d'osmose directe selon l'invention, le flux de rétrodiffusion du lactate de potassium à travers la membrane est très bas, et le rapport du flux du composé déterminé extrait de la solution d'alimentation sur le flux de rétrodiffusion (c'est-à-dire le volume du composé déterminé extrait de la solution d'alimentation, par gramme de sel 10 ayant diffusé de la solution d'extraction dans la solution d'alimentation) est particulièrement élevé. Ceci reflète d'une grande efficacité du procédé d'osmose directe selon l'invention. Une telle efficacité est d'autant plus importante aux fortes concentrations de lactate de potassium dans la solution d'extraction, en 15 particulier aux concentrations supérieures ou égales à 5 mol/I. Le lactate de potassium préconisé par la présente invention présente en outre les avantages d'être compatible avec une utilisation dans le domaine alimentaire, au contact des aliments, ainsi que d'être compatible avec les membranes mises en oeuvre de manière classique dans le domaine des 20 procédés d'osmose directe, par exemple avec les membranes en tri acétate de cellulose. Dans la grande majorité des cas, le composé déterminé à extraire de la solution d'alimentation par le procédé selon l'invention est l'eau. Dans de tels cas, la solution d'extraction selon l'invention est avantageusement une solution 25 aqueuse contenant du lactate de potassium. L'invention n'exclut pas pour autant que le procédé selon l'invention soit mis en oeuvre pour l'extraction de tout autre composé d'intérêt de la solution d'alimentation, par un choix adéquat d'une part de la membrane, et d'autre part du solvant entrant dans la composition de la solution d'extraction. 30 Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, la 3053682 5 solution d'extraction est une solution aqueuse contenant du lactate de potassium, qui constitue en outre de préférence le composant majoritaire dans le véhicule aqueux, c'est-à-dire le composant présent en plus grande quantité. Préférentiellement, la solution d'extraction comprend essentiellement du lactate 5 de potassium en solution dans l'eau. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, la concentration en lactate de potassium dans la solution d'extraction est comprise entre 5 et 9,4 mol/I. Comme exposé précédemment, à de telles concentrations, l'efficacité du procédé d'osmose directe selon l'invention est 10 particulièrement élevée. La concentration de 9,4 mol/I, qui correspond à la concentration de viscosité maximale acceptable de la solution d'extraction pour la mise en oeuvre du procédé d'osmose directe, est particulièrement préférée dans le cadre de l'invention, car permettant d'obtenir des performances très élevées 15 d'extraction du composé déterminé de la solution d'alimentation. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, la membrane choisie comporte, au niveau de la première face, une couche dite active, et, au niveau de la deuxième face, une couche dite support, la couche active étant plus dense que la couche support. Selon l'invention, la solution 20 d'alimentation est ainsi mise en contact avec la couche active de la membrane, et la solution d'extraction avec la couche support. Une telle caractéristique permet avantageusement d'obtenir une plus grande efficacité du procédé d'osmose directe selon l'invention, en particulier en termes de sélectivité vis-à-vis des composés transférés à travers la 25 membrane. Ne sont pas exclus pour autant de la présente invention les modes de mise en oeuvre dans lesquels la première face de la membrane, au contact de la solution d'alimentation, est formée par une couche support, et la deuxième face de la membrane, au contact de la solution d'extraction, est formée par une 30 couche active, plus dense. 3053682 6 Toute autre configuration de la membrane entre en outre également dans la portée de la présente invention, par exemple les configurations dans lesquelles la membrane comporte deux couches actives entre lesquelles est interposée une couche support, chacune de la solution d'alimentation et de la 5 solution d'extraction étant alors en contact avec une couche active. Parmi ces couches actives, l'une peut être plus dense que l'autre. Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, le procédé comprend une étape finale de régénération de la solution d'extraction, c'est-à-dire de la solution de lactate de potassium, par élimination de tout ou 10 partie du composé déterminé qu'elle contient, qui a notamment été extrait de la solution d'alimentation. Cette étape de régénération peut notamment être réalisée par évaporation dudit composé déterminé, en particulier lorsque ce dernier est de l'eau. Une telle régénération est notamment rendue possible par une caractéristique particulière du lactate de potassium préconisé par 15 l'invention, à savoir une bonne thermo-stabilité. Selon un autre aspect, la présente invention concerne une solution d'extraction pour la mise en oeuvre d'un procédé d'extraction par osmose directe d'un composé déterminé contenu dans une solution liquide, notamment d'un procédé selon la présente invention, répondant à l'une ou plusieurs des 20 caractéristiques exposées ci-avant. Cette solution d'extraction contient du lactate de potassium. Préférentiellement, cette solution d'extraction consiste en une solution aqueuse contenant du lactate de potassium. Le lactate de potassium est de préférence le composant majoritaire contenu dans le véhicule aqueux, et 25 préférentiellement essentiellement le seul composant contenu dans le véhicule aqueux. La concentration en lactate de potassium dans la solution d'extraction est de préférence comprise entre 5 et 9,4 mol/I. Selon un troisième aspect, la présente invention concerne l'utilisation 30 de lactate de potassium dans un procédé d'extraction par osmose directe d'un 3053682 7 composé déterminé contenu dans une solution liquide. Selon l'invention, le lactate de potassium est mis en oeuvre en tant que composant, de préférence composant majoritaire, de la solution d'extraction utilisée dans le procédé d'osmose directe, en solution dans un solvant. 5 Cette solution d'extraction peut répondre à l'une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-avant en référence au procédé selon l'invention, d'extraction par osmose directe d'un composé donné contenu dans une solution liquide. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus 10 clairement à la lumière des exemples de mise en oeuvre ci-après, fournis à simple titre illustratif et nullement limitatifs de l'invention, avec l'appui des figures 1 à 3, dans lesquelles : - la figure 1 représente un graphe montrant le flux de sel spécifique (Jw/Js) en fonction de la concentration en sel initiale de la solution d'extraction, 15 à l'issue d'un procédé d'extraction d'eau par osmose directe à partir d'une solution d'alimentation constituée uniquement d'eau, pour des solutions d'extraction comportant respectivement du lactate de potassium (KL), du lactate de sodium (NaL), du chlorure de potassium (KCI) et du chlorure de sodium (NaCI) ; 20 - la figure 2 représente un graphe montrant la concentration en sucrose de la solution d'alimentation en fonction du temps, lors de la mise en oeuvre d'un procédé d'extraction d'eau par osmose directe à partir d'une solution d'alimentation constituée de sucrose dans un véhicule aqueux, pour des solutions d'extraction comportant respectivement du lactate de potassium 25 (KL), du lactate de sodium (NaL), du chlorure de potassium (KCI) et du chlorure de sodium (NaCI) ; - et la figure 3 représente un graphe montrant le flux de rétrodiffusion du sel (Js) à travers la membrane en fonction de la concentration en sucrose dans la solution d'alimentation, lors de la mise en oeuvre d'un procédé 30 d'extraction d'eau par osmose directe à partir d'une solution d'alimentation 3053682 8 constituée de sucrose dans un véhicule aqueux, pour des solutions d'extraction comportant respectivement du lactate de potassium (KL), du lactate de sodium (NaL), du chlorure de potassium (KCI) et du chlorure de sodium (NaCI). A/ Dispositif et procédé d'osmose directe 5 Pour les expériences ci-après, il est mis en oeuvre un dispositif d'osmose directe classique en lui-même, constitué d'une cellule (CF042A, Sterlitech) comprenant une membrane semi-perméable et deux circuits fermés, dans lesquels circulent respectivement, au