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ACADEMIE DAIX-MARSEILLE UNIVERSIT DE GABSUNIVERSITE DAVIGNON ET DES PAYS DE VAUCLUSE COLE NATIONALE DINGNIEURS DE GABSEcole doctorale ED 306, Sciences des procds, sciences des aliments

THESE

Prsente pour obtenir le grade de Docteur en Sciences deLUniversit dAvignon et des Pays de Vaucluse & LEcole Nationale dIngnieurs de Gabs

SPECIALITE : Sciences des Procds, Sciences des Aliments

par

Asma FARHAT

Soutenu le 5 Novembre 2010

Grard VILAREMIngnieur de recherches, Institut National Polytechnique de Toulouse

Xavier FERNANDEZ

Matre de Confrences, Universit de Nice

Mehrez ROMDHANE,Professeur des Universits, Universit de Gabs-Tunisie

Olivier DANGLESProfesseur des Universits, Universit d'Avignon

Farid CHEMATProfesseur des Universits, Universit d'Avignon

Anne Sylvie FABIANO-TIXIER,Matre de Confrences, Universit d'Avignon

Vapo-Diffusion assiste par Micro-ondes :Conception, Optimisation et Application

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Avant-propos

Une partie des travaux relats dans ce manuscrit de thse a donn lieu la publicationde deux articles scientifiques dans des journaux internationaux comit de lecture. Ces

travaux ont galement t valoriss scientifiquement par deux communications par affiche.

Publications scientifiques dans des revues comit de lecture

1.Journal of Food Chemistry (accepte)

Microwave steam diffusion for extraction of essential oil from orange peel: Kinetic data,extracts global yield and mechanism

A. Farhat, A-S. Fabiano-Tixier, M. El Maataoui, J-F. Maingonnat, M. Romdhane, F. Chemat

2.Journal of Chromatography A 1216 (2009) 5077-5085

Eco-friendly and cleaner process for isolation of essential oil using microwave energy

Experimental and theoretical study

A. Farhat, A-S. Fabiano-Tixier, M. Romdhane, F. Chemat

3.Journal of Chromatography A (accepte)

A surprising method for green extraction of essential oil from caraway seeds: Microwave dry-

diffusion and Gravity


Communications par affiche

1.Third international Symposium on Medicinal and Aromatic Plants (SIPAM), March 26-28

(2009), Djerba, Tunisia.

An original microwave steam diffusion for extraction of essential oil from oranges peels:

-Experimental and theoretical study-

A. Farhat, M. Romdhane, F. Chemat

2.4th Franco-Italian Chemistry Journey, April 26-27th (2010), Genova, Italy

Microwave Steam Diffusion (MSDf): New and green process for extraction of essential oils


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Table des matires

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Introduction gnrale. 1

Chapitre 1. Extraction assiste par micro-ondes : Analyse bibliographique.. 3

I.1. Lnergie micro-ondes: cl pour maitriser les procds dextraction. 4

I.1.1. Les micro-ondes dans le spectre lectromagntique 4

I.1.2. Mcanisme de chauffage micro-onde : Interaction onde matire.. 5

I.1.3. Le four micro-ondes.. 10I.1.4. Spcificit du chauffage micro-onde.. 12

I.2. Procds conventionnels dextraction des huiles essentielles 13

I.2.1. Les huiles essentielles.. 13

I.2.2. Distillation par entrainement la vapeur. 16

I.2.3. Hydrodistillation.. 18

I.2.4. Expression froid 19

I.3. Procds dextraction des huiles essentielles assiste par micro-ondes 20

I.3.1. Entrainement lair assist par micro-ondes Compressed Air Microwave

Distillation (CAMD) ..

20

I.3.2. Hydrodistillation par micro-ondes sous vide puls Vacuum Microwave

Hydrodistillation (VMHD) .

21

I.3.3. Hydrodistillation assiste par micro-ondes Microwave Assisted

Hydrodistillation (MAHD) .......

23

I.3.4. Extraction sans solvant assiste par micro-ondes Solvent Free Microwave

Extraction (SFME) ..

25

I.3.5. Extraction sans solvant amliore assiste par micro-ondes Improved Solvent-

Free Microwave Extraction (Improved SFME) ...

28

I.3.6. Hydrodiffusion assist par micro-ondes et gravit Microwave Hydrodiffusion

and Gravity (MHG) .

30

I.3.7. Entrainement la vapeur assist sous micro-ondes Microwave Steam

Distillation (MSD) .

32

I.3.8. Vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes Microwave Steam Diffusion 33

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(MSDf) ..

I.4. Comprhension de lextraction des huiles essentielles assiste par micro-ondes.. 34

I.4.1. Mcanisme de lextraction des huiles essentielles par micro-ondes 34

I.4.2. Facteurs influenant lextraction des huiles essentielles par micro-ondes... 37I.4.2.1. Temps lextraction. 37

I.4.2.2. Effet thermique des micro-ondes.. 38

I.4.2.3. Puissance micro-ondes.. 39

I.4.2.4. Solide vgtal 39

Chapitre 2. Vapo-diffusion assiste par micro-ondes (MSDf): Conception, optimisation

et application aux coproduits dorange.

40

II.1. Partie exprimentale. 42

II.1.1. Lorange 42

II.1.1.1. Description. 42

II.1.1.2. Composition chimique et structure morphologique de lorange 42

II.1.1.3. Les coproduits de lorange. 43

II.1.1.4. Valorisation des huiles essentielles de lorange. 44

II.1.2. Analyse par Chromatographie en phase Gazeuse (CG) et Chromatographie en

phase Gazeuse couple la Spectromtrie de Masse (CG/SM)..

45

II.1.3. La Microscopie Optique... 47

II.1.4. Mthodologie des plans dexprience 47

II.1.5. Conduite de la vapo-diffusion (SDf). 50

II.1.6. Conception de la vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes (MSDf) 51

II.1.6.1. Origine de la vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes (MSDf) 51

II.1.6.2. Principe de la vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes (MSDf).. 51

II.1.6.3. Montage : prototype laboratoire.. 52

II.1.6.4. Protocole et procdure dextraction 52

II.2. Rsultats et discussions..... 54

II.2.1. Optimisation.. 54

II.2.1.1. Identification et choix des paramtres... 54

II.2.1.2. Analyse de rsultats 55

II.2.1.2.1. Modle mathmatique. 55

II.2.1.2.2. Analyse de la variance 56

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II.2.1.3. Conditions optimales.. 58

II.2.2. Cintique dextraction 59

II.2.3. Analyse de la composition chimique de lhuile essentielle de lorange 60

II.2.4 Analyse cyto-histologyque de lorange par Microscopie Optique. 62II.2.5. Effet de la temprature.. 65

II.2.6. Modlisation des donnes cintiques 66

II.2.6.1. Bilan matire sur les huiles essentielles. 67

II.2.6.2. Cintique de transfert de matire 68

II.2.6.3. Rsultats de la modlisation 69

II.2.7. Comprhension des phnomnes mis en jeu et mcanisme de lextraction par

MSDf....

71

II.2.8. Cot, nergie et impact environnemental.. 73

Chapitre 3. Vapo-diffusion assiste par micro-ondes (MSDf): application aux fleurs de

la lavande..

75

III.1. Partie exprimentale ... 76

III.1.1. La lavande et lindustrie de la distillation.. 76

III.1.1.1. Description. 76

III.1.1.2. Huile essentielle de la fleur de lavande. 76

III.1.1.2.1. Structure morphologique de la fleur de lavande 76

III.1.1.2.2. Mode dobtention.. 77

III.1.1.3. Composition chimique... 78

III.1.2. Analyse par Chromatographie en phase Gazeuse (CG) et Chromatographie en


78

III.1.3. La Microscopie Optique... 80

III.1.4. Conduite de la vapo-diffusion (SDf) 80

III.1.5. Conduite de la vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes (MSDf)... 80

III.2. Rsultats et discussions... 81

III.2.1. Optimisation. 81

III.2.1.1. Dbit de vapeur deau.. 81

III.2.1.2. Puissance micro-ondes. 84

III.2.2 Cintique dextraction.. 85

III.2.3. Composition chimique. 87

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III.2.4. Analyse de la morphologie des calices des fleurs de lavande.... 89

III.2.5. Modlisation des donnes cintiques... 91

III.2.6. Cot, nergie et impact environnemental 93

Chapitre 4. Diffusion a sec gnre par micro-ondes (MDG): Nouvelles perspectives

pour lextraction des huiles essentielles...

95

IV.1. Partie exprimentale... 96

IV.1.1. Le carvi 96

IV.1.1.1. Description.. 96

IV.1.1.2. Composition chimique et structure morphologique de la graine du carvi... 96

IV.1.1.3. Utilisation des grains de carvi.. 97IV.1.2. Analyse par Chromatographie en phase Gazeuse (CG) et Chromatographie en


97

IV.1.3. La Microscopie Optique... 99

IV.1.4. Conduite de lhydrodistillation (HD)... 99

IV.1.5. Conception de la diffusion a sec gnre par micro-ondes (MDG). 100

IV.2. Rsultats et discussions .. 102

IV.2.1. Optimisation. 102

IV.2.2. Cintique dextraction. 103

IV.2.3. Composition chimique. 105

IV.2.4. Effet de la technique dextraction sur la morphologie de la gaine de carvi 107

IV.2.5. Effet de la temprature 108

IV.2.6. Mcanisme de lextraction par MDG. 109

IV.2.7. Cot, nergie et impact environnemental 111

Conclusion gnrale 112

Rfrences bibliographiques. 114

Liste des figures.. 124

Liste des tableaux... 127

Rsum 129

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Introduction gnrale

Des nos jours, l'extraction des huiles essentielles et des armes, pour les industries de

la cosmtique, de la parfumerie et de lagroalimentaire, est ralise via deux grandes

techniques : la distillation azotropique et lextraction par solvant. Ces mthodes

traditionnelles, prouves mais peu coteuses, sont aujourd'hui remises en cause. Elles sont

extrmement consommatrices en nergie et en solvant. Ces derniers, gnralement issus du

ptrole, sont de plus en plus dcris pour leur impact sur la sant et l'environnement.

