Procédés utilisant les Fluides Supercritiques

Les procédés à base de fluides supercritiques comprennent l’extraction, l’imprégnation, la formation de particules, la formulation, la stérilisation, le nettoyage et les réactions chimiques, entre autres. Dans tous les cas, le fluide supercritique est utilisé comme alternative aux solvants liquides organiques traditionnels.

Les fluides supercritiques les plus utilisés sont le CO2 (Tc = 31°C, Pc = 74 bar) et l’eau (Tc = 374°C, Pc = 221 bar) mais certains procédés (extraction, réactions) utilisent aussi parfois l’éthanol, le propane, l’éthane principalement. Les procédés au CO2 supercritique sont les plus répandus car ils dispensent des opérations d’élimination des résidus de solvants, le CO2 est peu onéreux et non toxiques.

Quelques exemples de procédés réalisés dans des conditions supercritiques et sous-critiques sont présentés ci-dessous :

Extraction

Le principe de l’extraction des solides par CO2 supercritique repose sur la forte variation du pouvoir solvant du CO2 qui se produit par simple variation des conditions de fonctionnement (température et pression). Ceci permet d’extraire sélectivement les molécules en fonction de leur nature chimique. Très faiblement polaire, le CO2 s’avère être un excellent solvant de molécules non polaires ou de petites molécules polaires dans des conditions supercritiques. Une fois le composé désiré dissous dans du CO2 supercritique, l’extrait pur peut facilement être obtenu par simple dépressurisation. Il en résulte la séparation du CO2, qui redevient gaz, de l’extrait, qui est récupéré sous forme solide ou liquide. En théorie, toute matière solide poreuse (plantes, plastiques, bois, etc.) peut être traitée par extraction fluide supercritique pour récupérer des composés précieux (huiles, parfums, pigments, etc.) ou des substances indésirables (polluants, solvants résiduels, etc.).
L’extraction sous-critique de l’eau peut également être réalisée pour extraire des composés hydrophobes (polyphénols, terpènes, tanins…) de différentes matières végétales (fruits, bois, algues…).

Fractionnement

Basé sur le principe de l’extraction supercritique du CO2 des solides, l’extraction (fractionnement) des liquides peut également être effectuée afin d’atteindre des niveaux élevés de purification. Exemples de liquides concernés par ce procédé : extraits végétaux, huiles végétales, huiles de poisson, polymères…

Imprégnation

Le principe de l’imprégnation par fluide supercritique consiste à faire analyser un matériau solide poreux (polymères, bois, textiles…) par un fluide supercritique (principalement du CO2) dans lequel la substance active à imprégner est préalablement dissoute. Cette étape est suivie d’une relaxation qui provoque le passage du CO2 à l’état gazeux, laissant le matériau « cible » imprégné de la substance active. Par conséquent, l’imprégnation d’une matrice solide avec un composé actif est facilement réalisable en utilisant des technologies à base de fluides supercritiques. Exemple de l’utilisation de l’imprégnation supercritcal comprennent la teinture des textiles, le tannage du cuir, l’imprégnation du bois ….

Formation de poudre

Il s’agit de la production de micro et nanoparticules, de la cristallisation, de la précipitation, de la micronisation de matériaux inorganiques, organiques, pharmaceutiques et polymères. Il existe deux façons principales de précipiter les micro et nanoparticules, soit en utilisant le fluide supercritique comme solvant, la technique RESS (Rapid Expansion of Supercritical Solutions), soit en l’utilisant comme anti-solvant, la technique SAS (Supercritical Anti-Solvent). L’encapsulation de diverses substances et polymères peut également être réalisée par le procédé PGSS (Particles from Gas Saturated Solutions).

Dépôt

Le dépôt de fluides chimiques (CFD) implique la réduction chimique de composés organométalliques dans des fluides supercritiques pour produire des dépôts de haute pureté. Généralement, la réaction est amorcée par l’ajout de H2 ou d’un autre agent réducteur. Les avantages de la CFD par rapport aux techniques de dépôt conventionnelles sont une conséquence des propriétés uniques des fluides supercritiques, favorisant ainsi l’infiltration dans des géométries complexes et minimisant les limitations de transfert de masse communes aux réductions en phase liquide. Des films métalliques de haute pureté comprenant Pt, Pd, Au, Rh, Rh, Ni, Cu, Al ont été déposés par CFD à partir de fluides supercritiques CO2 en utilisant des précurseurs appropriés.

Réactions chimiques

La réalisation de réactions chimiques dans des conditions supercritiques permet de manipuler l’environnement réactionnel (propriétés des solvants) en augmentant la pression pour améliorer la solubilité des réactifs et des produits, éliminer les limitations du transport interphases, augmentant ainsi les vitesses de réaction, et intégrer les opérations des unités de réaction et de séparation. Les conditions supercritiques peuvent être avantageuses pour les réactions involuant dans le traitement des combustibles, la conversion de la biomasse, la biocatalyse, la catalyse homogène et hétérogène, le contrôle environnemental, la polymérisation, la synthèse des matériaux et la synthèse chimique. Parmi les exemples de réactions chimiques réalisées à l’échelle industrielle, on peut citer les réactions d’hydrogénation, d’oxydation, d’estérification et d’éthérification, entre autres.

Stérilisation

Les fluides supercritiques ont démontré leur capacité à inactiver les bactéries, les champignons, les levures et les virus, fournissant ainsi un moyen efficace pour la stérilisation des aliments et des dispositifs médicaux. Le mécanisme d’inactivation des micro-organismes n’est pas encore entièrement compris, mais certaines preuves montrent que cela peut être dû à une altération de la paroi cellulaire due à une forte interaction du fluide avec les lipides et à l’inactivation des enzymes clés résultant de la diminution du pH dans la cellule.

Séchage

Les procédés de séchage supercritiques reposent sur l’extraction de l’eau et d’autres solvants à l’aide de CO2 supercritique. L’absence de tension superficielle permet d’éliminer le fluide supercritique sans déformation. Ces procédés sont utilisés pour la fabrication d’aérogels mais aussi pour la lyophilisation (lyophilisation) de matrices biologiques et alimentaires et le nettoyage à sec de vêtements (en remplacement des solvants chlorés) de manière écologique.

Nettoyage

Dans le processus de nettoyage, l’utilisation de CO2 supercritique avec ou sans ajout d’agents tensioactifs spécifiques évite l’utilisation de solvants tels que le trichloréthylène. Pour des raisons environnementales, ce solvant toxique est soumis à de nombreuses contraintes sanitaires et réglementaires, laissant la place aux solvants « verts ». Bien que seuls les solvants hydrocarbonés soient aujourd’hui en mesure de répondre à la demande du marché pour des solutions alternatives aux solvants chlorés, l’utilisation du CO2 sous pression ou du CO2 supercritique apparaît comme une alternative industrielle particulièrement intéressante aux solvants chlorés. Ce procédé est industrialisé pour le nettoyage à sec de textiles, le nettoyage de pièces de rechange mécaniques…

Chromatographie

La chromatographie en lit fluidisé supercritique (SFC) est utilisée pour l’analyse et la purification de molécules de poids moléculaire faible à modéré, thermiquement labiles et pour la séparation des composés chiraux. Les principes sont similaires à ceux de la chromatographie liquide à haute performance (CLHP), mais SFC utilise généralement le dioxyde de carbone comme phase mobile. Par conséquent, la technique est plus polyvalente, présente une meilleure résolution et des temps d’analyse plus rapides que les méthodes conventionnelles de chromatographie liquide.

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