Ce travail s’inscrit dans le processus de développement d’un dispositif de traitement de composés organiques volatils (COV) par plasma non-thermique. L’application industrielle des dispositifs de dépollution par plasma froid se heurte à deux limitations majeures que sont une consommation énergétique importante et la formation de sous-produits. Deux axes d’amélioration de l’efficacité énergétique du procédé à décharges sur barrière diélectrique sont explorés dans ce travail de thèse : le mode de dépôt d’énergie dans la décharge et le couplage du réacteur plasma avec un dispositif catalytique. Concernant le premier axe, l’étude a montré que dans le cas des réacteurs DBD étudiés, le paramètre gouvernant la réactivité chimique du plasma à pression atmosphérique était la densité d’énergie, qu’il s’agisse de production d’ozone ou d’élimination d’un COV de la phase gazeuse. L’étude chimique des sous-produits de dégradation par décharge a été conduite pour trois molécules cibles : l’éthanol, l’acétone et la méthyléthylcétone. Dans le cas de l’éthanol, un schéma cinétique 0D est proposé, montrant l’importance de la dissociation dans les mécanismes de dégradation du COV. Pour le second axe exploré, le réacteur plasma a été couplé à un catalyseur. Deux formulations de catalyseurs ont été utilisées, avec et sans métaux précieux. Dans les deux cas, l’activation du catalyseur à basse température par couplage avec le réacteur plasma est démontrée. La dernière partie de l’étude présente les résultats obtenus sur un réacteur plasma à échelle pilote visant à estimer l’impact de l’augmentation des capacités de traitement d’un réacteur DBD sur l’efficacité énergétique du procédé. / This work deals with the development of a VOC removal method by non-thermal plasma which has several advantages including flexibility, compactness and limited investment costs. Further development of this technology needs to overcome major drawbacks such as high energy consumption for high flow rate treatment and the presence of by-products. The first part of the study focuses on the method of discharge energy deposition and the search for optimization of the process energy efficiency. Development of experimental and measurement tools, in particular for the determination of the electrical power injected into the discharge were carefully carried out. The effect of voltage waveform, signal frequency and electrode shape were investigated. The results show that no energy efficiency improvement could be brought by variation of these parameters and that only energy density is important in the gas treatment process. The second part of the study was devoted to the study of conversion of three pollutants (acetone, ethanol and methylethylketone). Formation of by-products was analyzed and a kinetic scheme is proposed for ethanol conversion. To decrease the level of by-products at the reactor outlet, the association between cold plasma and catalysis was investigated. Catalysis was found to allow an improvement in the oxidation of the pollutants and of the discharge by-products. The last part of this work focused on results obtained with a large flow rate plasma reactor to confirm extension of laboratory scale results to larger equipment. Results confirmed that the extension of low flow rate experimental results is possible.