Parmi les technologies dextraction les plus prometteuses, l'extraction par micro-

ondes, est lune des mthodes lesplus rcentes pour lextraction de molcules dintrtavec

un impact environnemental positif : moins dnergie, de solvants etdes eaux uses. En effet,

depuis 1960, cette technologie est bien implante dans des domaines vairs comme : la

synthse organique [1,2], lanalyse des moisissures [3], lenvironnement [4,5],

lagroalimentaire [6,7], le schage [8], la mdecine [9] et lextraction [1,10]. Les premiers

travaux utilisant les micro-ondes pour extraire des composs organiques ont t publis en

1986. Depuis cette date, les micro-ondes sont de plus en plus utiliss dans le domaine de

lextraction des produits vgtaux dont les trois principaux procds sont: lextraction par

solvant assiste par micro-ondes MAE [11], lhydrodistillation par micro-ondes sous vide

puls VMHD [12] et lhydrodiffusion assiste par micro-ondes MHG [13]. Ainsi,

grce un chauffage volumique et slectif, la technologie de lextraction par micro-onde

parat tre une alternative intressante puisquelle autorise lutilisation rduite de solvant, des

temps de traitement plus courts, des rendements plus levs et une meilleure slectivit.

Dans le contexte de chimie et procds durables , nous avons dvelopp un nouveau

systme dextraction des huiles essentielles sous micro-ondes nomm: vapo-diffusion assist

par micro-ondes ou MSDf : microwave steam diffusion . Le procd repose sur le principe

de lhydrodiffusion classique utilisant les micro-ondes comme technologie dintensification.

Ce procd apparat comme une procdure douce permettant un gain de temps et d'nergie

considrable.

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Ce manuscrit est compos de quatre parties et a pour but de prsenter la conception, la

mise au point, la validation et la valorisation de ce nouveau procd : vapo-diffusion assist

par micro-ondes MSDf.

Le premier chapitre est une tude bibliographique dans laquelle nous prsenterons au

dbut la thorie du chauffage par micro-ondes ainsi que sa spcificit dans le domaine de

lextraction. Ensuite, nous dcrirons les diffrents procds dextractions des huiles

essentielles utilisant les techniques traditionnelles et micro-ondes.

Le deuxime chapitre est consacr la conception, la mise au point, loptimisation etlapplication de cette nouvelle technique lextraction dhuiles essentielles partir des

coproduits doranges. Une tude comparative entre le procd MSDf et le procd

dhydrodiffusion classique (SDf), sera ralise en terme de rendement, de cintique

dextraction et de composition chimique des huiles essentielles obtenues. Un mcanisme

dextraction sera propos la fin dans le but de mieux comprendreles phnomnes mis en

jeux lors de lextraction par MSDf.

Le troisime chapitre est une validation du procd MSDf lextraction dun matriel

vgtal sec. Ainsi ce procd sera utilis et optimis pour lextraction de lhuile

essentielle de lavande. Aussi, une tude comparative entre le procd MSDf et le procd

dhydrodiffusion classique (SDf), sera ralise en terme de rendement, de cintique

dextraction et de composition chimique des huiles essentielles obtenues.

Le quatrime chapitre est destin ltude dune nouvelleapproche pour lextraction des

huiles essentielles partir de matrices aromatiques sches et sans ajout de vapeur ni

deau: Diffusion sec gnre par micro-ondes (MDG). Cette nouvelle perspective sera

applique lextraction des huiles essentielles partir des graines de carvi.

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Chapitre 1

Extraction assiste par micro-ondes :

Analyse bibliographique

Rsum

Ce chapitre constitue une synthse bibliographique des diffrentes notions abordes tout au

long de cette thse. Dans une premire partie, nous exposerons la thorie du chauffage par

micro-ondes ainsi que les bases de llectromagntisme : nature et propagation des ondes,

mcanisme de chauffage, interaction onde matire. La deuxime partie de ce chapitre sera

consacre aux huiles essentielles (dfinition, composition chimique, mode dobtention)

ainsi que les diffrents procds dextraction des huiles essentielles par la mthode micro -

ondes et la spcificit induite par ce type dextraction.tel-00547809,v

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I.1. Lnergie micro-ondes: cl pour maitriser les procds dextraction

I.1.1. Les micro-ondes dans le spectre lectromagntique

Les micro-ondes ou hyperfrquences sont des ondes lectromagntiques non

ionisantes, composes dun champ lectrique et dun champ magntique. Les frquences desmicro-ondes se situent dans le domaine des frquences allant de 300 MHz 300 GHz ce qui

correspond une longueur donde de 1 millimtre 1 mtre. Elles sont donc du mme ordre

grandeur que les dimensions des objets qui nous entourent. La propagation des micro-ondes

obit, quelle que soit la nature du milieu, aux quations de Maxwell (quations 1 et 2).

modifieAmpered'loiJD

Hrot

(1)FaradaydeloiB

Erot

0Bdiv

CoulombdeloiDdiv

t

t

Avec

.HB(2).ED

.EJ

O :

E et H sont les champs lectrique et magntique (E en V.m-1et H en A.m-1),

D et B sont les inductions lectrique et magntique (D en A.s.m-2et B en Tesla),

J est la densit de courant lectrique (A.m-2),

est la densit de courant (C.m-2),

= permittivit lectrique (F.m-1),

= permabilit magntique (H.m-1),

= conductivit lectrique (S.m-1).

Dans le spectre lectromagntique les micro-ondes se situent dans les

hyperfrquences, entre les ondes radios et linfrarouge(Figure I.1). La frquence de 2.45 GHz

( = 12,2 cm) est gnralement la plus utilise pour les applications industrielles afin dviterle risque dinterfrence avec les radiocommunications et les radars [14].

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Figure I.1. Spectre lectromagntique.

Les applications des micro-ondes sont nombreuses et diverses ; Elles sont classs en

trois grandes catgories [1, 15]:

les applications de mesures (dimensions des objets en cavit raisonnante, temprature par

radiomtrie),

les applications de tlcommunications (tlvision, transportation de linformation dun

point un autre, tlcommunications par liaisons hertziennes et spatiales)

les applications nergtiques (schage, chauffage, cuisson, dconglation...).

I.1.2. Mcanisme de chauffage micro-onde : Interaction onde matire

Contrairement aux techniques classiques de chauffage qui utilisent la convection ou la

conduction pour amener lnergie dans un matriau, le chauffage par micro-ondes rsulte de

la dgradation en chaleur de lnergie dune onde lectromagntique au sein du matriau lui-

mme [1,14].

Un matriau sensible aux micro-ondes est un matriau dilectrique pertes cest--dire

absorbant ou attnuant les ondes lectromagntiques. Dans un milieu pertes, deux types de

mcanismes sont lorigine de lchauffement, le premier est relatif la prsence de chargeslibres, le deuxime est li la nature polaire des molcules. Dans le premier cas, les charges

lectriques libres (ions) soumises un champ lectrique E vont migrer dans le sens du champ

et sont lorigine dun courant de conduction Jc. Il sagit du mcanisme de conduction

ionique.

(3).EJ c

O jc: courant de conduction

: conductivit lectrique

E : champ lectrique

10 3 10 2 10 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12

-----------------------

-----------------

10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 1011 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16 10 17 10 18 10 19 1020Frquence (Hz)

Longueur donde (m)

Ondes radio

Micro-ondes Rayons X

Infrarouge Ultraviolet

Visible

12.2 cm2.45 GHz

Rayons gamma

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Les oscillations de ces charges, gnes par la prsence de molcules fixes, produisent un

chauffement par chocs, suivant la loi dOhm.

Polarisation dipolaire

Lapplication dun champ lectrique statique ou alternatif au sein dun matriau

dilectrique provoque une dformation des molcules ainsi quune rorientation de ses

moments dipolaires permanents. La polarisation dilectrique est leffet observ dans un

matriau dilectrique soumis un champ lectrique [16]. Suivant la frquence du champ

lectrique, la polarisation dilectrique est la somme des diffrents types de polarisations:

(4)idaet avec t = polarisation totale, e = polarisation lectronique, a = polarisation atomique, d =

polarisation dipolaire, i = polarisation interfaciale.

La polarisation lectronique est un dplacement des lectrons par rapport aux noyaux

alors que la polarisation atomique est un dplacement relatif dun noyau par rapport un autre

atome auquel il est li par liaison covalente. Les deux premires polarisations (lectroniqueset atomiques) sont toujours en phase avec le champ lectrique : les phnomnes de

polarisation et de dpolarisation sont plus rapides que le changement dalternance du champ

lectrique. Par consquent elles ne contribuent pas au dgagement de chaleur [16-18].

La polarisation dipolaire est la base du dgagement de chaleur : les temps de rponse

et les vitesses de relaxations des diples sont du mme ordre que la frquence dalternance du

champ. Un produit, dpourvu de moment dipolaire permanent, ne peut donc pas schauffer

directement sous champ micro-ondes [16-18].

La polarisation interfaciale responsable de laccumulation des charges linterface est

similaire la frquence de changement dorientation du champ.

Les molcules sont en gnral des difices lectriques globalement neutres dont la

rpartition des charges lectriques est souvent asymtrique : les molcules possdent un

moment dipolaire permanent. En labsence de champ lectrique, les diples dun milieu

dilectrique se trouvent orients au hasard sous leffet de lagitation thermique du milieu.

Sous l'effet d'un champ lectrique continu, les molcules tendent s'orienter dans la direction

du champ lectrique. Plus le champ lectrique est intense, plus l'agitation thermique qui tend

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dsorganiser l'alignement a une importance plus faible. Lorsque toutes les molcules sont

orientes, il apparat un moment dipolaire global induit.

Sous l'effet d'un champ lectrique alternatif de frquence f, les diples s'orientent dans

la direction du champ sur une demi alternance, se dsorientent lorsque le champ s'annule et serorientent dans l'autre sens pendant la seconde demi alternance : c'est la rotation dipolaire

[14,18].

L'nergie lectrique est convertie en nergie cintique par la rotation des diples.

L'nergie cintique est transforme partiellement en chaleur : l'alignement des diples par

rapport au champ lectrique est contrari par les forces d'interaction entre molcules (forces

de liaison par pont hydrogne, forces de liaisons de Van der Waals). Ces forces peuvent tre

assimiles des forces de frottement internes qui existent dans les contacts solide-solide.Elles s'opposent ainsi la libre rotation des molcules. De la friction ainsi produite, nat le

dgagement de chaleur [18].

