Le surplus mondial et le faible prix du lactose ont attiré l’attention de chercheurs et de l’industrie pour développer des procédés novateurs pour la production de dérivés du lactose à valeur ajoutée, tels que l’acide lactobionique (ALB), qui est un produit à haute valeur ajoutée obtenu par l’oxydation du lactose, avec d’excellentes propriétés pour des applications dans les industries alimentaire et pharmaceutique. Des recherches sur la production d’ALB via l’oxydation catalytique du lactose avec des catalyseurs à base de palladium et de palladium-bismuth, ont montré des bonnes conversions et sélectivités envers l’ALB. Cependant, le principal problème de ces catalyseurs est leur instabilité par lixiviation et désactivation par suroxydation au cours de la réaction. Les catalyseurs à base d’or ont montré une meilleure performance que les catalyseurs de bismuth-palladium pour l’oxydation de glucides. Cependant, trouver un catalyseur robuste pour l’oxydation du lactose est encore un grand défi. Dans cette dissertation, des nouveaux catalyseurs à base d’or supportés sur des matériaux mésostructurés de silicium (Au/MSM) ont été synthétisés par deux méthodes différentes, et évalués comme catalyseurs pour l’oxydation du lactose. Les catalyseurs ont été caractérisés à l’aide de la physisorption de l’azote, DRX, FTIR, TEM et XPS. Les effets des conditions d’opération, telles que la température, le pH, la charge d’or et le ratio catalyseur/lactose, sur la conversion du lactose ont été étudiés. Finalement, le procédé de déminéralisation de la solution de lactobionate de sodium à la sortie du réacteur a été étudié à l’aide de deux approches: l’électrodialyse avec des membranes bipolaires (EDMB) et la technologie d’échange d’ions. Des catalyseurs Au/MSM hautement actifs ont été synthétisés avec succès par la co-condensation d’un mélange de bis [3-(triéthoxysilyl) propyle] tétrasulfide (BTESPTS), tétra-éthyle ortho-silicate (TEOS) et le précurseur d’or (HAuCl4) en milieu acide, avec le tribloc co-polymère EO20PO70EO20 utilisé comme agent structurant. Il a été trouvé que l’augmentation du ratio molaire BTESPTS/TEOS provoque un changement dans la structure des matériaux, laquelle passe d’une structure 2D-hexagonal très ordonnée à une structure mixte de type hexagonal-vésicule et mousse cellulaire. Dans les conditions opératoires optimales (charge d’or = 0.7% en poids, T = 65ºC, catalyseur/lactose ratio = 0.2, pH = 8-9, débit d’air = 40 mL·min-1), le lactose a été complètement converti en ALB après 80-100 min de réaction, lorsqu’on a utilisé les catalyseurs synthétisés à partir des mélanges contenant une concentration molaire de BTESPTS entre 6-10%. Ces catalyseurs ont été caractérisés par une structure de type « wormhole-like », favorable pour l’accessibilité des réactifs aux nanoparticules d’or (AuNPs) d’environ 8 nm intercalées dans les murs de la silice. AuNPs d’environ 5-6 nm ont été aussi chargées avec succès sur les matériaux mésoporeux SBA-15 et SBA-15-CeO2, par l’adsorption du complexe [Au(en)2]3+ (en=éthylènediamine) en milieu alcalin. Ces catalyseurs ont conservé la structure hexagonale 2D très ordonnée typique de la SBA-15, et ils ont présenté une grande activité pour l’oxydation du lactose. Après 60 min de réaction, les catalyseurs Au/SBA-15-CeO2 (ratio molaire Ce/Si = 0.2) ont présenté l’activité catalytique la plus élevée (100% conversion du lactose) et 100% de sélectivité envers l’ALB, lorsqu’ils ont été utilisés dans les conditions optimales décrites ci-dessus. Ces résultats suggèrent que l’oxyde de cérium joue un rôle dans l’augmentation de l’activité catalytique, où la coordination et les états d’agglomération des atomes du Ce pourraient avoir un effet important. En général, les résultats des analyses XPS sur les états d’oxydation de l’or à la surface des Au/MSM, ont montré la coexistence d’espèces d’or métalliques et oxydées, avec une abondance relative suivant l’ordre Au0 > > > Au+1 > Au+3. Dans le cas des catalyseurs Au/SBA-15-CeO2, la présence des deux états d’oxydation Ce3+ et Ce4+ a été aussi observée. Les expériences de recyclage des catalyseurs ont montré que l’activité des échantillons Au/SBA-15 et Au/SBA-15-CeO2 a été significativement réduite (40-65%) après des cycles de réaction d’oxydation consécutifs, lorsque le lavage avec de l’eau a été utilisé comme procédé de régénération. Par contre, les catalyseurs ont conservé leur activité catalytique, en utilisant la calcination comme méthode de régénération, ce qui indique qu’une des causes de désactivation des catalyseurs Au/MSM pourrait être due à une forte adsorption d’espèces organiques sur la surface des catalyseurs. De plus des quantités significatives d’or ont été trouvées dans la solution après des cycles de réaction consécutifs, ce qui démontre la désactivation est aussi due à la lixiviation de la phase active dans la solution de réaction. Les données expérimentales ont révélé que tant l’EDMB que la technologie d’échange d’ions pourraient être utilisées pour produire l’ALB à partir de son sel de sodium. Cependant, en tenant compte du fait que l’EDMB a été utilisée pour la première fois pour cette application, ce procédé a donc besoin d’une amélioration pour des applications industrielles. En effet, une déminéralisation de 50% a été atteinte après l’application d’une