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Title:
METHOD FOR PREPARING CELLO-SACCHARIDES FROM CELLULOSE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/175159
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a method for preparing cello-polysaccharides comprising the steps consisting of: a) providing a cellulose with an average viscometric degree of polymerisation DPvi, b) bringing said cellulose into contact with an aqueous solution of chlorine dioxide with a pH greater than or equal to 8, by means of which a suspension of cello-polysaccharides with an average viscometric degree of polymerisation DPvf in a liquid phase is obtained, where DPvf ≤ 0.60 x DPvi c) recovering said cello-polysaccharides in suspension and, if applicable, the cello-oligosaccharides present in the liquid phase.

Inventors:
MORTHA GÉRARD (FR)
BOISSET CLAIRE (FR)
SERRANO LUIS (FR)
MARLIN NATHALIE (FR)
Application Number:
EP2019/056141
Publication Date:
September 19, 2019
Filing Date:
March 12, 2019
Export Citation:
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Assignee:
CENTRE NAT RECH SCIENT (FR)
INST POLYTECHNIQUE GRENOBLE (FR)
International Classes:
C08B15/02
Foreign References:
US2129719A1938-09-13
RU2163945C12001-03-10
Other References:
DENCE C.W.; REEVE D.: "Pulp Bleaching, Principles and Practices", 1996
HART P.W.; RUDIE A.W: "The Bleaching of Pulp", 2012
MORTHA G.; MARCON J.; DALLERAC D.; MARLIN N.; VALLEE C.; CHARON N.; LE MASLE A.: "Depolymerization of cellulose during cold acidic chlorite treatment", HOLZFORSCHUNG, vol. 69, no. 6, 2015, pages 731 - 736
DAVIDSON G.F.: "The acidic properties of cotton cellulose and derived oxycelluloses. Part II. The absorption of methylene blue", JOURNAL OF TEXTILE INSTITUTE, vol. 39, 1948, pages T65 - 86
S. DE BAERE; V. EECKHAUT; M. STEPPE; C. DE MAESSCHALCK; P. DE BACKER; F. VAN IMMERSEEL; S. CROUBELS: "Development of a HPLC-UV method for the quantitative détermination of four short-chain fatty acids and lactic acid produced by intestinal bacteria during in vitro fermentation", JOURNAL OF PHARMACEUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS, vol. 80, 2013, pages 107 - 115, XP028586861, DOI: doi:10.1016/j.jpba.2013.02.032
Attorney, Agent or Firm:
HABASQUE, Etienne et al. (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1.- Procédé de préparation de cellopolysaccharides comprenant les étapes consistant à :

a) fournir une cellulose de degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvi, b) mettre en contact ladite cellulose avec une solution aqueuse de dioxyde de chlore à pH supérieur ou égal à 8, ce par quoi une suspension de cellopolysaccharides de degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf dans une phase liquide est obtenue,

où DPvf < 0,60 x DPvi

c) récupérer lesdits cellopolysaccharides en suspension,

les DPvi et DPvf étant mesurés par viscosimétrie à 25°C.

2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la cellulose est choisie parmi une pâte cellulosique papetière, du coton et de la cellulose microcristalline, de préférence du coton ou de la pâte cellulosique papetière non blanchie ou blanchie.

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la cellulose est une pâte cellulosique papetière blanchie, le procédé comprenant, avant l’étape a), une étape aO) de blanchiment de la pâte à papier.

4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape b) est mise en oeuvre en mettant en contact la cellulose avec une solution aqueuse de pH supérieur ou égal à 8, puis en ajoutant du dioxyde de chlore, de préférence une solution aqueuse de dioxyde de chlore.

5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel :

lors de l’étape b), le pourcentage massique de dioxyde de chlore par rapport à la masse de cellulose est de 0,1 à 20%, notamment de 1 à 15%, de préférence de 2 à 12%, et/ou

l’étape b) est mise en oeuvre à pH de 9,0 à 13,0, de préférence de 10,0 à 12,5, et/ou l’étape b) dure de 10 secondes à 24 heures, notamment d’une minute à 12 heures, de préférence de 10 minutes à 2 heures, et/ou

l’étape b) est réalisée à une température supérieure à 5°C, voire supérieure à 15°C, notamment de 20°C à 90°C, de préférence de 40°C à 80°C, par exemple de 60°C à 80°C.

6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, à la fin de l’étape b), le degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf des cellopolysaccharides en suspension est supérieur ou égal à 20.

7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une étape d) de récupération de la phase liquide comprenant des cellooligosaccharides, au moins un acide organique et du chlorite. 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant, après l’étape d), une étape e) de récupération des cellooligosaccharides.

9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la récupération des cellooligosaccharides est réalisée par acidification de la phase liquide à pH inférieur ou égal à 8, puis séparation par chromatographie d’exclusion stérique ou par ultrafiltration.

10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant, après l’étape d) :

une étape f) de récupération de l’acide formique, et/ou

une étape g) de récupération du chlorite.

Description:
Procédé de préparation de cellosaccharides à partir de cellulose

La présente invention concerne un procédé de préparation de cellosaccharides par dépolymérisation de cellulose.

Les cellosaccharides sont utiles notamment comme matière première pour l’industrie chimique. Ils ont une plus haute valeur ajoutée que la cellulose elle-même. Les cellosaccharides permettent notamment la synthèse de cellulose modifiée, par exemple des esters ou des éthers de cellulose, comme la carboxyméthylcellulose (CMC)

Divers procédés de préparation de cellooligosaccharides par hydrolyse et dépolymérisation de la cellulose sont connus, et notamment :

- l'hydrolyse enzymatique de la cellulose, basée sur l’utilisation de plusieurs cellulases pour convertir la totalité de la cellulose en glucose. Ce procédé est toutefois limité par le coût élevé des enzymes, dont la récupération est difficile, et par un temps de réaction long. La production d'oligosaccharides est faible, car l’hydrolyse enzymatique conduit en grande majorité au glucose.

En particulier, l'acétolyse de la cellulose permet l’hydrolyse et la peracétylation simultanée de la chaîne de cellulose. Cette méthode permet d’obtenir des rendements du même ordre que les hydrolyses acides mais elle nécessite une étape supplémentaire de désacétylation. Elle présente les mêmes inconvénients de corrosivité, de nocivité et de contrôle que l’hydrolyse acide. Néanmoins, les mélanges d'oligosaccharides obtenus sont plus faciles à purifier.

- l'hydrolyse acide de la cellulose (par catalyse acide en phase hétérogène, ou bien en présence d’un acide minéral). Les réactifs utilisés sont toxiques et dangereux. Ce procédé conduit à une corrosion des installations car le milieu est très acide. De plus, les effluents sont très acides et difficiles à traiter et à recycler. Par ailleurs, il n’y a pas de sélectivité quant aux cellooligosaccharides formés et des réactions secondaires ont lieu : un mélange de nombreux cellooligosaccharides et de produits secondaires issus de la décomposition du glucose en milieu acide (5-(hydroxyméthy|)furfural (HMF) et acide lévulinique) est obtenu, ce qui rend la purification des cellooligosaccharides souhaités très délicate. Enfin, comme la voie enzymatique, la production d'oligosaccharides est faible, et le glucose est le principal produit de réaction.