La dissipation d'nergie par le produit peut tre maximale si la frquence du champ

lectrique est gale la frquence de relaxation. Le phnomne de relaxation correspond

l'apparition d'un dphasage entre l'oscillation du champ lectrique et celui des diples.

Les frquences micro-ondes tant imposes, l'chauffement d'un produit avec une

efficacit maximale est exceptionnel. Dans ce cas, une grande partie des molcules soumises

laction du champ micro-onde ne tournent pas avec le changement alternatif du champ mais

frissonnent comme le montre la figure I.2.

Figure I.2. Distribution des diples sous leffet dans un champ lectrique.

a: absence de champ lectrique, b: sous champ lectrique continu, c: sous champ lectrique alternatif.

+

-

a b c

---

--

+ ++

++

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Proprits dilectriques dun matriau

Certains matriaux vont tre sensibles aux micro-ondes, dautres ne le sont pas. Pour

la mise en uvre dun tel mode de chauffage dans un procd de transformation de la matire,

il est donc important didentifier et de connatre les facteurs qui permettent de caractriser lecomportement du produit vis vis des micro-ondes.

La proprit qui dcrit le comportement dun dilectrique soumis un champ

lectromagntique, est la permittivit complexe (F.m-1) qui est dfinie par la relation

suivante :

avec

- la permittivit (F.m-1) (partie relle)

- le facteur de pertes dilectriques (F.m-1) (partie imaginaire)

ou encore, en introduisant la permittivit du vide F.m

- la partie relle de la permittivit relative r = / 0

- la partie imaginaire de la permittivit relative r = / 0

Le facteur de pertes dilectriques r exprime la capacit du matriau dgrader

lnergie lectromagntique en chaleur; cest le terme dabsorption du matriau, qui

correspond la composante dissipative de la permittivit. Les produits qui possdent un

facteur de pertes suprieur 1 ont la particularit de bien schauffer sous micro-ondes ; cest

le cas de leau liquide, des produits aqueux, des solvants polaires comme les alcools. Si la

valeur du facteur de pertes est comprise entre 0,1 et 1, cest le cas de solvants peu polaires

comme lactate dthyle - les produits ont quelques difficults chauffer. Les gaz, les

molcules apolaires, les mtaux (qui rflchissent les ondes), les matriaux qui ne se

polarisent pas comme le quartz, le tflon, sont insensibles aux micro-ondes et possdent un

facteur de pertes quasi nul.

La permittivit relative rappele encore constante dilectrique indique la facult du

matriau se polariser, cest--dire sorienter sous laction du champ lectrique. Ce terme

correspond la composante non dissipative de la permittivit.

Le rapport entre ces deux paramtres (tan / , appel tangente de langle de

perte ou facteur de dissipation, est souvent utilis et traduit le dphasage induit surlorientation des diples aprs lapplication du champ lectrique.

(5))-(j- ''r'r0

'''

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La constante dilectrique , le facteur de pertes dilectrique et le facteur de

dissipation tan sont les paramtres qui dtermineront le comportement dilectrique dun

matriau soumis lirradiation micro-onde. Le tableau I.1 indique les valeurs de facteur de

dissipation tan pour diffrents produits, diffrentes frquence.

Tableau I.1.Facteur de dissipation (tan ) pour diffrentes produits [16].

Solvant Tan a Solide/liquide Tan

Ethylne glycol 1.350

Ethanol 0.941 Glace 0.00027 (0C)

DMSO 0.825 Eau 0.207 (0C)Mthanol 0.659 Eau 0.123 (20C)a

NMP 0.275 Eau 0.097 (25C)

Acide actique 0.174 Eau 0.056 (50C)

Eau 0.123

Chloroforme 0.091 Matriaux Tan c

Dicholoromthane 0.042

Tolune 0.040 Tflon 0.00028Hexane 0.020 Quartz 0.00006

a : (20C) 2.45 GHz, b : 2.0 GHz, c : (20C) 3 GHz, d : 2.45 GHz

Lorsquune onde lectromagntique rencontre un matriau, une partie de cette onde est

rflchie la surface, lautre, gnralement plus importante y pntre. Lnergie de cette onde

est transforme en nergie thermique et diminue au fur et mesure que londe pntre dans le

matriau, elle sattnue de faon exponentielle. La profondeur de pntration est donc unparamtre fondamental considrer pour le dveloppement du chauffage par micro-ondes, car

il nous donne une ide sur le rapport des dimensions gomtriques dun matriau avec la

longueur donde dans le milieu[17].

On appelle profondeur de pntration de londe, la distance depuis la surface pour

laquelle la puissance micro-onde est gale la puissance transmise au niveau de la surface

multiplie par le facteur 1/e (63% de la puissance initiale a t alors cde au matriau). Cette

profondeur de pntration d (exprime en mtre) est donne par lexpression suivante:

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(6)2

d

''

'

Avec = longueur donde (m) dans le matriau dilectrique

Ceci montre que pour tudier les interactions des ondes lectromagntiques avec un

matriau, il faudra regarder le rapport de ses dimensions gomtriques avec la longueur

donde dans le milieu.

Ainsi, un matriau peu sensible aux micro-ondes aura une profondeur de pntration

leve, alors que pour un produit absorbant, la profondeur de pntration sera faible (par

exemple, 25C, pour une frquence de 2450 MHz, d pour leau est de 3,4 cm, pour

lthylne glycol, d a une valeur de 1,3 cm). Notons aussi que la valeur de ce paramtre vavoluer en fonction de la temprature par lintermdiaire des caractristiques dilectriques.

Ainsi, pour leau, la profondeur de pntration augmente de 2,7 cm 15C 14 cm 95C.

La pntration de londe dans le matriau dpend de la nature de celui-ci. On classe un

produit comme tant [14]:

- un isolant parfait, lorsque

r est voisin de 0. Londe lectromagntique pntre alors presque

en totalit dans le matriau et se propage au sein de celui-ci sans sattnuer. Cestce type de

matriau que lon peut qualifier de transparent aux ondes lectromagntiques qui doit treutilis comme contenant pour raliser une transformation dans un procd. Ainsi, le verre

avec une valeur du facteur de pertes r= 0,026 est viter ; le quartz est recommand ( r=

0,0008) ainsi que le tflon et le PTFE (polytrafluorure dthylne) ( r= 0,0003).

- un isolant avec pertes, lorsque rest positif et rest suprieur 1. Londe lectromagntique

pntre dans le milieu, et son amplitude diminue au fur et mesure de sa pntration.

- un matriau conducteur, lorsque la permittivit est trs leve. Londe ne pntrant

quasiment pas dans le milieu, est rflchie. Cest le cas des mtaux.

I.1.3. Le four micro-ondes

Tout systme de chauffage micro-ondes comporte trois lments :

- le gnrateur donde, qui produit des ondes lectromagntiques,

- le guide donde dont le rle est damener les ondes lectromagntiques depuis le gnrateur

vers lenceinte dapplication,

- lapplicateur (appel aussi enceinte) dans lequel est plac le produit traiter.

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Gnrateur

Le magntron est le type de gnrateurs dondes le plus rpondu pour la production

des ondes lectromagntiques. Il constitue le cur du four micro-ondes, cest lui qui

sera la base de la production dnergie lectromagntique[14,17,19]. Le magntron est untube vide circulaire qui est constitu dune cathode centrale, chauffe par un filament, et

dune anode concentrique compose de cavits rsonnantes de formes diffrentes selon le

magntron. Il co-existe deux types de champs :

- un champ magntique axial produit par deux aimants placs lextrmit du tube,

- un champ lectrique gnr entre l'anode et la cathode perpendiculaire au champ

magntique.

Une tension trs leve (quelques kilovolts) est applique dans un espace trs restreintde quelques millimtres entre lanode et la cathode qui gnre ainsi la production dlectrons.

Le champ lectrique accrot leur nergie cintique et le champ magntique incurve leur

trajectoire. Les lectrons ainsi acclrs rayonnent de l'nergie sous la forme d'ondes

lectromagntiques. Un systme de refroidissement du bloc anodique lair ou bien par

circulation eau pour les magntrons de forte puissance est utilis.

Guide donde

Le guide donde est une pice mtallique qui conduit les ondes depuis le gnrateur

jusqu lapplicateur. Il sagit dun tube paralllpipdique creux de dimensionsbien prcises

dans lequel se trouvent des ondes progressives. Ces dimensions conditionnent le mode de

propagation des ondes lectromagntiques [14,17,19].

Applicateur

Lapplicateur est une cavit ferme qui doit assurer le transfert de lnergie

lectromagntique depuis la sortie du guide jusquau produit traiter.

Deux architectures de base existent selon le mode de propagation dvelopp : monomode ou

multimode.

Un applicateur est dit monomode lorsque ses dimensions gomtriques permettent de

conserver un seul mode de propagation, donc une seule configuration du champ. Ce type

dapplicateur permet le contrle prcis du champ lectrique mais est rserv au traitement de

produits de petits volumes ; celui-ci est alors plac dans le guide donde.

Dans une cavit multimode, les ondes lectromagntiques se rflchissent sur les

parois et dveloppent un rseau dondes stationnaires (une onde stationnaire oscille sans se

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dplacer et possde des minima (nuds) et des maxima (ventres) d'amplitude fixes dans

l'espace). On dit que lon a une cavit rsonnante. Il existe donc plusieurs configurations de

champ avec une distribution variable. Dans cette cavit, on peut traiter une quantit de produit

plus grande que dans une cavit monomode, mais il est difficile de contrler la distribution duchamp et de forts gradients de temprature peuvent se dvelopper dans le produit. Pour palier

ce problme, une solution technique courante consiste utiliser des brasseurs dondes ou des

plateaux tournants (comme dans les fours domestiques).

I.1.4. Spcificit du chauffage micro-onde

Les lments qui ont t prsents prcdemment indiquent que le chauffage par

micro-ondes possde incontestablement un caractre htrogne. En effet, le champ detemprature au sein dun matriau va dpendre :

- du champ appliqu localement qui est lui-mme htrogne du fait de la prsence des ondes

stationnaires et par le phnomne dattnuation des ondes pntrant dans le matriau.

- de la conductivit thermique du matriau qui va dterminer la qualit du transfert thermique.

