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Processes and Supercritical Fluids

Supercritical extraction

Supercritical fractionation

Particle generation, crystallization, encapsulation

Impregnation (polymeric matrices and implants, silicas, ...)

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Processes and Supercritical Fluids Team
Présentation

Supercritical fluids (SCF) or subcritical fluids have specific properties that are exploited in a number of applications at both the laboratory and industrial scales. 
Their use represents an alternative to the use of organic solvents with pollution, toxicity and/or safety problems. The "Supercritical Fluids and Processes" team develops processes using mainly supercritical carbon dioxide.

The main research topics addressed by the "Processes and Supercritical Fluids" team are

- Separation and shaping processes using SCF 
     - Supercritical extraction
     - Supercritical fractionation
     - Particle generation, crystallization, encapsulation
     - Impregnation (polymeric matrices and implants, silicas, ...)

- Hydrodynamics and dispersion phenomena in high pressure media

- Phase equilibria in high pressure media

One of the team's recent emblematic projects is the creation of the Franco-Chinese Research Center on supercritical fluid technology applied to vision science, which aims to combine the skills in the field of supercritical fluids of the French teams with the ophthalmology expertise of the HE Vision group and HE University - China, to design and optimize processes for the development of innovative ophthalmic products.

Franco-Chinese research center on supercritical fluid technology applied to vision science

Franco-Chinese research center on supercritical fluid technology applied to vision science

Presentation sheet
+ Supercritical extraction
+ Supercritical fractionation
+ Particle generation, crystallization, encapsulation
+ Impregnation (polymeric matrices and implants, silicas, ...)

Team leader

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Doctorants, Post-Doctorants et CDD

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Equipement

- Autoclaves d'extraction, de cristallisation et d'imprégnation - de quelques mL à plusieurs litres.
- Montage expérimental de cristallisation ou d'encapsulation en milieu supercritique.
- Pilote de fractionnement supercritique
- Autoclave à fenêtre
- Cellules Haute Pression de mesures d'équilibres de phases résistant jusqu'à 700 bar. 

Dernières publications de l'équipe

  • 2024
    Aymeric Fabien, Guillaume Lefebvre, Elisabeth Badens, Brice Calvignac, Damien Chaudanson, et al.. Contact angle of ethanol, water, and their mixtures on stainless steel surfaces in dense carbon dioxide. Journal of Colloid and Interface Science, 2024, 655, pp.535-545. ⟨10.1016/j.jcis.2023.10.163⟩. ⟨hal-04316090⟩ Plus de détails...

    Contact angle of ethanol, water, and their mixtures on stainless steel surfaces in dense carbon dioxide

    Hypothesis Contact angle can be a key parameter in chemical engineering. However, the development and the optimization of numerous processes using supercritical CO2, considered as environmentally friendly, requires new measurements under dense CO2 atmosphere. Besides, the influence of the roughness or the wetting regime on the contact angle is known at ambient conditions but remains to be discussed for systems under high pressure. Experimental Contact angle measurements of ethanol, water, and their mixtures, with ethanol mass fractions ranging from 0.25 to 0.75, on two stainless steels in saturated CO2 at pressures ranging from 0.1 MPa to 15.1 MPa, and at 313 K and 333 K were carried out in a set-up improving mass transfer between the studied liquid and the continuous fluid phase. Stainless steel surfaces have been characterized by atomic force and scanning electron microscopies allowing the application of the Wenzel equation. Findings Ethanol wetted totally both stainless steels while contact angles of all other liquids were increased by the rise of pressure, with contact angles up to 128 ° for water at 15.1 MPa. Trapped bubbles were observed at the solid/liquid interface and the bubble formation is discussed. Furthermore, the potential influence of bubble presence on the wetting regime is prospected through the question: could the pressure rise modify the wetting regime?
    Aymeric Fabien, Guillaume Lefebvre, Elisabeth Badens, Brice Calvignac, Damien Chaudanson, et al.. Contact angle of ethanol, water, and their mixtures on stainless steel surfaces in dense carbon dioxide. Journal of Colloid and Interface Science, 2024, 655, pp.535-545. ⟨10.1016/j.jcis.2023.10.163⟩. ⟨hal-04316090⟩
    Journal: Journal of Colloid and Interface Science
    Date de publication: 01-02-2024
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.jcis.2023.10.163
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  • 2023
    Vénicia Numa, Christelle Crampon, Arnaud Bellon, Adil Mouahid, Elisabeth Badens. Valorization of food side streams by supercritical fluid extraction of compounds of interest from apple pomace. Journal of Supercritical Fluids, 2023, 202, pp.106056. ⟨10.1016/j.supflu.2023.106056⟩. ⟨hal-04294235⟩ Plus de détails...