- la dépolymérisation mise en oeuvre en présence de catalyseurs mais le coût est très élevé.

De plus, ces procédés comprennent généralement une étape de broyage mécanique de la cellulose permettant de diminuer sa cristallinité et de la rendre plus accessible aux différents réactifs de dépolymérisation utilisés. Cette étape préalable de broyage a l’inconvénient d’être coûteuse.

Par ailleurs, dans l'industrie papetière, des millions de tonnes de pâte à papier sont produites à l’échelle mondiale avec un procédé mettant en œuvre du dioxyde de chlore en milieu acide (pH de 2 à 4). Le dioxyde de chlore est utilisé comme agent délignifiant et blanchissant des fibres lignocellulosiques. L’objectif de ce blanchiment est d’éliminer la lignine (à l’origine de la couleur marron) et les hémicelluloses, sans modifier chimiquement la cellulose. Dans un milieu acide, le dioxyde de chlore ne réagit pas (ou très faiblement) sur les polysaccharides, et sa sélectivité envers la lignine est unique en milieu acide. Le dioxyde de chlore est donc utilisé exclusivement en milieu acide, et il y a un préjugé à l’utiliser dans d’autres conditions qui pourraient conduire à la dégradation de la cellulose, ce qui n’est pas recherché dans l'industrie papetière.

Le développement de procédés alternatifs de préparation de cellosaccharides n’ayant pas les inconvénients des méthodes de dépolymérisation acide, enzymatique ou catalysée décrites ci-dessus est requis.

A cet effet, l’invention concerne un procédé de préparation de cellopolysaccharides comprenant les étapes consistant à :

a) fournir une cellulose de degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvi, b) mettre en contact ladite cellulose avec une solution aqueuse de dioxyde de chlore à pH supérieur ou égal à 8, ce par quoi une suspension de cellopolysaccharides de degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf dans une phase liquide est obtenue,

où DPvf < 0,60 x DPvi

c) récupérer lesdits cellopolysaccharides,

les DPvi et DPvf étant mesurés par viscosimétrie à 25°C (selon la norme Tappi T230 om- 99).

Dans la présente demande :

- par « cellosaccharide » (également appelés cellodextrines), on entend cellopolysaccharide et/ou cellooligosaccharide.

- par « cellooligosaccharide », on entend que le degré de polymérisation est supérieur ou égal à 2 (le glucose est exclu) et inférieur à 20 tel que mesuré par spectrométrie de masse MALDITOF. Dans le procédé selon l’invention, les cellooligosaccharides sont solubilisés dans la solution aqueuse à 20°C obtenue à la fin de l’étape b).

- par « cellopolysaccharide », on entend que le degré de polymérisation viscosimétrique est supérieur ou égal à 20 et inférieur à celui de la cellulose fournie à l’étape a). Dans le procédé selon l’invention, les cellopolysaccharides ne sont pas solubilisés dans la solution aqueuse à 20°C obtenue à la fin de l’étape b). Ils sont en suspension.

La cellulose fournie à l’étape a) est généralement choisie parmi une pâte cellulosique papetière, du coton, par exemple sous forme de linters de coton, et de la cellulose microcristalline, de préférence de la pâte cellulosique papetière ou du coton, la pâte cellulosique papetière étant particulièrement préférée.

Comme cellulose utilisée comme produit de départ, toute sorte de pâte à papier peut être mise en oeuvre. Elle peut être obtenue par voie mécanique ou par voie chimique à partir de fibres vierges (procédé kraft, au sulfite, au bisulfite, à la soude, par un procédé organosolve, ...), ou issue du recyclage de papiers et cartons récupérés. La pâte à papier est de préférence de la pâte à papier kraft en particulier de la pâte à papier kraft blanchie.

La pâte à papier est une suspension de fibres lignocellulosiques dans l’eau, généralement à une concentration de 20 à 400 grammes, notamment de 50 à 300 grammes, typiquement de 50 à 150 grammes de fibres lignocellulosiques par litre d’eau.

La consistance de la pâte à papier (qui correspond au pourcentage en poids de pâte à papier sèche dans la suspension aqueuse, c’est-à-dire la masse de fibres cellulosiques sèches en grammes que contient 100 g de la suspension de fibres cellulosiques) est généralement comprise entre 0,5 et 40%, notamment de 1 à 20%, par exemple entre 5 et 15%.

La pâte à papier peut être non blanchie ou blanchie (partiellement blanchie ou totalement blanchie).

Le procédé peut comprendre, avant l’étape a), une étape aO) de blanchiment de la pâte à papier. Tout type de procédé de blanchiment connu de l’homme du métier peut être mis en oeuvre. En particulier, la pâte peut être délignifiée par un stade à l’oxygène ou partiellement blanchie par une séquence de type TCF: OOQP, OZ, OZEop, OZEp, OZE... ou de type EOF: ODEop, ODEp, ODE, ODEpDEp, ou encore d’autres types de séquence de blanchiment partiel, par exemple celles faisant intervenir des stades chélatants, acides ou réducteurs. Ces notations des stades de blanchiment sont connues de la littérature, par exemple, les deux ouvrages complémentaires, édités par TAPPI Press, GA, USA : «Dence C.W., Reeve D., Pulp Bleaching, Principles and Practices, 4th édition, 1996. », et «Hart P.W., Rudie A.W, The Bleaching of Pulp, 5th édition, 2012 ». De préférence, le blanchiment est effectué en mettant en contact la pâte cellulosique papetière avec une solution aqueuse de dioxyde de chlore à pH inférieur à 7 (c’est-à-dire les conditions usuelles du blanchiment d’une pâte cellulosique dans l’industrie papetière).

La pâte à papier (non blanchie, partiellement blanchie ou totalement blanchie) fournie à l’étape a) présente de préférence un indice kappa (mesure d’oxydabilité au permanganate de potassium, méthode normalisée selon ISO 302:2015) compris entre 40 et 0,1 , plus avantageusement entre 5 et 0,1 . Cet indice permet d’évaluer le taux de fonctions oxydables de la pâte, dont principalement la lignine résiduelle, ainsi que la demande en réactif oxydant de blanchiment. Plus l’indice kappa est faible, moins le taux de lignine est élevé et plus la quantité de réactif de blanchiment à utiliser est faible.

De préférence, la cellulose fournie à l’étape a) contient moins de 0,5 % en poids, voire moins de 1 % en poids de lignine.

Le procédé comprend une étape de dépolymérisation de la cellulose, à savoir l’étape b) de mise en contact de la cellulose avec une solution aqueuse de dioxyde de chlore à pH supérieur ou égal à 8. Dans ces conditions, la cellulose est dépolymérisée en cellopolysaccharides de degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf inférieur ou égal à DPvi, et en cellooligosaccharides de dégré de polymérisation DPo compris entre 2 et 20. Plus précisément, dans les conditions de l’étape b), des cellopolysaccharides de degré de polymérisation viscosimétrique moyen DPvf inférieur à 0,60 x DPvi sont obtenus.