La rapidit de la vitesse du chauffage micro-onde va gnrer au sein du matriau des

htrognits en temprature, lquilibre thermique tant plus difficilement atteint.

- des pertes thermiques en surface et en paroi. Il faut remarquer ici que, compte-tenu de la

particularit des micro-ondes, les parties les plus froides se trouveront en surface et en paroi,

contrairement ce que lon peut observer par les techniques de chauffage classique pour

lesquelles les parois constituent les zones de temprature les plus leves comme le montre la

figure I.3.

Figure I.3. Transfert de chaleur sous chauffage classique et sous chauffage par micro-onde.

Transfert de chaleur

Chauffage par micro-onde Chauffage classique

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I.2. Procds conventionnels dextraction des huiles essentielles

I.2.1. Les huiles essentielles

Les huiles essentielles et les armes extraits partir des herbes aromatiques et dpices

sont le rsultat dun mlange complexe de substances volatiles [20,21]. Ils sont gnralementprsents de trs faibles concentrations dans les plantes parfum. Avant de pouvoir utiliser

ou analyser de telles substances, il est ncessaire de les extraire de leur matrice. Plusieurs

mthodes dextraction ont t mises au point telles que lhydrodistillation, lentranement la

vapeur, lhydro-diffusion et la distillation-extraction simultane [22]. Elles sont ensuite

spares de la phase aqueuse par des procds physiques. L'huile ainsi obtenue possde

certaines caractristiques physico-chimiques qu'il est possible de mesurer au laboratoire

l'aide de techniques simples ou d'appareillages plus complexes.Les huiles essentielles doivent rpondre des critres physiques imposs par les

normes. En effet, elles sont liquides temprature ambiante, de consistance huileuse mais non

grasse, leur densit est infrieure celle de leau lexception de quelques cas (cannelle,

sassafras et vtiver), volatiles, insolubles dans leau, rarement colores, et solubles dans les

huiles vgtales, dans lther et dans lalcool jusqu' un certain pourcentage. Elles sont peu

polaires, et il convient de les conserver labri de lair et de la lumire[22,23].

Les huiles essentielles se localisent dans toutes les parties vivantes de la plante et se

forment dans le cytoplasme de certaines cellules vgtales spcialises [24]. Elles peuventtre stockes et emmagasines dans diverses structures de la plante telles que les poils

scrteurs ou les trichomes, les cellules pidermiques, les cellules scrtrices internes, les

poches scrtrices et les canaux scrteurs. La figure I.4 illustre la localisation des cellules

contenant les huiles essentielles pour quelques plantes aromatiques [1].

Thym Menthe

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Figure I.4. Localisation des structures scrtrices pour quelques plantes aromatiques [1].

Les huiles essentielles sont des mlanges complexes et varis, constitus de composs

organiques de structures et de fonctions chimiques trs diverses. Gnralement, on classe ces

composs en deux groupes : les hydrocarbures terpniques et les composs oxygns [1,25].

Le tableau I.2 prsente les composs les plus communs que lon trouve dans les huiles

essentielles et qui sont classs selon leurs poids molculaires, leurs tempratures dbullition

et leurs solubilits dans leau[1].

Carvi Lavande

Cardamone Citrus

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Tableau I.2.Diffrents types de molcules dans lhuile essentielle[1].

Formulemolculaire

Tempraturedbullition

Solubilit dansleau (g.L-1)

Monoterpnes

Limonne C10H16 175.4 < 10-3

Pinne C10H16 157.9 < 10-3

Sabinene C10H16 164 < 10-3

Myrcne C10H16 167 < 10-3

-Terpinne C10H16 183 < 10-3

para-Cymne C10H16 173.9 < 10-3

Sesquiterpnes

-Caryophyllene C15H24 268.4 < 10-3

-Santalene C15H24 247.46 < 10-3

-Zingeberene C15H24 270.7 < 10-3-Curcumene C15H24 266 < 10

-3

Diterpne

Phytol C20H40O 335.5 < 10-3

Alcools

Graniol C10H17OH 229.5 0.67Linalool C10H17OH 198.5 0.67

Aldhydes

Citral C10H16O 210.9 2.61Cuminic aldhyde C10H12O 254.6 0.26KetonesCamphor C10H16O 207.4 0.92Carvone

C10H14O230.5 1.60

Phnols

Thymol C10H14O 233 0.85Eugnol C10H12O2 255 2.52Actates

Neryl actate C12H20O2 274.5 0.71

Linalyl actate C12H20O2 220 0.57

Oxydes

1,8-Cineol C10H18O 174.8 5.8 x 10-3

Linalool C10H18O 198.5 0.67

Les terpnes

Les composs de type terpnique sont largement rencontrs dans les huiles

essentielles. Bien que les hydrocarbures terpniques aient des structures trs diverses, ils sont

forms dun multiple pair ou impair dunits de 2-mthylbuta-1,3-dine ou appel encoreisoprne. On distingue ainsi selon le nombre de carbone constituant les molcules de ce

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groupe: les monoterpnes (C10), les sesquiterpnes (C15), les diterpnes (C20),les triterpnes,

(C30) et les ttraterpnes (C40). Les terpnes le plus rencontrs dans les huiles essentielles sont

les terpnes les plus volatils cest dire ceux dont la masse molculaire nest pas trop leve

telles que les mono et les sesquiterpnes.

Les composs phnoliques

Les composs phnoliques drivs du phnylpropane (C6-C3) sont beaucoup moins

frquents que les terpnes. Souvent, ils sont des allyl, des propnylpnnols et parfois des

aldhydes.

Selon le mode dextraction, les huiles essentielles peuvent renfermer dautres composs

chimiques, le plus souvent de faible masse molculaire tel que : les carbures (linires etramifis, saturs ou non saturs), les acides (de C3 C6), les alcools, les aldhydes, les

ctones, les esters acycliques, les lactones et les coumarines

La composition chimique, la qualit et la quantit extraite dune huile essentielle

dpendent de plusieurs paramtres savoir :

- Intrinsques: les facteurs gntiques, la localisation, le degr de maturit

- Extrinsques : le sol, le climat, lenvironnement

- Technologiques : type de culture, mode de rcolte, mode dextraction.

Par consquent la composition chimique dune huile essentielle peut varier au sein dun mme

genre botanique. Parfois ces variations peuvent sobserver au sein dune mme espce, on

parlera alors de chmotypes : il sagit dun polymorphisme chimique.

Les huiles essentielles possdent de nombreuses activits biologiques selon leurs

constituants majoritaires. En phytothrapie, elles sont utilises pour leurs proprits

antiseptiques contre les maladies infectieuses dorigine bactrienne. Dans les domaines

phytosanitaires et agroalimentaires, les huiles essentielles ou leurs composs actifs pourraient

galement tre employs comme agents de protection contre les microorganismes, les

champignons et le processus doxydation des aliments.

I.2.2. Distillation par entrainement la vapeur

L'entranement la vapeur d'eau (Figure I.5) est l'un des procds d'extraction les plus

anciens et lune des mthodes officielles pour lobtention des huiles essentielles. Dans ce

systme dextraction, le matriel vgtal est soumis laction dun flux de vapeur descendant

ou ascendant sans macration pralable. Le plus souvent, de la vapeur deau est injecte au

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bas dune charge vgtale. Les vapeurs charges en composs volatils sont condenses avant

dtre dcantes et rcupres dans un essencier (vase de dcantation pour les huiles

essentielles) [26,27].

Figure I.5. Extraction par entranement la vapeur.

Dans le cas des huiles essentielles superficielles contenues dans des glandes

situes la surface du matriel vgtal, la vapeur provoque la rupture dun grand nombre de

ces glandes dont le contenu se rpand lextrieur du vgtal [28].

Dans le cas des huiles essentielles contenues lintrieur du matriel vgtal, lhuile

essentielle doit diffuser travers le vgtal pour entrer en contact avec la vapeur deau. Dans

un premier temps, la vapeur deau condense imprgne la charge. Le gradient thermique qui

stablit dans la charge est tel que la temprature la plus basse se situe au cur de chaque

morceau du vgtal. Les molcules dhuile essentielle, qui sont lgrement solubles dans

leau, vont diffuser lentement lintrieur du vgtal, jusqu entrer en contact avec la vapeur

deau circulant lextrieur. La diffusion de lhuile essentielle tant le facteur qui limite la

vitesse de lextraction, la vapeur deau se charge en huile essentielle mais sans atteindre la

saturation. Par consquent, lextraction des huiles essentielles non superficielles est plus

longue et exige plus de vapeur que celle des huiles essentielles superficielles.

Vase florentin

Condenseur

Matriel vgtal

Racteur

Huile essentielle

Phase aqueuse

Chaudire

Cohobe

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I.2.3. Hydrodistillation

Lhydrodistillation (Figure I.6) proprement dite, est la mthode norme pour

lextraction des huiles essentielles partir des pices sches, ainsi que pour le contrle de

qualits des huiles essentielles au laboratoire. Son principe consiste immerger la matirevgtale dans un bain deau, ensuite lensemble est port bullition sous pression

atmosphrique. La chaleur permet lclatement et la libration des molcules odorantes

contenues dans les cellules vgtales. Ces molcules aromatiques forment avec la vapeur

deau un mlange azotropique. Sachant que la temprature dbullition dun mlange est

atteinte lorsque la somme des tensions de vapeur de chacun des constituants est gale la

pression dvaporation, elle est donc infrieure chacun des points dbullition des

substances pures. Ainsi le mlange azotropique eau + huile essentielle distille unetemprature gale 100C pression atmosphrique alors que les tempratures dbullition

des composs aromatiques sont pour la plupart trs leves. Il est ensuite refroidi et condens

dans un essencier ou vase florentin. Un fois condenses, eau et molcules aromatiques du fait

de leurs diffrences de densit, se sparent en une phase aqueuse et une phase organique :

lhuile essentielle. La distillation peut seffectuer avec ou sans cohobage des eaux

aromatiques obtenues lors de la dcantation [26, 27].

Figure I.6. Extraction par hydrodistillation.