    Valorization of food side streams by supercritical fluid extraction of compounds of interest from apple pomace

    Supercritical CO2 (scCO2) extraction, a green technology still little applied to side streams, has been used to explore the potential recovery of beneficial compounds from apple pomace, a food industry byproduct. The study examines the potential of scCO2 extraction on freeze-dried and airflow dried apple pomace, using laboratory-scale equipment with varying pressures (200–400 bar), temperatures (35–55 °C) with a fixed CO2 flow rate. Extracts were analyzed through LC-MS and GC-MS, while antioxidant capacity was assessed using the ABTS assay. The results were compared to those from Soxhlet n-hexane extraction. Optimal conditions of 300 bar and 55 °C with freeze-dried apple pomace yielded the highest mass loss. The main compounds identified included glyceryl dilinoleate, linoleic acid, and diacyl glycerol, with significant ursolic acid content. A preliminary higher scale feasibility test under optimal conditions demonstrated promising, duplicable outcomes, supporting prior claim that apple pomace contains valuable ingredients that can be reused in various industrial sectors.
    Vénicia Numa, Christelle Crampon, Arnaud Bellon, Adil Mouahid, Elisabeth Badens. Valorization of food side streams by supercritical fluid extraction of compounds of interest from apple pomace. Journal of Supercritical Fluids, 2023, 202, pp.106056. ⟨10.1016/j.supflu.2023.106056⟩. ⟨hal-04294235⟩
    Journal: Journal of Supercritical Fluids
    Date de publication: 01-11-2023
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.supflu.2023.106056
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  • 2023
    Mathieu Martino, Adil Mouahid, Michelle Sergent, Camille Desgrouas, Catherine Badens, et al.. Supercritical millifluidic process for siRNA encapsulation in nanoliposomes for potential Progeria treatment (ex-vivo assays). Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2023, 87, ⟨10.1016/j.jddst.2023.104804⟩. ⟨hal-04254108⟩ Plus de détails...

    Supercritical millifluidic process for siRNA encapsulation in nanoliposomes for potential Progeria treatment (ex-vivo assays)

    A millifluidic process working in continuous mode for the preparation of nanoliposomes using supercritical CO2 has been developed. Nanoliposomes with an average diameter ranging between 123.9 ± 3.0 and 165.7 ± 1.6 nm depending on the operating conditions were obtained. The effects of pressure (90–150 bar), temperature (35–45 °C) and phospholipid mass ratio (0.1–1.9 wt%) in feed solution on liposome sizes were investigated. The concentration of phospholipids was found to be the most significant parameter for controlling the mean diameter of nanoliposomes while pressure and temperature had a minor influence on liposomes’ properties. The encapsulation of siRNAs targeting the LMNA gene by nanoliposomes obtained with the millifluidic process was achieved at optimized operating conditions (150 bar, 35 °C and a phospholipid mass ratio in the feed solution of 0.1 wt%). The resulting formulations were compared with commercial transfection agents in ex vivo assays. These assays showed a decrease in the expression of the encoded protein lamin A for the formulations obtained with the process developed in this work. Therefore, the use of siRNAs targeting LMNA, encapsulated by nanoliposomes represents a potential new therapeutic approach for the treatment of progeria.
    Mathieu Martino, Adil Mouahid, Michelle Sergent, Camille Desgrouas, Catherine Badens, et al.. Supercritical millifluidic process for siRNA encapsulation in nanoliposomes for potential Progeria treatment (ex-vivo assays). Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2023, 87, ⟨10.1016/j.jddst.2023.104804⟩. ⟨hal-04254108⟩
    Journal: Journal of Drug Delivery Science and Technology
    Date de publication: 01-01-2023
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.jddst.2023.104804
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  • 2023
    Mathieu Martino, Adil Mouahid, Michelle Sergent, Camille Desgrouas, Catherine Badens, et al.. Supercritical millifluidic process for siRNA encapsulation in nanoliposomes for potential Progeria treatment (ex-vivo assays). Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2023, 87, ⟨10.1016/j.jddst.2023.104804⟩. ⟨hal-04254108⟩ Plus de détails...