contact de la membrane, d'une part la solution d'alimentation, contenant le composé à extraire, et d'autre part la 10 solution d'extraction. La membrane mise en oeuvre est une membrane commerciale formée en tri acétate de cellulose (CTA) (Hydration Technology Innovations) possédant une surface active de 42 cm2. La couche active de la membrane est placée en contact avec le circuit de circulation de la solution d'alimentation, et 15 la couche support de la membrane est placée en contact avec le circuit de circulation de la solution d'extraction. Chaque solution est entrainée dans le circuit associé par une pompe péristaltique à un débit de 40 1/h. B/ Expériences 20 Dans les expériences ci-après, il est testé différentes solutions d'extraction, comprenant respectivement, en solution dans l'eau : - du lactate de potassium conformément à la présente invention ; - à titre comparatif, différents composés proposés par l'art antérieur : du lactate de sodium, du chlorure de potassium ou du chlorure de 25 sodium. En particulier, le chlorure de sodium est utilisé comme agent osmotique de référence car il est abondamment étudié dans l'art antérieur. Pour chacun de ces sels, différentes concentrations sont testées. B.1/ Série d'expériences 1 3053682 9 Dans une première série d'expériences, les performances du système d'osmose directe obtenues avec les quatre solutions d'extraction ci-dessus sont comparées dans des conditions « idéales » d'utilisation, dans lesquelles de l'eau pure est utilisée comme solution d'alimentation, le composé à en 5 extraire étant l'eau. Les gammes de concentrations initiales en sel dans la solution d'extraction testées vont de 0,3 M (pour la concentration minimale) à la concentration de saturation ou de viscosité maximale acceptable de chaque agent osmotique : 4,7 M pour le chlorure de potassium (KCI), 5,4 M pour le 10 chlorure de sodium (NaCI), 9,4 M pour le lactate de potassium (KL) et 8,5 M pour le lactate de sodium (NaL). Chaque essai dure 30 min. Les volumes initiaux et finaux de solution d'alimentation et de solution d'extraction, ainsi que les conductivités initiales et finales de la solution 15 d'alimentation, sont relevés. Ces conductivités permettent de calculer les concentrations en sels dans les solutions. Les flux d'eau extraite (Jw en L /(m2.h) ou LMH) et le flux de rétrodiffusion du sel (Js en g/(m2.h) ou gMH) à travers la membrane sont alors calculés, ainsi que le flux de sel spécifique (Jw/Js en L/g), représentant le 20 volume d'eau extraite par gramme de sel ayant diffusé dans la solution d'alimentation. Une valeur élevée de cet indice indique une meilleure performance de l'agent osmotique. Les résultats obtenus pour chaque sel testé, en termes de flux de sel spécifique (Jw/Js) en fonction de la concentration en sel initiale de la solution 25 d'extraction, sont montrés sur la figure 1. On y observe que le flux de sel spécifique obtenu pour le procédé selon la présente invention, mettant en oeuvre le lactate de potassium, est bien plus élevé que celui obtenu pour le chlorure de potassium et pour le chlorure de sodium, et ce à toutes les concentrations testées. Il est en outre plus élevé 30 que celui obtenu pour le lactate de sodium aux concentrations les plus élevées, 3053682 10 supérieures ou égales à 5 M environ. B.2/ Série d'expériences 2 Dans une deuxième série d'expériences, les performances du système d'osmose directe obtenues avec les quatre solutions d'extractions décrites ci-5 dessus sont comparées pour la concentration d'une solution aqueuse de sucrose de 30°B à 60°B, le composé à en extraire ént l'eau. Les concentrations initiales en sel dans la solution d'extraction testées sont : 4,7 M pour le chlorure de potassium (KCI), 5,4 M pour le chlorure de sodium (NaCI), 9,4 M pour le lactate de potassium (KL) et 8,5 M pour le lactate 10 de sodium (NaL). 