Les cellopolysaccharides ne sont pas solubles dans la phase liquide et sont donc en suspension dans celle-ci. A la fin de l’étape b), le degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf des cellopolysaccharides en suspension est typiquement supérieur ou égal à 20, notamment il est supérieur ou égal à 20 et inférieur ou égal à 0,60 x DPvi, par exemple il est supérieur ou égal à 20 et inférieur ou égal à 0,50 x DPvi. Ces cellopolysaccharides sont récupérés à l’étape c) du procédé.

Par contre, les cellooligosaccharides de degré de polymérisation tel que mesuré par spectrométrie de masse MALDITOF (DPo ci-après) inférieur à 20 sont solubilisés dans la phase liquide. Ces cellooligosaccharides peuvent être récupérés à l’étape e) du procédé décrite ci-après.

La viscosimétrie, méthode normalisée selon la norme Tappi T230 om-99, est la méthode usuelle pour évaluer le degré de polymérisation de la cellulose et des cellopolysaccharides Typiquement, la cellulose ou les cellopolysaccharides sont dissous dans de la cupriéthylenediamine (CuED), ce par quoi un complexe stable se forme. Les DPvi et DPvf sont mesurés par viscosimétrie à 25°C. La méthode viscosimétrique n’étant applicable que sur des échantillons de cellulose solide, la mesure du degré de polymérisation DPo des cellooligosaccharides, solubles dans la phase liquide, a été réalisée par spectrométrie de masse MALDITOF.

De préférence, l’étape b) est mise en oeuvre en mettant en contact la cellulose avec une solution aqueuse de pH supérieur ou égal à 8, puis en ajoutant du dioxyde de chlore, de préférence une solution aqueuse de dioxyde de chlore. La solution aqueuse basique rend possible l’obtention d’un pH supérieur ou égal à 8 après ajout du dioxyde de chlore. Dans ces conditions, la mise en contact de la cellulose avec le dioxyde de chlore a lieu à pH supérieur ou égal à 8, alors que selon l’usage classique du dioxyde de chlore dans les procédés de blanchiment de pâte à papier, cette mise en contact est réalisée en milieu acide. Par ailleurs, la base est d’abord mise en contact avec la cellulose, et ce avant introduction du dioxyde de chlore. Ainsi la mise en contact de la solution aqueuse basique et du dioxyde de chlore est réalisée en présence de la cellulose, ce qui défavorise, voire évite, la décomposition du dioxyde de chlore par la base. L’introduction préalable de la base permet généralement une réaction complète du dioxyde de chlore avec la cellulose à pH élevé pendant tout le temps de son action.

L’étape b) est réalisée en mettant en contact la cellulose avec une solution aqueuse de dioxyde de chlore à pH supérieur ou égal à 8, généralement de 8,0 à 13,5, notamment de 9,0 à 13,0, de préférence de 10,0 à 12,5. Le pH est ajusté par ajout d’une base, de préférence choisie parmi les hydroxydes de métal alcalin ; les hydroxydes de métal alcalino-terreux ; les oxydes de métal alcalin ; les oxydes de métal alcalino-terreux ; seuls ou en mélange. Il peut notamment s’agir de NaOH, MgO, Mg(OH) 2 , Ca(OH) 2 , KOH, ..., de préférence NaOH.

Le pourcentage massique de dioxyde de chlore par rapport à la masse de cellulose sèche (masse de cellulose au début de l’étape b) est de 0,1 à 20%, notamment de 1 à 15%, de préférence de 2 à 12%. Par « masse de cellulose », on entend la masse sèche de cellulose mise en contact au début de l’étape b).

La quantité de dioxyde de chlore introduite est aussi généralement exprimée en quantité de chlore actif, selon la formule suivante :

Quantité de chlore actif (kg) = 2,63 x Quantité de dioxyde de chlore (kg)

La quantité de chlore actif introduit est déterminée en fonction de la nature de la cellulose utilisée comme produit de départ et des degrés de polymérisation des cellosaccharides désirés, c’est-à-dire du degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf désiré pour les cellopolysaccharides et du degré de polymérisation DPo désiré pour les cellooligosaccharides. Généralement, la quantité de chlore actif introduit est comprise entre 0,26% et 52,6% en masse par rapport à la masse de la cellulose (sèche, mise en contact au début de l’étape b).

Le temps de mise en contact entre la cellulose et le dioxyde de chlore à pH supérieur à 8,0 est d’au moins quelques secondes, avantageusement au moins 10 secondes, notamment au moins une minute, de préférence au moins 10 minutes et généralement inférieur à 24 heures, notamment inférieur à 12 heures, de préférence inférieur à 2 heures, typiquement l’étape b) dure de l’ordre d’une heure. Il est adapté en fonction du degré de polymérisation des cellosaccharides désirés.

L’étape b) est généralement réalisée à une température supérieure à 5°C, voire supérieure à 15°C, notamment de 20°C à 90°C, de préférence de 40°C à 80°C, par exemple de 60°C à 80°C.

L’étape b) est avantageusement réalisée sous agitation afin de favoriser la dépolymérisation.

Le degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf des cellopolysaccharides (et le degré de polymérisation DPo des cellooligosaccharides) peut(vent) être adapté(s) selon le souhait de l’utilisateur en fonction des conditions de l’étape b) et du degré de polymérisation moyen viscosimétrique de la cellulose fournie à l’étape a). Le degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf (et le DPo) est(sont) d’autant plus faible(s) que :

- le degré de polymérisation moyen viscosimétrique de la cellulose fournie à l’étape a) est faible, et/ou

- la durée de la mise en contact de l’étape b) est importante, et/ou

- la quantité de dioxyde de chlore mis en contact est élevée, et/ou

- la température lors de l’étape b) est élevée, et/ou

- l’agitation du milieu lors de l’étape b) est intensive.

Dans un mode préférentiel du procédé, des linters de coton sont utilisés à titre de cellulose et l’étape b) est mise en oeuvre à une température de 60 à 80°C, pendant une heure avec une solution aqueuse de dioxyde de chlore à pH de 9,0 à 13,0 à une concentration massique en dioxyde de chlore par rapport à la masse de cellulose de 4 à 8%.

Le procédé comprend une étape c) de récupération des cellopolysaccharides en suspension dans la phase liquide, généralement par filtration. Cette filtration peut par exemple être mise en oeuvre grâce à une toile conventionnelle, telle qu’existant sur les filtres presses industriels déjà présents en usine de production de pâte papetière. En alternative, l’étape c) peut être réalisée par centrifugation, mais la filtration sur toile, telle que pratiquée couramment dans les usines de pâte cellulosique, est généralement plus simple à mettre en oeuvre que la centrifugation.

Le procédé peut comprendre une ou plusieurs étapes de lavage des cellopolysaccharides récupérés à l’étape c), généralement à l’eau, éventuellement suivi d’une étape de séchage. Les cellopolysaccharides récupérés à l’étape c) ont donc un degré de polymérisation viscosimétrique moyen DPvf inférieur à 0,60 x DPvi et généralement supérieur ou égal à 20.