Vase florentin

Condenseur

Matriel vgtal

Racteur

Huile essentielle

Phase aqueuse

Colonne de distillation

Cohobe

Eau

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Durant la distillation, leau bouillante pntre dans les cellules vgtales et solubilise

une partie de lhuile essentielle des glandes scrtrices. La solution aqueuse charge de

composs volatils, diffuserait ensuite travers une paisseur de tissu, plus ou moins dense,

selon lorgane, vers la surface extrieure o lhuile essentielle serait vaporise et entranesous forme dazotrope. Cependant, Von Rechenberg attribue le terme dhydrodiffusion ce

type de transport contrl par la polarit des constituants [29]. Elle serait responsable de la

vitesse relative de la distillation des diffrents composs aromatiques, dpendant davantage

de leurs solubilits dans leau que de leurs points dbullition [29]. La prsence de leau

engendre notamment des phnomnes dhydrolyse. Les constituants de lhuile essentielle

native sont soumis aux effets combins de lacidit et de la chaleur, et peuvent subir des

modifications chimiques. Lhuile essentielle rcupre est un produit qui diffre sensiblementde lessence originelle, dautant plus que la dure dhydrodistillation est longue.

I.2.4. Expression froid

Lexpression froid (Figure I.7) est une extraction sans chauffage rserve aux

agrumes. Le principe de ce procd mcanique est fond sur la rupture des pricarpes riches

en huiles essentielles. Lhuile essentielle ainsi libre est entrane par un courant deau. Une

mulsion constitue deau et dessence se forme. Lessence est alors isole par dcantation

[30-31].

Figure I.7. Schma du montage de lexpression froid[32].

Lutilisation de grandes quantits deau dans cette technique peut altrer les qualits

des huiles essentielles, par hydrolyse, par dissolution des composs oxygns et par transport

de micro-organismes. Cest pour cette raison que les constructeurs cherchent saffranchir de

lutilisation de leau lors dune telle extraction. Ainsi, pour viter ces altrations, de nouveaux

procds physiques usuels sont apparus. Ils sont bass sur louverture des sacs olifres par

clatement sous leffet dunedpression, ou lutilisation duprincipe de labrasion de lcorce

frache [32].

MoteurAiguille

Collecteur

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I.3. Procds dextraction des huiles essentielles assiste par micro -ondes

I.3.1. Entrainement lair assist par micro-ondes Compressed Air Microwave

Distillation (CAMD)

Lentrainement lair assist par micro-ondes (CAMD) a t propos en 1989 parCraveiro et coll [33], comme la premire technique dextraction des huiles essentielles sous

chauffage micro-ondes [33]. Le systme de CAMD se compose de trois parties : un

compresseur envoyant de lair dans le rcipient o se trouve la matire vgtale, un four

micro-ondes et un systme de rfrigration (Figure I.8).

Figure I.8. Entrainement lair assist par micro-ondes (CAMD).

Cette technique repose sur le principe de lentranement la vapeur et utilise de lair

comprim la place de la vapeur pour extraire des huiles essentielles. Elle consiste injecteren continu de lair comprim dans le racteur dextraction o la matrice vgtale est

immerge dans de leau et chauffe sous micro-ondes. La vapeur deau sature en molcules

volatiles est ensuite entrane vers un vase de rcupration plong dans un systme de

rfrigration et situ lextrieur du four micro-ondes. En quelques minutes, leau ainsi que

les molcules aromatiques constituant lhuile essentielle sont donc condenses et rcupres

dans des proportions identique celle dun procd classique.Cette technique a pu montrer

des rsultats sensiblement quivalents, de manire qualitative et quantitative, en seulement 5min compares aux 90 min requises pour lentranement la vapeur classique [33-35].

Compresseur air

Racteur Systme de rfrigration

Vase de rcuprationMatriel vgtalFour micro-ondes

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I.3.2. Hydrodistillation par micro-ondes sous vide puls Vacuum Microwave

Hydrodistillation (VMHD)

Le procd VMHD a t labor et brevet, en 1994, par la socit Archimex [34,35].

Ce procd, bas sur l'utilisation conjointe des micro-ondes et d'un vide puls, les micro-ondes acclrant le transfert des molcules extraire vers le milieu extrieur, le vide puls

permettant de raliser lentranement azotropique une temprature infrieure 100 C. La

figure I.9 reprsente le schma de principe dun pilote VMHD, constitu principalement dun

racteur double enveloppe quipe d'un agitateur, muni dun gnrateur micro-ondes, dun

condenseur et dun systme de rgulation de la pression l'intrieur du racteur ainsi que de

la temprature de la double enveloppe.

Figure I.9. Hydrodistillation par micro-ondes sous vide puls (VMHD).

Ce procd dextraction seffectue en deux tapes: le matriel vgtal traiter, frais

ou sec (auquel cas on lui rajoute une quantit deau requise), est chauffe durant un temps t1

laide des micro-ondes, puis durant un temps t2 un vide puls (denviron 100 200 mbar)

permet lentranement azotropique du mlange eau-huile une temprature infrieure

100C. Pendant toute la dure de l'extraction, la puissance micro-ondes est maintenue

constante comme le montre la figure I.10.

gnrateurmicro-ondes

Condenseur

Pompe vide

Matriel vgtalRacteur double enveloppe

Vase florentin

Huile essentielle

Phase aqueuse

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Figure I.10. Evolution des principaux paramtres du procd VMHD en fonction du temps.

Sous l'effet des micro-ondes et de la double enveloppe, la temprature du matriel

vgtal augmente jusqu' la temprature de consigne, gnralement comprise entre 65 et

80C. On applique alors pendant le temps t1une pression rduite infrieure la tension de

vapeur de l'eau cette temprature. En raison de leffet endothermique de lvaporation de

leau, la temprature du produit baisse.Aprs le temps t1, lapport dnergie(micro-ondes et

double enveloppe) est insuffisant pour maintenir le dbit de condensat, on revient la

pression atmosphrique et la temprature se remet augmenter pendant le temps t2jusqu'

atteindre nouveau la temprature de consigne Tc. Par dfinition, un cycle est dfini comme

la somme t1 + t2. En quelques cycles, la quasi-totalit de l'huile essentielle est extraite et

rcupre sous forme d'eaux blanches aromatiques.

Lextraction par VMHD est 5 10 fois plus rapide que lhydroditillation classique,

pour un rendement quivalent et un extrait de composition identique. Ce procd permet

galement de travailler des tempratures dextractions infrieures 100C (ce qui rduit les

risques de dgradation thermique), et consomme moins dnergie [36-38]. Les huiles

essentielles extraites prsentent un profil trs proche des essences contenues dans la matire

premire et conservent la note "frache" du vgtal d'origine.

0 Temps (min)

Rendement dextraction

Temprature

p 200 mbar

0

Pression

-------------

Tc 70 90 C-------------

Puissance micro-ondes

0

~ 0,2 1 KW/Kg matire premire

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I.3.3. Hydrodistillation assiste par micro-ondes Microwave Assisted Hydrodistillation

(MAHD)

Lhydrodistillation assiste par micro-ondes (MAHD) est un procd dvelopp par

Stashenko et coll. [39,40]. Ce procd,bas entirement sur le principe de lhydrodistillationclassique, consiste placer une partie du montage dhydrodistillation dans le four micro-

ondes (Figure I.11). Le matriel vgtal est donc plac en prsence dune quantit deau

suffisante dans un racteur dispos dans lenceinte du four micro-ondes. Le systme de

rfrigration ainsi que la partie prvue pour la rcupration des essences sont situs

lextrieur du four.

Figure I.11. Hydrodistillation assiste par micro-ondes (MAHD).

Cette technique a t applique pour lextraction des huiles essentielles partir de

plusieurs plantes aromatiques et pices [39-46]. Ainsi, les plantes ayant fait lobjet duneextraction de leurs huiles essentielles par hydrodistillation assiste par micro-ondes (MAHD)

Vase florentin

Condenseur

Matriel vgtal

Four micro-ondes

Racteur

Eau

Huile essentielle

Phase aqueuse

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sont recenses dans le tableau I.3. Ces tudes ont montre que le procd MAHD, compare

lhydrodistillation classique (HD), permet un temps dextraction plus court pour un rendement

et une composition chimique de lhuile similaire. Cette technique rapide apparait compatible

avec lenvironnement et offre une conomie en nergie par rapport lhydrodistillationclassique (HD).

Tableau I.3. Recensement des plantes soumises une extraction des huiles essentielles par

Lhydrodistillation assiste par micro-ondes (MAHD).

Espce botanique Conditions opratoires dextraction Rfrences

Xylopia aromatica

(Lamarck)

100g (500g HD), 2000mL eau (4000 mL eau

HD), Patm, 800 W, t= 30 min (2 h HD)

[39]

Lippia alba (Mill.) 100g, 1000 mL eau (1000 mL eau HD), Patm,

800 W, t= 30 min (2 h HD)

[40]

Thym(Thymus vulgaris L.) 60g, 2000 mL eau (2000 mL eau HD), Patm,

990 W, t= 120 min (4 h HD), R = 2,52 % (2,39

% HD)

[41]

Zataria multiflora boiss 60g, 1200 mL eau (1200 mL eau HD), Patm,

990 W, t= 120 min (4 h HD), R = 3,7 % (3,4 %

HD)

[42]

Satureja hortensis 30g, 600 mL eau (600 mL eau HD), Patm, 660

W, t= 180 min (4 h HD), R = 3,1 % (3,1 % HD)

[43]

Satureja montana 60g, 1200 mL eau (1200 mL eau HD), Patm,

660 W, t= 90 min (4 h HD), R = 0,7 % (0,7 %

HD)

[43]

Eryngium foetidum L. 300g, 1000 mL eau, Patm, 900 W

t= 27 min (6 h HD), R = 0,061 % (0,053 % HD)

[44]

Lavande (Lavandula

angustifolia Mill.)

80g, 1500 mL eau (4L eau HD), Patm, 500 W

t= 20 min (4 h HD), R = 7,40 % (7,62 % HD)

[45]

Aneth (Anethum graveolens

L.)

100g, 1000 mL eau, Patm, 500 W

t= 60 min (3 h HD), R = 2 % (2,1 % HD)

[46]

Coraindre (Coriandrumsativum L.)