50 mL d'une solution de sucrose (solution d'alimentation) et 1 I de solution d'extraction sont introduits dans le système d'osmose directe. Des mesures de flux et des prises d'échantillons pour la détermination des concentrations en sels sont réalisées à chaque 20 mL d'eau extraite de la 15 solution d'alimentation. Les concentrations en lactate ayant rétrodiffusé dans la solution d'alimentation sont analysées avec des kits enzymatiques. Un volume de 20 mL de solution d'alimentation concentrée en sucrose à 30°B est alors ajouté dans le système. De cette façon, le volume de solution d'alimentation varie toujours entre 70 mL et 50 mL (le volume mort du système étant de 20 50 mL). Les flux d'eau extraite (Jw en L /(m2.h)) et de rétrodiffusion du sel (Js en g/(m2.h)) sont alors calculés. Les résultats obtenus, en termes de concentration en sucrose dans la solution d'alimentation en fonction du temps, sont montrés sur la figure 2. On y 25 observe que la concentration de la solution modèle de sucrose jusqu'à 60°B s'effectue plus rapidement lorsque la solution d'extraction du lactate de potassium ou du lactate de sodium. L'évolution du flux de rétrodiffusion du sel (Js) à travers la membrane, en fonction de la concentration en sucrose dans la solution d'alimentation, est 3053682 11 montrée sur la figure 3. Au cours de la concentration de la solution d'alimentation, on observe que le flux de sel rétrodiffusé diminue lorsque la concentration en sucrose de la solution d'alimentation augmente, et ce quel que soit le sel utilisé. Ceci s'explique aisément par le fait qu'au cours de la 5 concentration de la solution d'alimentation, la pression osmotique de cette dernière augmente et donc la différence de pression osmotique entre la solution d'alimentation et la solution d'extraction diminue. On observe en outre que le lactate de potassium est associé à un flux de rétrodiffusion plus faible que les autres sels étudiés. Ces résultats sont 10 cohérents avec ceux obtenus avec de l'eau pure en tant que solution d'alimentation. Le flux de sucrose à travers la membrane a en outre été calculé pour chaque sel testé. Il atteint une valeur de 0,10 gMH, avec une variation de 0,07 gMH, quel que soit le sel utilisé. L'utilisation conforme à la présente 15 invention d'une solution d'extraction à base de lactate de potassium n'a donc pas d'impact négatif sur le passage de sucre à travers la membrane, par rapport aux autres sels testés. REVENDICATIONS1. Procédé d'extraction par osmose directe d'un composé déterminé contenu dans une solution liquide, dite solution d'alimentation, selon lequel on fait circuler ladite solution d'alimentation au contact d'une première face d'une membrane apte à permettre sélectivement le transfert par osmose dudit composé déterminé, et on fait circuler une deuxième solution liquide, dite solution d'extraction, au contact d'une deuxième face de ladite membrane opposée à ladite première face, ledit procédé étant caractérisé en ce que la solution d'extraction contient du lactate de potassium. 2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel la solution d'extraction est une solution aqueuse contenant du lactate de potassium. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, selon lequel la concentration en lactate de potassium dans la solution d'extraction est comprise entre 5 et 9,4 mol/I. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une étape finale de régénération de la solution d'extraction, par élimination dudit composé déterminé qu'elle contient, notamment par évaporation dudit composé. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, selon lequel la membrane comporte, au niveau de la première face, une couche dite active, et, au niveau de la deuxième face, une couche dite support, ladite couche active étant plus dense que ladite couche support. 6. Utilisation de lactate de potassium dans un procédé d'extraction par osmose directe d'un composé déterminé contenu dans une solution liquide. 7. Solution d'extraction pour la mise en oeuvre d'un procédé 25 d'extraction par osmose directe d'un composé déterminé contenu dans une 3053682 13 solution liquide, caractérisée en ce qu'elle contient du lactate de potassium. 8. Solution d'extraction selon la revendication 7, consistant en une solution aqueuse contenant du lactate de potassium. 9. Solution d'extraction selon l'une quelconque des revendications 7 5 à 8, dans laquelle la concentration en lactate de potassium dans la solution d'extraction est comprise entre 5 et 9,4 mol/I.