Les cellopolysaccharides récupérés à l’étape c) sont porteurs de fonctions acide carboxylique et/ou carboxylate, mais en faible quantité. Ces fonctions sont créées lors de la dépolymérisation oxydante par le dioxyde de chlore. Typiquement, la quantité de fonctions acide carboxylique et/ou carboxylate des cellopolysaccharides récupérés à l’étape c) est inférieure à 0,20 millimoles par gramme de cellopolysaccharides (en extrait sec), autrement dit inférieure à 3,24 fonctions carboxyle pour 100 unités anhydroglucose (unité monomère de la chaîne cellulosique), autrement dit il y a moins de 1 ,1 fonctions acide carboxylique et/ou carboxylate pour 100 groupements alcool R-OH présents sur la chaîne cellulosique. La teneur en fonctions acide carboxylique et/ou carboxylate des cellopolysaccharides peut être déterminée par adsorption au bleu de méthylène puis spectrométrie UV.

La distribution de masse des cellopolysaccharides récupérés à l’étape c) est avantageusement étroite, c’est-à-dire qu’elle présente une dispersité D M , inférieure à 3,0, typiquement de l’ordre de 2 à 2,5, où la dispersité D M (encore appelée indice de dispersité) est le rapport entre la masse molaire moyenne en poids et la masse molaire moyenne en nombre des cellopolysaccharides (la dispersité est égale à 1 pour un monomère, ou pour un polymère constitué de chaînes de longueur unique). Ainsi, il est notoire d’obtenir par le procédé selon l’invention une distribution de masse des cellopolysaccharides récupérés généralement plus étroite que la distribution de masse de cellopolysaccharides obtenus par hydrolyse en milieu aqueux acide. Sans vouloir être liés à une théorie particulière, les inventeurs supposent qu’une des explications serait qu’en milieu aqueux basique, la cellulose gonfle mieux qu’en milieu acide et que de plus nombreuses zones de la matrice cellulosique sont ainsi accessibles pour être hydrolysées par le dioxyde de chlore. Au contraire, lors d’une hydrolyse de la cellulose en milieu aqueux acide, il est connu que certaines zones de la cellulose ne gonflent pas et restent cristallines, empêchant l’accès de l’acide permettant l’hydrolyse de ces zones.

Le procédé de préparation de cellopolysaccharides selon l’invention présente les avantages suivants :

- les matières premières (cellulose, NaOH, dioxyde de chlore, eau) ont un faible coût.

En particulier, des millions de tonnes de pâte à papier sont produites à l’échelle mondiale avec un procédé mettant en œuvre, entre autres produits chimiques, du dioxyde de chlore (en conditions acide), ce qui rend ce réactif très peu cher (environ 1 ,2 euro/kg). - Avantageusement, le procédé peut être mis en œuvre dans une ligne de blanchiment existante, uniquement en modifiant le pH de la solution de dioxyde de chlore. Aucune modification ni de la température de réaction ni des installations (tours et infrastructures adaptées aux variations de pH, et utilisation des bacs et cuviers existants pour la récupération des filtrats) n’est requise. La matière première reste identique, à savoir de la matière première cellulosique existante. Le procédé mis en œuvre avec de la pâte à papier comme cellulose est donc particulièrement peu coûteux.

- Le procédé ne nécessite pas d’étape préalable de broyage de la cellulose. Il est généralement exempt d’une telle étape.

- Les rendements en cellopolysaccharides de DPvf sont bons. Ils peuvent atteindre plus de 91% (poids de cellopolysaccharides en suspension récupérés par rapport au poids de cellulose initiale).

- le procédé permet la production industrielle de quantités importantes de cellopolysaccharides de haute pureté, alors que les procédés de l’art antérieur sont généralement limités à la préparation de petites quantités.

- les cellopolysaccharides (et les cellooligosaccharides) ont une bonne pureté. En effet, l’action conjuguée du milieu alcalin et du dioxyde de chlore élimine généralement les dernières traces de lignine et de chromophores résiduels, et les autres composés résiduels secondaires que l’on peut trouver à l’état de traces dans les pâtes cellulosiques (graisses saponifiables, acides gras, pectines, protéines, matières minérales solubles, ...). Typiquement, la pureté en cellulose et hémicelluloses des cellopolysaccharides est supérieure à 95%, notamment supérieure à 98%, par exemple supérieure à 99%, généralement voisine de 100 % et la blancheur des cellopolysaccharides est très élevée (supérieur à 90% ISO - mesurée selon la norme ISO 2470-1 :2016).

- la distribution de masse molaire des cellopolysaccharides et le DPo des cellooligosaccharides sont contrôlés.

Avantageusement, le procédé comprend une étape d) de récupération de la phase liquide.

Généralement, le procédé induit une formation relativement importante de fonctions acide carboxylique et/ou carboxylate en phase liquide : typiquement supérieur à

60 % de la totalité des fonctions acides mesurées. Les acides de la phase liquide peuvent être dosés par titration acide-base. La phase liquide récupérée lors de l’étape d) comprend notamment des cellooligosaccharides, au moins un acide organique et du chlorite, qui sont des composés valorisables. Plus précisément, elle contient :

- des cellooligosaccharides de degré de polymérisation DPo tel que mesuré par spectrométrie de masse MALDITOF inférieur à 20, généralement de 2 à 1 1 ,

- du glucose,

- des acides organiques (notamment l’acide formique, l'acide lactique et l’acide acétique),

- du chlorite,

- une base (celle ayant été utilisée pour ajuster le pH lors de l’étape b)).

Les voies réactionnelles de dépolymérisation de la cellulose sont explicitées sur le schéma ci-dessous. Dans une première étape, la cellulose est hydrolysée en cellopolysaccharides insolubles dans le milieu puis en molécules solubles, des cellooligosaccharides et des petits saccharides tels que le cellobiose. Les saccharides sont alors dégradés en glucose. Le glucose est dégradé en acides, tels que les acides lactique ou acétique par déshydratation du 1 ,6-anhydroglucose, et les acides lévulinique ou formique par déshydratation du 5-hydroxyméthylfurfural.

Acide acétique Acide lactique Acide formique

Schéma : Voies réactionnelles de dépolymérisation de la cellulose Les procédés de production de cellosaccharides par dépolymérisation acide ou catalytique de la cellulose conduisent principalement au glucose et aux acides. Dans le procédé selon l’invention, on cherche au contraire à minimiser la dégradation des cellosaccharides en glucose, et la dégradation du glucose en acide.

Généralement, la phase liquide récupérée à l’étape d) comprend, en extrait sec :

- de 10 à 50% en poids, typiquement de 20 à 40% en poids de cellooligosaccharides de degré de polymérisation DPo inférieur à 20,

- de 20 à 65% en poids, typiquement de 30 à 55% en poids d’acide formique,

- moins de 5% en poids, typiquement moins de 3%, voire moins de 1 ,5% en poids de glucose.