    Supercritical millifluidic process for siRNA encapsulation in nanoliposomes for potential Progeria treatment (ex-vivo assays)

    Mathieu Martino, Adil Mouahid, Michelle Sergent, Camille Desgrouas, Catherine Badens, et al.. Supercritical millifluidic process for siRNA encapsulation in nanoliposomes for potential Progeria treatment (ex-vivo assays). Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2023, 87, ⟨10.1016/j.jddst.2023.104804⟩. ⟨hal-04254108⟩
    Journal: Journal of Drug Delivery Science and Technology
    Date de publication: 01-01-2023
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.jddst.2023.104804
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  • 2023
    Adil Mouahid, Magalie Claeys-Bruno, Isabelle Bombarda, Sandrine Amat, Andrea Ciavarella, et al.. Valorization of handmade argan press cake by supercritical CO2 extraction. Food and Bioproducts Processing, 2023, 137, pp.168-176. ⟨10.1016/j.fbp.2022.11.011⟩. ⟨hal-04063823⟩ Plus de détails...

    Valorization of handmade argan press cake by supercritical CO2 extraction

    The capability of supercritical CO2 to extract edible oil from handmade Argan press cake was investigated. The aim is to enable Moroccan cooperatives to improve their economic situation by valuing the handmade argan press cake, which is nowadays considered as a waste, applying a clean extraction process. Extraction experiments were conducted at 300 and 400 bar, 333 K and 0.14 kg/h on dried biomass. The fatty acids and tocopherols compositions of the extracted oil were found similar to previous studies and correspond to a commercial edible oil. The air flow dried biomass exhibits a higher extraction yield compared to the freeze-dried biomass. A pressure of 300 bar seems to be suffcient to allow the extraction of oil with a satisfactory extraction kinetic.
    Adil Mouahid, Magalie Claeys-Bruno, Isabelle Bombarda, Sandrine Amat, Andrea Ciavarella, et al.. Valorization of handmade argan press cake by supercritical CO2 extraction. Food and Bioproducts Processing, 2023, 137, pp.168-176. ⟨10.1016/j.fbp.2022.11.011⟩. ⟨hal-04063823⟩
    Journal: Food and Bioproducts Processing
    Date de publication: 01-01-2023
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.fbp.2022.11.011
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Rencontres scientifiques

Archives récentes Archives

Soutenances de thèses et HDR

Actualités Archives récentes
10 avril 2024 - Vers une meilleure valorisation de la biomasse de'Arthrospira platensis (Spirulina): Contribution à sa culture et bioraffinerie / Soutenance de thèse Alejandra Gutierrez Marquez
Doctorante : Alejandra GUTIERREZ MARQUEZ

Date et lieu : mercredi 10 avril 2024 à 14h ; Salle P2A BIAM, Bat. 1900 ; Cité des énergies ; CEA-Cadarache

Résumé : Utilisée en agroalimentaire, nutraceutique et cosmétique sous forme brute ou de produit raffiné, A. platensis suscite un intérêt croissant mais sa culture et son bioraffinage représentent un réel défi. Ce doctorat s’est attaché à proposer et tester des procédés durables pour améliorer ces deux aspects.
Ce travail contribue à évaluer le potentiel de réutilisation du CO₂ par A. platensis lors de sa culture et l'impact des photopériodes sur sa productivité en biomasse et pigments. L'assimilation du CO₂ est caractérisée via un modèle adossé à des mesures expérimentales. Dans les conditions de laboratoire testées, une photopériode de 24 heures augmente à la fois la productivité en biomasse de 74 % et la teneur en phycocyanine de 35 %.
Les extractions sous pression sont réalisées par des mélanges éthanol/eau (PLE) et CO₂ supercritique (scCO2). Les conditions optimales trouvées en PLE sont 60°C/100 % d'éthanol et 65 °C/90 % d'éthanol (v/v) à 103 bar, respectivement pour une biomasse avec et sans extraction préalable des phycobiliprotéines par macération. L'extraction par scCO2, dont la cinétique a été modélisée par les équations de Sovová, induit une perte de masse de 7,7 % à 60 °C et 300 bar.
Ce travail permet de proposer un schéma de bioraffinerie en trois étapes, commençant par une première extraction de la biomasse par macération aqueuse afin d’extraire les phycobiliprotéines. Une deuxième étape d’extraction avec une solution d’éthanol sous pression permet ensuite la séparation d’un mélange de pigments lipophiles et composés phénoliques antioxydants. Puis, après séchage, l’extraction de la fraction apolaire par scCO2 permet d’isoler une fraction huileuse riche en caroténoïdes et d’obtenir une biomasse résiduelle riche en protéines.