différence de potentiel de 5.0-5.5 V pendant 100-180 min aux bornes d’une cellule d’électrodialyse à trois compartiments, tandis que la solution de lactobionate de sodium a été complètement dépourvue de sodium après 10-30 min, lorsqu’on a utilisé une résine échangeuse de cations commerciale fortement acide (AmberliteTM FPC23 H). / The worldwide surplus and low cost of lactose have drawn the attention of researchers and industry to develop innovative processes for the production of value-added lactose derivatives, such as lactobionic acid (LBA), which is a high value-added product obtained from lactose oxidation, with excellent properties for applications in the food and pharmaceutical industries. Investigations on LBA production by means of catalytic oxidation of lactose over palladium and bismuth-palladium supported catalysts have shown good conversion rates and selectivities towards LBA, but the main problem of these catalysts is their instability by leaching and deactivation by over-oxidation during the reaction. Supported gold catalysts have shown to outperform palladium and bismuth-palladium catalysts for the oxidation of carbohydrates. However, there is still a big challenge in finding a robust catalyst for the lactose oxidation. In this dissertation, new gold catalysts supported on mesoporous silica materials (Au/MSM) have been synthesized by two different methods, and evaluated as catalysts in the oxidation of lactose. The catalytic materials were characterized by nitrogen physisorption, XRD, FTIR, TEM and XPS. The effects of the operating conditions such as temperature, pH, gold loading and catalyst/lactose ratio on the lactose conversion were investigated. Finally, the demineralization process of the sodium lactobionate solution obtained at the reactor outlet has been studied using two approaches: bipolar membrane electrodialysis (BMED) and ion-exchange technology. Highly active Au/MSM were successfully formulated by the co-condensation of a mixture of bis [3-(triethoxysilyl) propyl] tetrasulfide (BTESPTS), tetraethyl orthosilicate (TEOS) and the gold precursor (HAuCl4) in acidic media, using the triblock co-polymer EO20PO70EO20 as template. It was found that by increasing the BTESPTS/TEOS molar ratio, the structure of the synthesized materials changed from a highly ordered 2D hexagonal structure to a mixed hexagonal-vesicle and cellular foam structure. Under the optimal operating conditions (gold loading = 0.7%wt, T = 65ºC, catalyst/lactose ratio = 0.2, pH = 8-9, air flow = 40 mL·min-1), the lactose was completely converted into LBA after 80-100 min reaction, when using the catalysts synthesized from mixtures containing 6-10% molar concentration of BTESPTS. These catalytic materials were characterized by the predominance of a wormhole-like structure, favorable for the reagent accessibility to the gold nanoparticles (AuNPs) of about 8 nm intercalated in the silica walls. AuNPs of about 5-6 nm were also successfully loaded of mesoporous SBA-15 and SBA-15-CeO2 materials, by the wet adsorption of the gold cationic complex [Au(en)2]3+ (en=ethylenediamine) in alkaline media. These catalysts retained the well-ordered 2D hexagonal structure typical of SBA-15, and showed high activity to lactose oxidation. After 60 min of reaction, the Au/SBA-15-CeO2 catalysts (Ce/Si = 0.2) showed the highest catalytic activity (100% lactose conversion) and 100% selectivity towards LBA, when used at the optimal operating reaction conditions described above. These results suggest that ceria plays a role in the enhancement of the catalytic activity, where the coordination and agglomeration states of Ce atoms could have an important effect. In general, the XPS study on the oxidation states of gold on the Au/MSM surfaces revealed the coexistence of metallic and oxidized Au species, whose relative abundance followed the order Au0 > > > Au+1 > Au+3. In the case of Au/SBA-15-CeO2 catalysts, the presence of both Ce3+ and Ce4+ oxidation states was also observed. Catalysts’ recycling experiments showed that the activity of Au/SBA-15 and Au/SBA-15-CeO2 was significantly reduced (40-65%) after consecutive oxidation reaction cycles, when washing with water was used as regeneration process. On the contrary, these catalytic samples conserved their catalytic activity when calcination was used as regeneration method, indicating that one of the causes of deactivation of Au/MSM might be the strong adsorption of organic species on the catalyst surface. Moreover, significant amounts of Au were found in the solution after consecutive reaction cycles, demonstrating that the leaching of the active phase into the reaction solution is another important cause of the catalyst’ deactivation. Experimental data showed that both BMED and ion exchange technology might be used for producing LBA from its sodium salt. However, taking into account that it is the first time that BMED is used for this application, this process still needs further improvement for industrial applications, since a demineralization rate of 50% was achieved after applying a voltage difference of 5.0-5.5 V during 100-180 min to a three-compartment electrodialysis stack, while a complete sodium removal was achieved after 10-30 min when using a commercial strong cation exchange resin (AmberliteTM FPC23 H).