De préférence, le procédé comprend, après l’étape d), une étape e) de récupération de cellooligosaccharides de la phase liquide. Ces cellooligosaccharides ont un degré de polymérisation DPo inférieur à 20, généralement de 2 à 1 1.

Cette récupération des cellooligosaccharides de degré de polymérisation DPo inférieur à 20 à partir de la phase liquide peut être réalisée par acidification de la phase liquide à pH inférieur ou égal à 8 (par ajout d’un acide, par exemple de H 2 S0 4 ), puis séparation par chromatographie d’exclusion stérique ou par ultrafiltration.

Ces cellooligosaccharides de faible degré de polymérisation sont valorisables dans l’industrie chimique. Les cellooligosaccharides de degré de polymérisation DPo de 3 ou 4 peuvent par exemple servir de substrats pour doser l’activité de cellulases et réaliser des caractérisations biochimiques, ceux de degré de polymérisation de 7 à 9 sont utiles pour leurs activités élicitrices sur la vigne, et ceux de degré de polymérisation de 2 à 20 sont utiles comme précurseurs de substrats fermentables et comme prébiotiques.

Le procédé permet ainsi d’obtenir facilement :

- des cellopolysaccharides de degré de polymérisation moyen viscosimétrique DPvf supérieur ou égal à 20 (ceux insolubles dans la phase liquide formée lors de l’étape b, récupérés à l’étape c)) et

- des cellooligosaccharides de degré de polymérisation DPo inférieur à 20 (ceux solubilisés dans la phase liquide formée lors de l’étape b), récupérés à l’étape e)).

Le procédé peut également comprendre, après l’étape d), une étape f) de récupération de l’acide formique de la phase liquide. L’acide formique est un produit de base de l’industrie chimique. Il est notamment utilisé dans les industries du textile et du cuir, en galvanoplastie et pour la formulation d’insecticides, de laques, de solvants et de produits ménagers en substitut des acides minéraux (« anticalcaire »). A l’état dilué, il est employé dans l’alimentation humaine (additif alimentaire E236). L’acide formique est aussi un agent de conservation et antibactérien en alimentation du bétail. Dans l’industrie avicole, on l’ajoute parfois à l’alimentation pour détruire l’Escherichia coli. Les apiculteurs emploient l’acide formique comme acaricide. De plus, l’acide formique est un vecteur de dihydrogène potentiel pour l’alimentation de piles à combustible.

Le procédé peut aussi comprendre, après l’étape d), une étape g) de récupération du chlorite de la phase liquide. Le chlorite peut par exemple être utilisé comme agent oxydant actif dans l’étape aO) de blanchiment de la pâte à papier, et donc dans la chaîne du blanchiment conventionnel de l’usine de pâte (ligne principale). S’il y a nécessité de le neutraliser pour régénérer du dioxyde de chlore, on peut utiliser de l'acide sulfurique déjà présent sur site (effluent du générateur de dioxyde de chlore), ou bien un effluent de filtration du stade classique au dioxyde de chlore (milieu acide) issu de la ligne principale de blanchiment. Ainsi, dans l’industrie papetière, le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre en circuit quasi-fermé, pour l'eau comme pour les minéraux, et le besoin en dioxyde de chlore supplémentaire est négligeable par rapport au flux consommé par la ligne principale de blanchiment dans l'usine.

Par comparaison, les effluents issus des procédés de dépolymérisation de l’art antérieur nécessitent des traitements. En effet, les effluents issus d’une dépolymérisation acide sont très acides et doivent être neutralisés, et ceux obtenus par dépolymérisation par voie enzymatique sont biochimiquement actifs, ce qui nécessite un traitement ultérieur.

Les figures annexées et les exemples qui suivent illustrent l’invention.

Figure 1 : Distributions de masses molaires M (g/mol) des linters de coton (produit de départ - courbe 1 ) et des cellopolysaccharides obtenus en mettant en œuvre l’étape b) à

30°C, 70°C ou 90°C, avec soit 2% soit 6% de CI0 2 (Courbe 2 : 2% de CI0 2 , 90°C - Courbe 3 : 2% de CI0 2 , 70°C - Courbe 4 : 2% de CI0 2 , 30°C - Courbe 5 : 6% de CI0 2 , 90°C - Courbe 6 : 6% de CI0 2 , 70°C - Courbe 7 : 6% de CI0 2 , 30°C) (exemple 1 ).

Figure 2 : Abondance des cellooligosaccharides en fonction de leur degré de polymérisation DPo mesuré par spectrométrie de masse MALDI-TOF lorsque l’étape b) a été réalisée à 90°C, et à une concentration en CI0 2 de 2% (triangles), 6% (ronds) ou 12% (carrés) pendant une durée d’une heure (exemple 2).

Figure 3 : Abondance des cellooligosaccharides en fonction de leur degré de polymérisation DPo mesuré par spectrométrie de masse MALDI-TOF lorsque l’étape b) a été réalisée à 30°C (triangles), 70°C (ronds) ou 90°C (carrés), et à une concentration en CI0 2 de 6% pendant une durée d’une heure (exemple 2). Figure 4 : Abondance des cellooligosaccharides en fonction de leur degré de polymérisation DPo mesuré par spectrométrie de masse MALDI-TOF lorsque l’étape b) a été réalisée à 30°C (triangles), 70°C (ronds) ou 90°C (carrés), et à une concentration en CI0 2 de 2% pendant une durée d’une heure (exemple 2).

Exemples

Les produits suivants ont été utilisés dans les exemples.

Des linters de coton blanchis de Celsur (sous forme de fibres) ayant une teneur en matière sèche de 93,65% (exemple 1 ) ou 93,40% (exemple 2) ont été utilisés comme cellulose de départ.

La solution de dioxyde de chlore utilisée a été produite par réaction entre du chlorite de sodium, NaCI0 2 (Fournisseur Roth, pureté supérieure à 80%) et l’acide sulfurique, H 2 S0 4 , suivie d’une absorption du gaz dans de l’eau déionisée. La concentration en CI0 2 de la solution, déterminée par titration des composés chlorés par une méthode iodométrique, était de 6 à 8g/L.

Une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium NaOH 1 M (préparée à partir de NaOH de Roth, pureté supérieure à 99%).

Une solution tampon phosphate contenant de l’hydrogénophosphate de sodium, Na 2 HP0 4 (Fournisseur Roth, pureté supérieure à 98%).

Une solution tampon phosphate contenant de l’hydrogénophosphate de potassium, K 2 HP0 4 (Fournisseur Sigma Aldrich, pureté supérieure à 99%).

Une solution à 10% en poids d’iodure de potassium, Kl (préparée à partir d’iodure de potassium de Roth de pureté supérieure à 98%).

Une solution 0,1 M de thiosulfate de sodium, Na 2 S 2 0 3 (préparée à partir de thiosulfate de sodium de Roth de pureté supérieure à 99,5%).

Une solution 2M d’acide sulfurique, H 2 S0 4 (préparée à partir de H 2 S0 4 de Roth de pureté supérieure à 96%).

Des solutions 0,002M, 0,1 M et 2 M d’acide chlorhydrique, HCl (préparée à partir d’une solution d’HCI de Roth, de pureté supérieure à 37%).