Mots clés : A. platensis, CO2-mitigation, pigments, valorisation, solvants verts

Jury :
Céline LAROCHE Université Clermont Auvergne / Rapporteur
Miguel HERRERO Institute of Food Science Research, CIAL (CSIC-UAM) / Rapporteur
Abril LANSOY CRES-TOTAL ENERGIES / Examinateur
Luc MARCHAL Université de Nantes  / Président du jury
Elisabeth BADENS Aix-Marseille Université / Directrice de thèse
Christelle CRAMPON Aix-Marseille Université / Co-directrice de thèse
Gatien FLEURY MAP, CEA / Co-encadrant
24 novembre 2023 - Etude exploratoire pour l’évaluation du potentiel de technologies d’extraction vertes (ScCO2 et liquides pressurisés) pour la valorisation du marc de pomme dans le secteur cosmétique / Soutenance de thèse Venicia Numa

Doctorant : Venicia NUMA

Date : le  vendredi 24 Novembre 2023 à 09h30 à l'amphithéâtre du CEREGE.

Résumé : Cette étude explore le potentiel prometteur du marc de pomme comme source de composés pour l'industrie cosmétique. Des techniques d'extraction vertes, notamment le CO2 supercritique et les liquides pressurisés, sont utilisées pour optimiser l'ensemble du procédé de traitement/valorisation de sous-produits de l’industrie agroalimentaire, du laboratoire à l'échelle pilote. L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité de l'extraction des composés d’intérêt du marc de pomme, tels que les polyphénols, les acides gras, les alcools gras et les esters. 
Tout d'abord, la séparation des composés du marc de pomme a été effectuée par extraction avec le ScCO2, à l'échelle laboratoire, sur une gamme de pression allant de 200 à 400 bar et une gamme de température variant de 35 à 55°C, à partir d’une biomasse lyophilisée. Les conditions optimales pour une perte en masse maximale lors de l'extraction et une capacité antioxydante intéressante ont été trouvées à 300 bar et 55°C, avec un rapport CO2/biomasse à 50. La composition des extraits a montré la présence d’un mélange de cires composé d'alcanes, d’acides gras, d’alcools gras, d’acides triterpéniques ou encore d’esters. Certains des acides triterpéniques détectés ont été quantifiés (pour l'acide ursolique), bien qu'en quantités et variétés plus faibles que prévu.
Les extractions ScCO2 réalisées à échelle semi-pilote (2L) et pilote (25L) garantissent une cohérence et une reproductibilité pour les applications industrielles. De l'échelle du laboratoire à l'échelle pilote, un rapport solvant/biomasse de 50 a été maintenu. Les quantités d'extrait obtenues étaient comparables (échelle laboratoire et semi-pilote), ainsi que pour les compositions d'extrait (laboratoire et pilote). L'objectif de cette extraction à plus grande échelle était de faciliter la potentielle industrialisation du procédé chez Symrise, fournissant une base pour les futurs travaux en vue d’une valorisation. 
Enfin, l'étude souligne l'importance de la transition vers une économie circulaire pour une intégration industrielle de procédés durables à long terme. Une estimation des coûts de l’extraction ScCO2 à grande échelle suggère un coût par kg de produit inversement proportionnel aux volumes traités rendant la valorisation avec le ScCO2 économiquement viable. Cette étude réalisée sur le marc de pomme ne permet pas de conclure sur une valorisation possible des extraits en tant qu’actifs cosmétiques à ce stade. Cependant, une valorisation des cires serait envisageable chez Symrise en tant qu’ingrédients fonctionnels. Cette étude offre des perspectives intéressantes pour une valorisation durable, abordant les défis environnementaux et mettant l’accent sur la nécessité d’un futur plus vert dans l'industrie cosmétique. 

Mots-clés : valorisation des drèches de pommes, fluides supercritiques, liquides sous pression, montée en échelle, technologies vertes 

Jury

Professeure Sagrario BELTRAN (Université de Burgos) - Rapporteuse

Professeur Nabil GRIMI (UTC Compiègne)- Rapporteur et président de jury

Docteur Grégory CHATEL (Université Savoie Mont Blanc) - Examinateur

Docteur Vincent PERRUT (Ateliers Fluides Supercritiques) - Examinateur

Professeure Elisabeth BADENS (Aix-Marseille Université) - Directrice de thèse

Professeure Christelle CRAMPON (Aix-Marseille Université) - Co-Directrice de thèse

Docteur Marielle LE MAIRE (Symrise) - Invitée