100g, 1000 mL eau, Patm, 500 Wt= 60 min (3 h HD), R = 0,4 % (0,4 % HD)

[46]

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31

I.3.4. Extraction sans solvant assiste par micro-ondes Solvent Free Microwave

Extraction (SFME)

Lextraction sans solvant assiste par micro-ondes (SFME) a t dveloppe et

brevete, en 2004, par Chemat et coll. [47,48]. Le SFME est lune des techniques les plusrcentes, pour lextraction des lhuiles essentielles assiste par micro-ondes, sans solvant et

sans eau pression atmosphrique. Le procd SFME est constitu principalement par quatre

parties (Figure I.12):

- un racteur dans lequel est uniquement place la matire vgtale traiter,

- un four micro-ondes,

- un systme de rfrigration,

- un essencier o est recueillie lhuile essentielle.

Figure I.12. Extraction sans solvant assiste par micro-ondes (SFME).

Base sur un principe relativement simple, ce procd dcrit une distillation sche

assiste par micro-ondes qui consiste placer le matriel vgtal frais dans un racteur micro-

ondes sans ajouter ni eau ni solvant organique. Le chauffage de leau de con stitution de la

matire premire permet la rupture des glandes contenant lhuile essentielle. Cette tape libre

lhuile essentielle qui est ensuite entrane par la vapeur deau produite partir de leau de la

matire vgtale. Un systme de refroidissement lextrieur du four micro-ondes permet la

condensation du distillat, compos deau et dhuile essentielle, de faon continue et le retour

Vase florent in

Condenseur

Matriel vgtal

Four micro-ondes

Racteur

Eau

Huile essentielle

Phase aqueuse

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de lexcs deau lintrieur du ballon permet de maintenir le taux dhumidit propre la

matrice vgtale. Ce procd, a t appliqu plusieurs types de plantes fraiches et sches

telle que les pices, les herbes aromatiques et les citrus [49-64]. Le tableau I.4 recense les

plantes ayant fait lobjet dune extraction de leurs huiles essentielles par le procd SFME.


lextraction sans solvant assiste par micro-ondes SFME.


Basilic (Ocimum basilicum

L.)

250g (500g + 6000 mL eau HD), Patm, 500 W,

t= 30 min (4,5 h HD) R = 0,029 % (0,028 %

HD)

[49]

Menthe des jardins (Mentha

crispaL.)

250g (500g + 6000 mL eau HD), Patm, 500 W,

t= 30 min (4,5 h HD) R = 0,095 % (0,095 %

HD)

[49]

Thym (Thymus vulgarisL.) 250g (500g + 6000 mL eau HD), Patm, 500 W,

t= 30 min (4,5 h HD) R = 0,160 % (0,161 %

HD)

[49]

Ajowan (Carum ajowan L.) 250g imbib dans leau pour 1h (250g + 4000

mL eau HD), Patm, 500 W, t= 60 min (8 h HD)

R = 1,41 % (3,34 % HD)

[50]

Cumin (Cuminum cyminum

L.)

250g imbib dans leau pour 1h (250g + 4000

mL eau HD), Patm, 500 W, t= 60 min (8 h HD)

R = 0,63 % (1,43 % HD)

[50]

Anise toil (Illicium

verum)

250g imbib dans leau pour 1h (250g + 4000mL eau HD), Patm, 500 W, t= 60 min (8 h HD)

R = 1,38 % (4,16 % HD)

[50]

Cardamome (Elletaria

cardamomum L.)

100g imbib dans leau (67% dhumidit)

(100g + 1000 mL eau HD), Patm, 390 W, t= 75

min (6 h HD) R = 2,70 %

[51]

Orange (Citrus sinensis L.) 200g, (200g + 2L eau HD), Patm, 200 W

t= 30 min (3 h HD), R = 0,42 % (0,39 % HD)

[52]

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33

Orange (Citrus sinensis L.) 200g, (200g + 2L eau HD), Patm, 200 W

t= 10 min (3 h HD, 1h CP), R = 0,4 % (0,4 %

HD, 0,15 % CP)

[53]

Citrus (Citrus limon L.) 200g, (200g + 2L eau HD), Patm, 200 Wt= 30 min (3 h HD), R = 0,24 % (0,21 % HD,

0,05 % CP)

[54]

Romarin (Rosmarinus

officinalis L.)

200g, (200g + 2L eau HD), Patm, 200 W

t= 30 min (3 h HD), R = 0,57 % (0,57 % HD)

[55]

Romarin (Rosmarinus

officinalis L.)

250g, (250g + 4L eau HD), Patm, 500 W

t= 40 min (3 h HD), R = 0,39 % (0,31 % HD)

[56]

Nigelle (Nigella sativa L.) 150g, (150g + 3L eau HD), Patm, 850 Wt= 10 min (2,5 h HD), R = 0,20 % (0,18 % HD)

[57]

Origan (Origanum vulgare

L.)

150g imbib dans leau pour 1h, (150g + 1,5L

eau HD), Patm, 622 W, t= 35 min (3 h HD), R =

0,054 mL/g (0,048 mL/g HD)

[58]

Origan (Origanum

glandulosumDesf.)

25g imbib dans leau pour 1h, Patm, 850 W,

t= 20 min (4 h HD), R = 3,3 % (4,8 % HD)

[59]

Laurier (Laurus nobilis L.) 150g imbib dans leau pour 1h, (150g + 1,5Leau HD), Patm, 622 W, t= 85 min (195 min

HD), R = 0,0235 mL/g (0,022 mL/g HD)

[60]

Thym (Saccocalyx

satureioides Coss. et Dur.)

25g imbib dans leau pour 1h, (200g + 2L eau

HD), Patm, 622 W, t= 20 min (4h HD), R =1,9

% (2,3 % HD)

[61]

Mlisse(Melissa officinialis

L.)

280g imbib dans leau, (280g + 2L eau HD),

Patm, 85 W, t= 50 min (3h HD), R =0,15 %(0,16 % HD)

[62]

Laurier (Laurus nobilis L.) 140g imbib dans leau, (140g + 2L eau HD),

Patm, 85 W, t= 50 min (3h HD), R =0,42 %

(0,41 %HD)

[62]

Buplvre (Bupleurum

fruticosum L.)

Patm, 500 W, t= 30 min (3 h HD), R = 0,21 %

(1,71 % HD)

[63]

Sarriette calament

(Calamintha nepetaL. Savi)

60g (140g HD), Patm, 250 W, t= 40 min (4h

HD), R =0,38 %

[64]

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Les rsultats obtenus ont montr que le procd SFME est avantageux par apport

lhydrodistillation classiquedun point de vue:

quantitatif : des rendements similaires ou parfois meilleur ceux obtenus par

hydrodistillation classique. qualitatif : les huiles essentielles obtenues par SFME prsentent une proportion plus

importante de composs oxygns, les plus valorisables sur le plan olfactif

temps dextraction: le procd SFME se ralise avec un court temps dextraction

conomique : Comme le temps dextraction est rduit, le procd est plus conomique

en temps et en nergie et par la suite en cout.

environnemental : le systme SFME nutilise ni solvant organique ni eau.

I.3.5. Extraction sans solvant amliore assiste par micro-ondes Improved Solvent Free

Microwave Extraction (Improved SFME)

Improved SFME a t propose par Wang et coll. en 2006 [65]. La mthode rside en

lutilisation dun montage dextraction sans solvant assiste par micro-ondes dans lequel une

poudre de fer de carbonylique CIP (Carbonyl iron powders) est ajoute et mlange avec des

matires vgtales sches dans le fond du racteur (Figure I.13). Les particules sphriques de

fer de carbonylique (CIP) sont capables dabsorber une partie de lnergie micro-onde mise

et de la restituer au milieu sous forme de chaleur. Ainsi, le matriel vgtal peut tre chauff

par simple conduction sans apport dnergie auxiliaire.

Figure I.13. Extraction sans solvant amliore assiste par micro-ondes (Improved SFME).

Vase florentin

Condenseur

Matriel vgtal

Four micro-ondes

Racteur

Huile essentielle

Phase aqueuse

Fer de carbonylique (CIP)

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Actuellement, diffrentes types de matires capables d'absorber les radiations micro-

ondes, ont t aussi utilis telle que : le graphite GP (graphite powders), le charbon actif ACP

(active carbon powders) et le liquide ionique IL (1-hexyl-3-methylimidazolium

Hexafluorophosphate) [67,68].Cette mthode a t applique diffrentes types de plantes sches et aussi fraiches

telle que les pices, les citrus et les herbes aromatiques [65-70] (Tableau I.5). Lavantage de

cette mthode est quelle permet d'acclrer le temps d'extraction par apport aux autres

mthodes telle que le SFME, MAHD et HD et de n'avoir besoin d'aucun prtraitement.


lextraction sans solvant amliore assiste par micro-ondes (Improved SFME).


Cumin (Cuminum cyminum

L.)

100g + 20g CIP, Patm, 85 W, t= 30 min (50 min

SFME, 90 min MAHD, 180 min HD)

[65]

Poivre de Sichuan

(Zanthoxylum bungeanum

Maxim.)


SFME, 90 min MAHD, 180 min HD)

[65]

Orange (Citrus reticulata

Blanco)


MAHD, 180 min HD)

[66]

Menthe (Mentha haplocalyx

Briq)


MAHD, 180 min HD)

[66]

Anis toil (Illicium verum

Hook. f.)

100g + 20g CIP (ou + 20g GP ou + 20g ACP),

Patm, 85 W, t= 30 min (50 min SFME, 90 min

MAHD, 180 min HD)

[67]

Gingembre (Zingiber

officinale Rosc.)

100g + 20g CIP (ou + 20g GP ou + 20g ACP),

Patm, 85 W, t= 30 min (50 min SFME, 90 min

MAHD, 180 min HD)

[67]

Anis toil (Illicium verum

Hook. f.)

20g + 15mL IL, Patm, 440 W, t= 15 min (180

min HD)

[68]

Cumin (Cuminum cyminumL.)

20g + 15mL IL, Patm, 440 W, t= 15 min (180

min HD)

[68]

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I.3.6. Hydrodiffusion assist par micro-ondes et gravit Microwave Hydrodiffusion and

Gravity (MHG)

Lhydrodiffusion assiste par micro-ondes et gravit (MHG) a t brevet par Chemat

et coll. en 2008 [71]. Ce procd a t conu pour lextraction des huiles essentielles dediffrentes matrices vgtales par hydrodiffusion via un rayonnement micro-onde sous

pression atmosphrique. Comme le montre la figure I.14, le systme MHG est constitu

principalement de quatre parties:

- un racteur dans lequel est uniquement place la matire vgtale traiter,

- un four micro-ondes,

- un systme de rfrigration,

- un essencier o est recueillie lhuile essentielle.