Une solution 1 M de Cupriéthylène diamine, notée CuED (Fournisseur Applichem Panréac).

Une solution de diméthylacétamide, notée DMAc (Fournisseur Roth, de pureté supérieure à 99%).

Du chlorure de Lithium, LiCI, (Fournisseur Roth, de pureté supérieure à 99%). Une solution de phénylisocyanate, C 6 H 5 NCO (Fournisseur Fluka, de pureté supérieure à 99%).

Une solution de bleu de méthylène à 0,04 mM (Fournisseur Roth).

Une solution tampon barbital préparée à partir de solution d’acide 5,5-diéthylbarbiturique de Fluka de pureté supérieure à 99%.

Une solution utilisant du tétrahydrofurane, THF.

Une solution de carbonate d’ammonium, C0 3 (NH 4 ) 2

L’eau était de l’eau déionisée.

Exemple

Des linters de coton ont été immergés dans de l’eau distillée pendant 12h afin de faire gonfler les fibres, puis elles ont été défibrées dans un désintégrateur à 1200 tours par minutes.

L’étape b) a été mise en oeuvre dans des sacs de polyéthylène immergés dans un bain thermostaté et en utilisant :

- 2 ou 6% en masse de CI0 2 par rapport à la masse de cellulose de départ

(exprimée en matière sèche), correspondant respectivement à 5,25 ou 15,75% en masse de chlore actif, avec, respectivement 2,37 ou 7,1 1% en masse de NaOH.

10 g de cellulose (exprimés en matière sèche) dans chaque expérience, avec une consistance de 4% (10g de fibre et 240g de liquide contenant les réactifs).

La température du bain thermostaté était de 30, 70 ou 90°C et la durée de la mise en contact d’une heure. Le pH, contrôlé avant la mise en contact et après l’heure de mise en contact, était de l’ordre de 1 1 à 12.

Après l’étape b), le milieu a été filtré sur un entonnoir filtrant muni d’un filtre en verre fritté d’indice de porosité n°2 (étape c)). Le résidu solide restant sur l’entonnoir filtrant a été lavé à l’eau distillée jusqu’à pH neutre et élimination totale des espèces chlorées, séché à l’air libre puis pesé.

A. Influence des conditions du procédé sur les cellopolysaccharides obtenus en suspension dans la phase liquide lors de l’étape b) et récupérés à l’étape c)

Le rendement massique de récupération du résidu solide (cellopolysaccharides) a été déterminé après détermination de sa teneur en matière sèche.

Les rendements sont fournis au tableau 1 :

Tableau 1 : Rendements massiques en cellopolysaccharides récupérés à l’étape c)

Le degré de polymérisation moyen des cellopolysaccharides a été déterminé par viscosimétrie à 25°C, à partir de la viscosité intrinsèque d’une solution des cellopolysaccharides dans un mélange CuED/eau égal à 1/1 (v/v), c’est-à-dire, à concentration finale de 0,5 mol/L en Cu et 1 mol/L en ED, comme le prévoit la norme Tappi T230 om-99. Le DPv a été mesuré selon la méthode Tappi T230 om-99.

Tableau 2 : DPvf obtenus par viscosimétrie des cellopolysaccharides récupérés à l’étape c)

Les masses molaires moyennes en poids, Mw, et en nombre, Mn, ont été déterminées par chromatographie d’exclusion stérique à partir de cellopolysaccharides dérivés sous forme de de tricarbanilate de cellulose (selon la méthode décrite dans MORTHA G., MARCON J., DALLERAC D., MARLIN N., VALLEE C., CHARON N., LE MASLE A., Depolymerization of cellulose during cold acidic chlorite treatment, Holzforschung, 2015, 69(6), 731 -736). Les résultats sont fournis au tableau 3.

Tableau 3 : Degrés de polymérisation en poids (DPw) et en nombre (DPn) des cellopolysaccharides récupérés à l’étape c) obtenus par chromatographie d’exclusion stérique

Les résultats des tableaux 2 et 3 et la figure 1 montrent que

- la dépolymérisation (DPvf/DPvi) de la cellulose des linters de coton est importante, et ce même à basse température (30°C) et/ou à de faibles proportions de CI0 2 (2%),

- la proportion de CI0 2 a une forte influence sur la dépolymérisation de la cellulose,

- la réduction de l’indice de dispersité D M observée à 2% de CI0 2 est notable, et ce même à 30°C. On observe la même chose à 6% de CI0 2 , sauf à 30°C. A cette température plus faible, la dépolymérisation n’était pas complète et une double population de cellopolysaccharides masse faible/masse élevée a été obtenue, comme démontré sur la figure 1 . Il s’agit probablement d’une limite cinétique.

- la figure 1 montre que la cellulose semble plus modifiée après oxydation à 6% de CI0 2 , et ce même à 30°C.

La teneur en groupes acide carboxylique de la cellulose utilisée avant mise en oeuvre du procédé et des cellopolysaccharides obtenus à la fin du procédé (filtrés obtenus à l’étape c)) a été déterminée par adsorption au bleu de méthylène en utilisant un spectrophotomètre UV (UV-1800 Shimadzu UV) à 664 nm (selon la méthode décrite dans Davidson G. F., « The acidic properties of cotton cellulose and derived oxycelluloses. Part II. The absorption of methylene blue », Journal of Textile Institute 39, pp. T65-86, 1948). La concentration en groupes acide carboxylique a été exprimée en mmol/ g de cellulose de départ (masse exprimée en matière sèche). La teneur en carboxyle de la cellulose de départ a été mesurée à 0,046 mmol/g de cellulose (exprimée en matière sèche).

La teneur en acides carboxyliques totaux dans le filtrat récupéré à l’étape e) a été analysée par dosage conductimétrique. La mesure a été effectuée sur 20 ml de filtrat dilué à 50 ml avec de l'eau distillée par HCl 0,02 M. La teneur en acides totaux a été déterminée à partir de la courbe de conductivité et comparée à la teneur en acides carboxyliques dans les cellopolysaccharides récupérés à l’issue de l’étape c).

La combinaison des deux méthodes a ainsi permis de déterminer la quantité de groupes acide carboxylique à la fois dans les phases solide et liquide. Les expériences ont été réalisées sur 10 g initiaux de cellulose (masse exprimée en matière sèche).

Tableau 4 : Proportion de fonctions acide carboxylique dans les phases solide et liquide Les résultats du tableau 4 montrent que :

- le procédé enrichit la phase solide en acide carboxyliques d’un facteur entre 2,8 et 4,4

- le procédé enrichit la phase liquide en acides carboxyliques

- une large majorité des acides carboxyliques sont présents en phase liquide (entre 66 et 88,3%).