Le lactose est le seul disaccharide présent dans le lait, cependant malgré ses nombreuses applications il reste un produit sous utilisé. De ce fait, il serait intéressant d’étudier sa transformation sélective par voie d’oxydation catalytique de façon à obtenir des produits dérivés du lactose pouvant être employés dans l’industrie alimentaire ou pharmaceutique. Ce travail concerne essentiellement l’oxydation catalytique du lactose en acide lactobionique en présence d’un catalyseur bimétallique à base de palladium et bismuth supportés sur la silice mesoporeuse de type SBA-15 (1,02%Pd_0,64%Bi/SBA-15). Les meilleures conditions opératoires de la réaction, comme la température, le pH et la manière d’introduire l’oxygène et son débit ont été déterminées afin d’optimiser l’activité catalytique et la sélectivité de la réaction. L’analyse par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) des échantillons de la réaction d’oxydation du lactose a montré que l’acide lactobinique est l’unique produit formé sous les conditions opératoires optimisées, à savoir: La température =65°C, pH=9 et le débit d’oxygène =40 mL/min. Le taux de conversion du lactose est alors proche de 98% avec une sélectivité envers l’acide lactobionique de 100%. Par ailleurs, il a été montré que le catalyseur réactivé par réduction sous un courant d’hydrogène, peut être réutilisé plusieurs fois, tout en conservant son activité. / Lactose is among the most abundant carbohydrates present in milk. However, despite its many applications in dairy and pharmaceutical industries, it remains underutilized. Hence, it would be interesting to study its selective transformation through catalytic oxidation to obtain derivative products with added-value that can be used in food or pharmaceutical applications. This work aims to study the lactose conversion to lactobionic acid via catalytic oxidation in the presence of a bimetallic catalyst based on palladium and bismuth supported on mesostructured silica SBA-15 (1.02% Pd_0, 64% Bi/SBA-15). The optimization of reaction parameters such as temperature, pH, oxygen rate and the strategy to introduce oxygen was carried out to determine the best operating conditions maximizing the catalytic activity and selectivity of the reaction. The analysis of the reaction samples of lactose oxidation by high-performance liquid chromatography (HPLC) showed that lactobionic acid is the only product formed under the optimized conditions, namely: temperature = 65 ° C, pH = 9 and the oxygen flow rate = 40mL/min. The conversion rate of lactose is then close to 98% with selectivity of 100 % towards lactobionic acid. Furthermore, it was shown that the catalyst reactivated by reduction under a hydrogen stream, can be reused several times, while conserving its activity.

La faisabilité de l'oxydation du lactose vers l'acide lactobionique en milieu alcalin en présence d'un catalyseur bimétallique hétérogène Bi-Pd supporté sur la silice mesostructurée, SBA-15, a été étudiée dans un réacteur discontinu agité. Les objectifs étaient : (i) la formulation du catalyseur bimétallique avec la charge optimale des métaux sur le support, (ii) l'optimisation des conditions de réaction: la température, le débit d'air, le rapport métal/lactose, le pH; (iii) l'évaluation de la stabilité du catalyseur et de sa performance dans des études à plus grande échelle. Les réactions ont été effectuées à des températures comprises entre 38 et 80°C et le pH situé entre 7 et 9. Le catalyseur 1.02% Pd 0.64% Bi/SBA-15 avec un rapport molaire de Bi:Pd=0.3 a montré une activité et une sélectivité envers l'acide lactobionique les plus élevées. Les conditions optimales du procédé ont été déterminés à 65°C et à un pH de 9 avec un contrôle strict de l'oxygène dissous (<1% à la concentration d'équilibre de l'oxygène à la température de la réaction). Après 3 heures de réaction, le nouveau catalyseur a montré une très bonne stabilité à la lixiviation des métaux. L'activité et la sélectivité du nouveau catalyseur sont reliés à l'alliage Bi|.75Pd trouvé. / The feasibity of microaerial oxidation of lactose to lactobionic acid (LBA) in alkaline medium over heterogeneous bimetallic Bi-Pd catalyst supported on mesostructured silica material, SBA-15 in an agitated batch reactor was studied. The objectives were: (i) formulation of the bimetallic catalyst with optimum metal loading on the support, (ii) optimization of reaction conditions, metal/lactose ratio, temperature, airflow, pH of the reaction and (iii) evaluation of catalyst stability and its performance in scale-up studies. Reactions were carried out in a range of temperature (38 - 80°C) and pH (7-9). The 1.02%Pd 0.64%Bi/SBA-15 catalyst with Bi:Pd=0.3 molar ratio showed the highest activity and selectivity towards lactobionic acid. The optimal conditions were found at 65°C and pH 9 with a systematic control of dissolved oxygen (<1% of 02 equilibrium concentration at reaction temperature). After 3 hours of reaction, the novel catalyst has shown to have a very good stability against metals leaching. The activity and selectivity of the novel catalyst appear to relate to Bii.75 Pd alloy.