Figure I.14. Hydrodiffusion assist par micro-ondes et gravit (MHG).

Cette technique consiste placer le matriel vgtal dans un racteur lintrieur du

four micro-ondes, sans ajouter ni eau ni solvant organique. Les micro-ondes provoquent un

chauffement de leau contenue dans la matire vgtale ce qui permet la destruction des

Four micro-ondes

Racteur

matriel vgtal

Support

Systme de rfrigration

---------------

Huile essentielle

Vase florentin

Phase aqueuse

Output

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cellules contenant lhuile essentielle. Les huiles essentielles ainsi que leau interne du matriel

vgtal sont libres et transfres de lintrieur de la plante vers lextrieur. Il sagit du

phnomne dhydrodiffusion. Un systme de refroidissement lextrieur du four micro-

ondes permet la condensation du distillat. Ce procd, a t appliqu plusieurs types deplantes telle que des plantes aromatiques et les citrus [72-74] (Tableau I.6). Le tableau I.6

recense les plantes ayant fait lobjet dune extraction de leurs huiles essentielles par le

procd MHG.


lhydrodiffusion assiste par micro-ondes et gravit (MHG).


Menthe (menthe pulegium

L.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 20 min (90 min HD), R = 0,95 % (0,90 %

HD)

[72]

Menthe (menthe spicata L.) 500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 20 min (90 min HD), R = 0,6 % (0,59 % HD)

[72]

Citron: Eureka (Citrus limon

L.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 15 min (3h HD, 1h CP), R = 0,7 % (0,8 %

HD, 0,1 CP)

[73]

Citron: Villa Frana (Citrus

limon L.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 15 min (3h HD, 1h CP), R = 1,6 % (1,7 %

HD, 0,2 CP)

[73]

Lime (Citrus aurantifolia

(Chrism.) Swing)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 15 min (3h HD, 1h CP), R = 0,8 % (0,8 %HD, 0,2 CP)

[73]

Pomelo: Marsh Seedless

(Citrus paradisi L.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 15 min (3h HD, 1h CP), R = 1 % (1,1 % HD,

0,2 CP)

[73]

Orange douce: Tarocco

(Citrus sinensis L.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 15 min (3h HD, 1h CP), R = 1,2 % (1,3 %

HD, 0,3 CP)

[73]

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38

Orange douce: Valencia late

(Citrus sinensis L.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 15 min (3h HD, 1h CP), R = 1 % (1,1 % HD,

0,2 CP)

[73]

Orange douce: WashingtonNaval (Citrus sinensis L.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 Wt= 15 min (3h HD, 1h CP), R = 0,9 % (1 % HD,

0,2 CP)

[73]

Tengelo Seminole (Citrus

paradisi Macf.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 15 min (3h HD, 1h CP), R = 1,2 % (1,3 %

HD, 0,3 CP)

[73]

Romarin (Rosmarinus.

officinalis L.)

500g, (500g + 3L eau HD), Patm, 500 W

t= 15 min (3h HD), R = 0, 33 % (0,35 % HD)

[74]

Les rsultats obtenus ont montr que le procd MHG est avantageux par apport aux

autres mthodes conventionnelles, lhydrodistillation (HD) et lexpression froit (CP),dun

point de vue :

quantitatif : des rendements identiques ceux obtenus par hydrodistillation classique.

qualitatif : le MHG fournit des huiles essentielles de haute valeur (composs oxygnsen grand pourcentage).

temps dextraction: un temps dextraction plus court

conomique : Comme le temps dextraction est rduit, le procd est plus conomique

en temps et en nergie et par la suite en cout.

environnemental : le MHG nutilise ni solvant organique ni eau.

I.3.7. Entrainement la vapeur assist sous micro-ondes Microwave Steam Distillation

(MSD)

Lentrainement la vapeur assist sous micro-ondes (MSD) a t dveloppe par

Sahraoui et coll. en 2008 [75]. Le procd repose sur le principe de lentranement la vapeur

classique (EV) dans lequel une irradiation micro-ondes est exerceuniquement sur le racteur

dextraction (Figure I.15). Le systme de rfrigration ainsi que la partie prvue pour la

rcupration de lhuileessentielle est place lextrieur du four micro-ondes.

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Figure I.15. Entrainement la vapeur assist sous micro-ondes (MSD).

Cette mthode a t applique pour lextraction de lhuile essentielle de fleurs de

lavande (L. angustifolia Mill.) [75]. Lavantage de cette mthode est d'acclrer le temps

d'extraction (6 minutes contre 30 minutes par entranement la vapeur (EV)) avec une

composition chimique similaire celle obtenu par entranement la vapeur (EV).

I.3.8. Vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes Microwave Steam Diffusion (MSDf)

La vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes (MSDf) a t propos par Farhat et coll.

en 2009 [76]. Le procd MSDf est compos principalement de cinq parties: un gnrateur de

vapeur, un racteur dans lequel est uniquement place la matire vgtale traiter, un four

micro-ondes, un systme de rfrigration et un essencier o est recueillie lhuile essentielle

(figure I.16). Ce procd consiste placer le matriel vgtal dans un racteur lintrieur

dun four micro-ondes et un flux de vapeur fournie traverse la matire vgtale solide den

haut vers le bas. Ce flux descendant profite ainsi de laction osmotique de la vapeur deau.

Lapplication des rayonnements magntiques, durant le passage de la vapeur au travers de la

matrice solide, permet un transfert de chaleur particulier au sein du matriel vgtal, ce qui

induit lclatement des glandes renfermant lhuile essentielle. Ainsi lhuile essentielle qui est

diffuse avec la vapeur sous laction de la chaleur est vhicule vers un systme de

refroidissement.

Matriel vgtal

Four micro-ondes

Condenseur

Vase f lorentin

Racteur

Support

Gnrateur

Vapeur

Huile essentielle

Phase aqueuse ----------------------

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Figure I.16. Vapo-diffusion assiste par micro-ondes (MSDf).

Ce procd a t appliqu pour lextraction de lhuile essentielle de fleurs de lavande

[76]. Le procd MSDf offre des avantages importants par rapport la technique

traditionnelle : temps dextraction plus court, impacts environnementaux moindres (conomie

dnergie) et obtention dune huile essentielle de qualit.

I.4. Comprhension de lextraction des huiles essentielles assiste par micro -ondes

I.4.1. Mcanisme de lextraction des huiles essentielles par micro-ondes

Gnralement, dans le cas des huiles essentielles, le mcanisme dextractionseffectue

par une diffusion provoque par un gradient de concentration en solut. Durant lextraction,

le transfert de matire implique un tat non stationnaire, ce qui explique une srie de

processus successifs traduisant la variation de la concentration du solut dans le solide vgtal

et son interaction avec le solvant (Figure I.17).

Huile essentielle

Vase f lorentin

Gnrateur

vapeur

Four micro-ondes

Racteur

matriel vgtal

Support

Systme de rfrigration

-----------------

Phase aqueuse

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Figure I.17. Diffrentes tapes du processus de transfert de matire lors de lextraction

dhuiles essentielles.

La totalit de lopration se droule en quatre tapessuccessives:

1.

Diffusion du solvant dans la matrice solide,2. Dissolution du solut dans le solvant,

3. Diffusion du solut dissous vers la surface solide,

4. Transfert du solut prs du solide vers le solvant.

La cintique de ces quatre processus intervenant dune faon successive voluent

diffremment selon les conditions opratoires incluant la nature du solvant, la temprature

laquelle se droule lopration, les molcules extraire (solut), la structure de la matiresolide, lagitation... La cintique est gnralement exprime en termes de concentration du

solut dans le solide par unit de temps (dx/dt).

La pntration du solvant dans le solide est gnralement rapide par rapport aux autres

processus. Cette tape peut donc tre nglige dans le modle cintique. Alors que, la phase

du transfert du solvant travers la matrice vgtale solide constitue ltape la plus lente donc

ltape limitante du processus dextraction des huiles essentielles dans la plupart des matires

vgtales solides. En effet, la complexit de la microstructure naturelle des vgtaux engendreune mauvaise aptitude quant la diffusion interne des liquides. Aussi, la diffusion du solut

3

--------------------------------------

--------------------------------------

lhuile essentielle

Milieu intrieure

(Solide vgtal)

Milieu extrieure

(Solvant)

1

2

4

Poche contenantlhuile essentielle

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vers la surface extrieure du solide joue un rle galement important dans la cintique de

transfert de matire. Cependant, le passage du solut vers la masse de solvant ne constitue pas

une tape limitante comme une bonne agitation homognise le milieu et assure son transfert

dans latmosphre. La vitesse globale dextraction des huiles essentielles devra prendre encompte les diverses vitesses, alors que le processus diffusionnel est ltape limitante [77-80].

Lobjectif que nous nous sommes fix dans ltude du mcanisme dextraction des

huiles essentielles est la dfinition dune intensification du processus limitant. Cette

intensification peut tre dfinie en deux processus : internes et externes.

Lintensification du processus de transfert externe durant lextraction dhuiles

essentielles par distillation classique peut tre mise au point par une simple augmentation de

gradient de temprature. En effet une mise sous pression permet laugmentation de latemprature de la surface du matriel vgtal; la pression partielle de chacun des composs

volatils doit galement augmenter. Cependant, une telle opration pourrait, en raison de sa

dure, engendrer une dgradation, quelque fois trop importante, de la qualit de lhuile

essentielle. La diminution de la temprature du condenseur et la rduction de la distance le

sparant de la surface du matriau solide sont possibles mais leur effet est trs limit. La

diffusivit des molcules dans latmosphre est gnralement faible et son augmentation ne

peut pas tre retenue comme moyen dintensification possible.

Le processus de transfert interne des lhuiles essentielles contenues au sein du matriel

vgtal est nettement plus complexe. Si ces huiles sont sous forme liquide, elles vont migrer

par diffusion. Cette diffusion est gnralement dcrite par la seconde loi de Fick :

(7)XD-X 2

t

Avec X est la fraction de solut dans le solide et Dx le coefficient de diffusion

molculaire du solut.