La cristallinité de la cellulose et des cellopolysaccharides (solide filtré récupéré à l’étape c)) a été déterminée par la diffraction aux rayons X (XRD). Les échantillons ont été placés dans une cellule de 200 pm de profondeur et des mesures ont été effectuées avec un diffractomètre PANanalytical, X'Pert PRO MPD équipé d'un détecteur X'Celerator 1 D. Les conditions de fonctionnement du réfractomètre étaient : rayonnement Ka de cuivre (1 ,5418À), 20 (angle de Bragg) entre 5 et 56 °, pas de 0,067°. Pour calculer l'indice de cristallinité (Cl) de la cellulose et des cellopolysaccharides à partir des spectres XRD, un programme d'ajustement a été utilisé, en supposant des fonctions gaussiennes pour chaque pic et un pic large d'environ 22,5 0 pour la contribution amorphe. Les résultats sont fournis au tableau 5.

Tableau 5 : cristallinités mesurées par XRD

Les résultats montrent que le procédé n’a pas modifié la cristallinité : la cristallinité des cellopolysaccharides est identique à celle de la cellulose.

B. Influence des conditions du procédé sur la composition de la phase liquide récupérée à l’étape d)

Des linters de coton ont été immergés dans de l’eau distillée pendant 12h afin de faire gonfler les fibres, puis elles ont été défibrées dans un désintégrateur à 1200 tours par minutes.

L’étape b) a été mise en oeuvre dans des sacs de polyéthylène immergés dans un bain thermostaté et en utilisant :

- 2 ou 6% en masse de CI0 2 par rapport à la masse de cellulose de départ

(exprimée en matière sèche), correspondant respectivement à 5,25 ou 15,75% en masse de chlore actif, avec, respectivement 2,37 ou 7,1 1% en masse de NaOH.

10 g de cellulose (exprimés en matière sèche) dans chaque expérience, avec une consistance de 4% (10g de fibre et 240g de liquide contenant les réactifs).

La température du bain thermostaté était de 30, 70 ou 90°C et la durée de la mise en contact d’une heure. Le pH, contrôlé avant la mise en contact et après l’heure de mise en contact, était de l’ordre de 1 1 à 13.

Une autre expérience a été réalisée avec 12% de CI0 2 (soit 31 ,55% de chlore actif) et 12% de NaOH à 90°C pendant 1 h.

Après l’étape b), le milieu a été filtré sur un entonnoir filtrant équipé d’un filtre en verre fritté de porosité n°2 (étape c)). Ce premier filtrat, contenant les cellooligosaccharides en solution, est récupéré pour analyse. Le résidu solide restant sur l’entonnoir filtrant a été lavé à l’eau distillée jusqu’à pH neutre et élimination totale des espèces chlorées, puis séché à l’air libre puis pesé.

Méthodes de purification du filtrat et d’analyse :

Chromatographie d'exclusion stérique (SEC) purificative

La chromatographie d'exclusion stérique a été utilisée pour éliminer la fraction inorganique, sous forme de sel, présente avant analyse des composés organiques. Le système de chromatographie a été équipé d’une colonne Tosoh HW40 (100 x 6 cm) pour la purification des cellooligosaccharides et d’un détecteur réfractomètrique pour la détection des produits élués. Une solution de carbonate d'ammonium 0,1 M a été utilisée comme éluant à un débit de 1 ,8 mL / min et les analyses ont été effectuées à température ambiante en injectant 7 mL de filtrat ajusté à pH 8 avec H 2 S0 4 à 72%.

Chromatographie d'exclusion stérique (SEC) séparative

La chromatographie d'exclusion stérique a été utilisée pour fractionner les composés organiques après élimination des inorganiques des filtrats tel que décrit ci- dessus. Des filtrats purifiés ont été injectés sur trois colonnes GE Heathlcare Superdex-30 Hiload 26/600 (60 x 26 cm) suivies d’un détecteur réfractomètrique. Le carbonate d'ammonium 0,1 M a été utilisé comme éluant à un débit de 1 ,2 mL / min. Les analyses ont été effectuées à température ambiante en utilisant 1 mL de filtrat purifié.

Spectrométrie de masse MALDI-TOF

Des analyses MALDI-TOF ont été effectuées pour identifier les cellooligosaccharides contenus dans les filtrats purifiés en utilisant une station de travail Voyager-DETM STR BiospectrometryTM de Applied Biosystems. Une solution d'acide 2,5-dihydroxybenzoïque (DHB) dans 30% d’acide trifluoroacétique a été utilisée comme matrice. Toutes les analyses ont été effectuées en mode positif.

Analyses chromatographiques des sucres par échange d'anions haute performance (HPAEC)

L'identification des composés (glucose et cellobiose) a été effectuée en utilisant une HPAEC avec détection ampérométrique pulsée (PAD) sur une colonne Dionex CarboPac PA1 (4 mm x 250 mm). Les monosaccharides neutres ont été élués en mode isocratique en utilisant une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium 18 mM à un débit de 1 mL / min. La concentration des composés a été déterminée par comparaison avec une courbe d'étalonnage réalisée avec les composés individuels.

Pour la quantification des cellooligosaccharides, les filtrats ont été soumis à un processus de post-hydrolyse. Chaque échantillon a été traité par une solution de H 2 S0 4 à 72% en utilisant un ratio échantillon / H 2 S0 4 : 5/1 (v / v) à 120°C pendant 60 min. Après la post-hydrolyse, les échantillons ont été injectés dans le système HPAEC pour la quantification.

Analyse des acides organiques : Phase initiale d’extraction liquide-liquide

Avant d'analyser les composés acides présents dans les filtrats, une méthode d'extraction liquide-liquide a été utilisée pour éliminer les composés organiques autres et faciliter la détection des acides organiques, selon le protocole de S. De Baere, V. Eeckhaut, M. Steppe, C. De Maesschalck, P. De Backer, F. Van Immerseel, S. Croubels, « Development of a HPLC-UV method for the quantitative détermination of four short- chain fatty acids and lactic acid produced by intestinal bacteria during in vitro fermentation ». Journal of Pharmaceutical and Biomédical Analysis 80 (2013) 107- 1 15. Après la dernière neutralisation (ajout de 10 pL de HCl concentré), les échantillons ont été directement injectés dans le système HPLC.

Chromatographie liquide haute performance (HPLC)

Les teneurs en composés à faible poids moléculaire, à l'exception du glucose et du cellobiose, ont été déterminées par HPLC (appareil Shimadzu équipée d'un détecteur UV). 20 pL d'échantillon ont été injectés sur une colonne 812H de chlorure de nucleogel Macherey-Nagel (7,8 x 300 mm) en utilisant une solution de H 2 S0 4 1 mM en phase mobile à 0,7 mL / min et 40 5 C. Des composés de pureté élevée (fournis par Sigma- Aldrich) ont été utilisés pour faire les courbes d'étalonnage.

Analyse des composés minéraux chlorés :

A la fin de l’étape b), la teneur en composés minéraux chlorés dans le filtrat a été analysée par dosage iodométrique et est fournie dans le tableau 6.

Tableau 6 : teneurs en composés minéraux chlorés présents dans le filtrat pour des concentrations initiales de CI0 2 de 1 ,23.10 2 , 3,70.10 2 et 7,41 .10 2 M correspondant à 2, 6 et 12% de CI0 2 appliqué. La concentration finale en CI0 2 est faible (10 3 - 10 4 M). Presque tout le dioxyde de chlore est consommé pendant la réaction. En revanche la consommation en chlorite résiduelle atteint 50% de la quantité de dioxyde de chlore initiale dans certains cas.

Séparation des cellooligosaccharides récupérés à l’étape e) (dans le filtrat), quantification et analyse de leur DP.

Le filtrat a été purifié par chromatographie d’exclusion stérique purificative afin d’éliminer la grosse quantité de sels présents (CI0 3 , CI0 2 , NaOH, puis les acides minéraux ajoutés pour ajuster le pH pour les besoins de la chromatographie). Les échantillons ont été concentrés et injectés dans le chromatographe en utilisant une solution de carbonate d’ammonium comme éluant. 3 fractions ont été recueillies. Celle correspondant au plus faible temps de rétention (F1 ) comprenant les cellooligosaccharides jusqu’au glucose, et les deux autres correspondant à des temps de rétention plus élevés étaient composées de sels et d’acides (F2 et F3).

L’échantillon F1 a été injecté en chromatographie d’exclusion stérique séparative.

Quelles que soient les conditions de mises en œuvre de l’étape b), on a observé que la fraction F1 contenait plus de cellooligosaccharides que de glucose.

Les figures 2 à 4 illustrent l’influence des conditions de l’étape b) sur le degré de polymérisation des cellooligosaccharides obtenus.

La figure 2 montre les résultats lorsque l’étape b) a été réalisée à haute température (90°C). A 12% de CI0 2 , des cellooligosaccharides de DPo de 3 à 10 ont été produits, mais en quantités moindres par rapport à l’essai à 6% de CI0 2 , probablement du fait qu’à haute température et à concentration élevée en CI0 2 se produit une dégradation des cellooligosaccharides en glucose et en acides. Lorsque l’étape b) a été réalisée à haute température (90°C) et avec de faibles proportions de CI0 2 (2%), des cellooligosaccharides de faibles DP (2-7) ont été obtenus, probablement du fait que la cellulose n’a été que partiellement hydrolysée.

Les figures 2 et 3 montrent la variation des DP des cellooligosaccharides à une proportion de CI0 2 fixe, en faisant varier la température. Même les conditions les plus douces (2% CI0 2 , 30°C) ont conduit à de nombreux cellooligosaccharides de DP de 2 à 1 1. Une augmentation de température à une même proportion de CI0 2 (70°C, 2% CI0 2 ) a provoqué une augmentation dans l’abondance de cellooligosaccharides, mais à la température la plus haute (90°C, 2% CI0 2 ), une dégradation des cellooligosaccharides s’est produite. En utilisant 6% de CI0 2 au lieu de 2%, la température la plus basse (30°C) n’a pas eu d’effet sur l’abondance en cellooligosaccharides et la température la plus élevée (90°C) a encore conduit à une dégradation. Néanmoins, une température moyenne (70°C) favorise une augmentation de l’abondance de cellooligosaccharides sans provoquer une trop forte dégradation en glucose par rapport à l’expérience à 2% de CI0 2 .

Séparation et analyse de la teneur en composés de faible poids moléculaire dans le filtrat Les concentrations en glucose et en cellobiose ont été déterminées par HPAEC. D’après les analyses MALDI-TOF, seuls les échantillons issus des expériences dans lesquelles l’étape b) a été réalisée à 70°C, 2%CI0 2 , ou 30°C, 2% CI0 2 contenaient du cellobiose, mais à une concentration trop faible pour être détectée par HPAEC.

Du glucose était présent dans tous les échantillons à une teneur de 5 à 16 mg/L

(tableau 7). La combinaison température élevée et concentration en CI0 2 élevée provoquerait la dégradation de la cellulose et des cellooligosaccharides en glucose puis en acides. Les conditions intermédiaires (70°C, 2% CI0 2 , ou bien 70°C, 6% CI0 2 ) ont donné les plus faibles proportions en glucose et les teneurs les plus élevées en cellooligosaccharides.

Les teneurs en composés à faibles poids moléculaires (acide lactique, lévulinique, acétique et formique, furfural, HMF, éthanol) ont été déterminées par HPLC.

Les résultats sont fournis au tableau 7 (lignes 3 à 8).

Tableau 7: Concentration (mg/L) en composés organiques de faibles poids moléculaires dans le filtrat (lignes 3 à 8), comparaison avec la matière organique totale extraite des fibres (ligne 9).

La comparaison entre la matière organique totale dosée en solution (obtenue en sommant les concentrations en sucres et acides organiques dosés par HPLC, ligne 8 du tableau 7), et la concentration en matière organique totale extraite des fibres (mesurée par la différence de poids des matières solides avant et après réaction, ramenée au volume du filtrat extrait, ligne 9), fait apparaître des variations très irrégulières. On constate en effet que si les matières retrouvées en solution sont systématiquement inférieures aux matières extraites du solide, les taux de recouvrement varient beaucoup et de manière non systématique. Il est possible d’avancer plusieurs explications :

- soit un recouvrement imparfait et variable des composés dans les filtrats (rétention de certains composés dans la phase solide lors de l’extraction du premier filtrat, mais extraction ultérieure de ces derniers lors de l’hyper-lavage des fibres permettant de récupérer ensuite la phase solide parfaitement lavée après réaction),

- soit la formation de composés volatils échappant à l’analyse dans les filtrats, formés en quantités variables selon les conditions réactionnelles.

On peut donc en conclure que, si la tendance générale reste une extraction plus importante de composés organiques dans des conditions de traitement plus sévères, les rendements obtenus, compte-tenu de la nature hétérogène du milieu, peuvent fortement varier selon les conditions de mise en oeuvre du procédé, notamment les conditions de mise en contact des réactifs, filtration et lavage de la phase solide récupérée.

D’une manière générale, les mesures HPLC montrent que les conditions opératoires les plus sévères (90°C, 12 ou 6% de CI0 2 ) permettent de produire les filtrats les plus fortement concentrés en composés organiques totaux de faibles poids moléculaires. Par ailleurs, du glucose est présent dans tous les filtrats à une teneur de 5 à 16 mg/L, mais sa concentration est largement inférieure à celle des autres composés organiques dosés. Les composés organiques de faibles poids moléculaires majoritaires sont l’acide formique et les cellooligosaccharides.

Les résultats sont également exprimés en proportions relatives (Tableau 8).

Tableau 8: Proportions relatives (%) des composés organiques de faibles poids moléculaires dans le filtrat

La proportion en cellooligosaccharides présents dans le filtrat est comprise dans cet exemple entre 20 et 40%. Les plus fortes proportions ont été obtenues pour des conditions opérationnelles médianes (70°C, 2% CI0 2 , ou bien 70°C, 6% CI0 2 ). Dans des conditions plus sévères (90°C, 12% CI0 2 ou bien 90°C, 6% CI0 2 ), la cellulose et les cellooligosaccharides seraient majoritairement dégradés en glucose puis en acides. Dans les conditions les moins sévères, la production de cellooligosaccharides est moins favorisée par rapport à la production d’acides organiques.