Cette quation est valide pour la diffusion dun solut dans un corps poreux rigide

sous la condition que la structure soit considre comme quasi homogne et

macroscopiquement isotrope [81]. Cependant, ce coefficient doit dpendre de la structure, de

la porosit et de la tortuosit des matrices vgtales tudies.

Si ces huiles sont sous forme gazeuse, leur extraction ncessite une pression partielle

la surface interne du matriel vgtal infrieure celle qui existe au cur de ce mme

matriel vgtal.

Dans le but damliorer ce processus de transfert interne, nous avons choisi

lapplication des micro-ondes comme source de chauffage. Le gradient de temprature qui est

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alors instaur, du cur du matriel vgtal vers la priphrie, implique un gradient de

pression partielle des composs volatils (huile essentielle) allant dans le mme sens et agissant

ainsi en vue de contribuer leur extraction (Figure I.18).

Figure I.18. Schma duprocessus de transfert de matire et de chaleur lors de lextraction

dhuiles essentielles par chauffage conventionnel et par micro-ondes.

Dautre part, le chauffage par micro-ondes pourrait contribuer la fragilisation voire la

rupture des parois cellulaires, couples ventuellement une certaine expansion de lespace

interstitiel. Ces divers lments contribuent invitablement une intensification trs

pertinente et par consquent une acclration de la cintique de lopration dextraction des

huiles essentielles [82, 83]. Cependant, ces activations ou acclrations importantes de la

cintique dextraction des huiles essentielles sous chauffage micro-ondes sont souvent

affectes par plusieurs facteurs tel que : le temps dextraction, leffet thermique des micro-

ondes (Temprature), la puissance dirradiation des micro-ondes et la texture du matriel

vgtal.

I.4.2. Facteurs influenant lextraction des huiles essentielles par micro-ondes

I.4.2.1. Temps dextraction

Pour la majorit des plantes tudies, le paramtre le plus valorisable est

incontestablement le temps dextraction. La rapidit dextraction parait tre le principal atout

dans lextraction des huiles essentielles par micro-ondes. La littrature montre que, pour des

--------- ---------

--------- Transfert de chaleur

Transfert de matire

---------Transfert de chaleur

Transfert de matire

Extraction par micro-ondes

dhuiles essentielles

Extraction conventionnel

dhuiles essentielles

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rendements similaires en extraction des huiles essentielles, lemploi de chauffage par micro-

ondes permet une rduction significative du temps dextraction en comparaison avec la

mthode classique (Tableau I.7).

Tableau I.7. Recensement des plantes soumises une extraction par micro-ondes par

diffrentes mthodes.

Plant matriel Mthode

dextraction

Temps dextraction

(min)

Rfrences

Menthe (menthe pulegium L.) MHG 20 (90 HD) [72]

Citron (Citrus limon L.) MHG 15 (180 HD) [73]Romarin (R. officinalis L.) MHG 15 (180 HD) [74]

Thym (Thymus vulgarisL.) SFME 30 (270 HD) [49]

Basilic (Ocimum basilicumL.) SFME 30 (270 HD) [49]

Ajowan (Carum ajowan L.) SFME 60 (480 HD) [50]

Nigelle (Nigella sativa L.)

Lavande (L. angustifolia Mill.)

Cumin(Cuminum cyminum L.)

SFME

MSD

ISFME

10 (150 HD)

6 (30 EV)

30 (180 HD)

[57]

[75]

[65]

De plus, en raison de la rapidit du procd, on observe parfois une augmentation de la

slectivit de lextraction par rapport la mthode conventionnelle pour un mme rendement

dextraction [49].

I.4.2.2. Effet thermique des micro-ondes

Llvation de la temprature augmente la solubilit et la diffusivit de la solution et

rduit sa viscosit. Mais elle augmente aussi la permabilit des parois cellulaires et donc

diminue la slectivit. La temprature opratoire est limite par les risques de dgradation

thermique des produits finis. Dans le cas de lextraction des huiles essentielles par micro-

ondes, plusieurs quipes ont tudi linfluence de la temprature sur la cintique dextraction

des huiles essentielles de diffrents types de matriel vgtal [21,27]. Ils mettent en vidence

linfluence de la vitesse de la monte en temprature sur la cintique dextraction mais

galement son implication dans la dgradation des huiles essentielles. Son augmentation est

plus rapide et par consquent facilite la diffusion, mais elle reste toujours aux alentours de la

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temprature dbullition de leau (100C). La temprature favorise ainsi lclatement des

cellules et entrane lextraction de lhuile essentielle sans dgradation de sa qualit.

I.4.2.3. Puissance micro-ondes

A quelques exceptions, les puissances appliques sont relativement leves (suprieure

500W) par rapport la quantit de vgtal traiter (infrieure 100g). Cependant la

quantit de puissance applique est troitement lie au temps dextraction mais reste aussi en

troite relation avec la temprature de la matrice. La puissance doit tre correctement choisie

pour viter une temprature excessive qui pourrait mener la dgradation des huiles

essentielles donc la combinaison dune basse ou modre puissance avec une plus longue

exposition peut tre une approche sage. Les donnes de la littrature, ont montr que leprocd dhydrodistillation assiste par micro-ondes sous vide puls (VMHD) ncessite des

puissances sensiblement plus leves (1200W) pour des temps dextraction de 15 minutes en

moyenne. Par contre le procd de SFME applique des puissances en rapport direct avec la

quantit de matire vgtale traiter do la notion plus approprie de densit de puissance.

Cette grandeur reprsente la quantit de puissance applique en Watts par kilogramme de

matriel vgtal trait (gnralement de 2 Watts par gramme de matire vgtale traite) [84].

I.4.2.4. Solide vgtal

Le solide vgtal a une double influence sur le transfert de matire lors de lextraction

des huiles essentielles, lune par sa taille, lautre par sa structure. La matire vgtale a une

microstructure complexe et variable, forme de cellules, despaces intercellulaires, de

capillaires et de pores. Sa description par les outils classiques de gnie chimique nest pas

toujours aise. Gnralement, dans le cas de lextraction des huiles essentielles par micro-

ondes, une diffrence de taille des particules lors de lextraction modifie la vitesse

dextraction. La cintique dextraction est plus rapide son dbut car les huiles essentielles

contenues dans les petites particules et les couches superficielles sont facilement accessibles.

Ltablissement de lquilibre entre les deux phases dpend ensuite de la taille du matriel

vgtal. Plus elles sont grosses, plus lquilibre sera long tablir car ltape de diffusion

travers la matrice vgtale est trs lente, donc limitante. Par consquent lextraction des huiles

essentielles par micro-ondes de certains organes parait plus rapide que dautres. En effet le

temps dextraction des huiles essentielles par micro-ondes des fleurs ou des feuilles est de 3

4 fois plus rapide que celui des graines [1,85].

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Chapitre 2

Vapo-diffusion assiste par micro-ondes (MSDf):

Conception, optimisation et application aux

coproduits dorange*

Rsum

Un nouveau procd dextraction dhuiles essentielles assiste par micro ondes nomm

vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes (MSDf) , a t conu, mis au point et optimis.

Ce procd ncessite lemploi des micro-ondes comme une technologie dintensification et

permet lextraction dhuiles essentielles de faon simple et rapide. Le procd MSDf a t

appliqu et valid pour lextraction dhuiles essentielles partir des peaux doranges. Son

tude a concern la faisabilit, la conception, loptimisation, la modlisation, la cintique ainsi

que la qualit des huiles essentielles obtenues. Dans le cadre du prsent travail, nous

cherchons tendre le concept et mieux comprendre les processus en vue de bien matriser

et gnraliser ce nouveau procd.

*Une partie des travaux relats dans ce chapitre a fait lobjet dune publication accepte

Microwave steam diffusion for extraction of essential oils from orange peel: Kinetic data, extracts global yield and mechanism

A. Farhat, A-S. Fabiano-Tixier, M. El Maataoui, J-F. Maingonnat, M. Romdhane, F. Chemat

Food Chemistry

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Introduction

Dans un contexte mondial qui est la recherche de procds propres permettant

lextraction de nouveaux ingrdients forte valeur ajoute, nous proposons un nouveau

procd dextraction dhuiles essentielles nomm Vapo-diffusion Assiste par Micro-ondes(MSDf) . Il sagit dun dispositif de laboratoire permettant lextraction dhuiles essentielles

par combinaison de la technique de lhydrodiffusion et de lnergie radiative des micro-ondes

comme technologie dintensification. Les objectifs de cette mthode sont de pouvoir obtenir

la mme qualit de lhuile essentielle extraite tout en diminuant les dures dextraction, en

simplifiant les protocoles opratoires et en diminuant la consommation dnergie.

Le procd MSDf a t valid et appliqu pour lextraction dhuiles essentielles duncoproduit trs abondant dans le monde, les peaux doranges. La mise au point et la conception

du procd MSDf sont dfinies et commentes dans ce chapitre. Aprs avoir conu le

prototype, une mthodologie en surface de rponse a t exprimente afin de considrer la

performance du procd dans lextraction de lhuile essentielle des peaux dorange et

dinvestiguer la pertinence desvariables impliques dans le dispositif. Les huiles essentielles

extraites avec les rglages affins ont t compares celles obtenues par mthode

conventionnelle en terme de rendement, de temps dextraction et de composition. Une analyse

de la structure de lcorcedorange aprs traitement par MSDf ainsi quune analyse du profile

de la temprature ont permis dinterprter les phnomnes susceptibles de jouer un rle

particulier lors de lextraction. Afin de valoriser les donnes exprimentales obtenues et pour

une meilleure comprhension des phnomnes dextraction par MSDf, nous nous sommes

intresss la modlisation de ce procd dextraction. Ce modle nous a permis de

dterminer un coefficient de transfert de matire globale. Enfin, nous avons essay de poser

les bases de la comprhension des phnomnes mis en jeu et de proposer un mcanisme

dextraction spcifique.

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II.1. Partie exprimentale

II.1.1. Lorange

II.1.1.1. Description

Originaire du Sud-Est asiatique, loranger ou Citrus sinenisis(L). Osbeck. est un arbrefruitier de la famille desRutaces,pouvant atteindre 10 mtres, avec un feuillage vert sombre

persistant et ncessitant une temprature moyenne de 14C [86]. Il sagit de lespce du genre

citrus la plus importante, tant par le nombre de varits quelle renferme, que par

l

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