Ce projet de thèse est dédié à l’étude de l’intensification de l’extraction des polymères d’hémicelluloses à partir du bois d’épicéa par l’application de prétraitements physicochimiques : microondes (MO), décharges électriques de hautes tension (DEHT) et explosion à la vapeur (STEX). L’extraction des hémicelluloses est souvent réalisée par autohydrolyse ou par des traitements chimiques. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié un procédé basé sur l’extraction des hémicelluloses en combinant des prétraitements physiques aux prétraitements chimiques et à l’autohydrolyse. Ce couplage a permis d’avoir des hémicelluloses avec des poids moléculaires moyens en masse (Mw) élevés allant jusqu’à 70 kDa, 66 kDa et 55 kDa lors des extractions en milieu basique par STEX, MO et DEHT respectivement. Les performances des prétraitements en termes de rendement d’extraction sont plus élevées que pour l’autohydrolyse seule pour les mêmes conditions de température et de temps d’extraction. La caractérisation des hémicelluloses extraites a révélé une sélectivité d’extraction en fonction du pH du milieu d’imprégnation. L’imprégnation en milieu neutre favorise la solubilisation des galactoglucomannanes (GGM) et l’imprégnation en milieu basique favorise la solubilisation des arabinoglucoronoxylanes (ARX). L’analyse du degré d’acétylation (DA) a montré que la STEX a permis d’extraire des acetyl-GGM avec des DA (~0,35) proches de celui des hémicelluloses à l’état natif. Les films élaborés à partir des hémicelluloses extraites présentent des barrières intéressantes vis à vis de l’oxygène (0,83 cm3.μm-1.jour-1.kPa au maximum) et du rayonnement UV. / This thesis project is specifically dedicated to the study of the intensification of the extraction of hemicellulose polymers from spruce wood by the application of physicochemical pretreatments: Microwave (MW), High Voltage Electrical Discharge (HVED) and Steam Explosion (STEX). Extraction of hemicelluloses is often carried out by an autohydrolysis or by chemical treatments. In this work, we have developed an original process for extracting hemicelluloses polymers by combining physical pretreatments (MW, HVED and STEX) with chemical pretreatments and autohydrolysis. This combination allowed us to recover hemicelluloses with average molecular weights (Mw) highs up to 70 kDa, 66 kDa and 55 kDa when STEX, MW and HVED were applied in basic medium respectively. The performance of the pretreatments in terms of extraction yield is higher than the autohydrolysis alone for the same extraction temperatures. The characterization of the extracted hemicelluloses revealed an extraction selectivity as a function of the pH of the medium of impregnation. Impregnation in neutral medium promotes the solubilization of galactoglucomannans (GGM) and impregnation in a basic medium promotes the solubilization of arabinoglucoronoxylans (ARX). The analysis of the degree of acetylation (AD) showed that STEX pretreatment allowed the extraction of acetyl-GGM with an AD of approximately 0.35 which is close to that in native hemicelluloses.The characterization of films made from extracted hemicelluloses showed that these films are good barrier to oxygen with oxygen permeability near to 0.83 cm3 μm-1 day-1 kPa-1 and to UV radiations.

Ce travail porte sur la synthèse en phase gazeuse de nanoparticules carbonées par un procédé plasma hors-équilibre. Dans un premier temps, l'étude bibliographique, consacrée aux noirs de carbone et aux nanotubes de carbone, présente les différents procédés existants (conventionnels et plasma) pour leur synthèse en phase gazeuse ainsi que leur mécanisme de croissance. Puis, le développement et la mise en place du procédé plasma hors-équilibre, basé sur l'établissement de décharges non thermiques à haute tension et faible courant, sont décrits. Ensuite, les résultats expérimentaux liés à la caractérisation du procédé sont présentés. Il s'agitessentiellement d'une caractérisation électrique de la torche plasma sans injection de réactif et d'une caractérisation lors d'injection d'hydrocarbure. Cette dernière est basée sur une étude paramétrique et des bilans de matière (taux de conversion estimés à partir de mesures par Chromatographie en Phase Gazeuse, CPG). Les nanoparticules carbonées synthétisées sont caractérisées par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et à Transmission (MET), diffractions de rayons X et analyses BET. Deux principales familles de nanoparticules sont mises en évidenceen fonction de leur texture: (i) les nanoparticules de textures à tendance concentrique tels que les noirs de carbone "classiques", les noirs de carbone de type noirs d'acétylène et les coques carbonées, (ii) les nanoparticules à textures isotropes tels que les "papiers froissés" à haute et faible nanotextures et les nanoparticules "microporeuses". Une corrélation entre les conditions opératoires et les caractéristiques structurales des nanoparticules est présentée. Enfin, la modélisation de cinétique chimique permet d'estimer le volume réactionnel du procédé tandis que la modélisation de l'écoulement dans le réacteur permet d'évaluer le champs de température et de vitesse ainsi que l'histoire thermique des particules dans le réacteur.

Ce travail de thèse concerne l’utilisation des électrotechnologies pour une valorisation optimisée de la betterave à sucre conformément au concept de bioraffinerie. Les électro-technologies appliquées sont les champs électriques pulsés (CEP) et les décharges électriques de haute tension (DEHT). L’étude s’attache d’une part à l’optimisation d’un procédé alternatif pour l’extraction du sucre par pressage alcalin à froid assisté par CEP. D’autre part, elle propose des nouvelles voies pour la valorisation de deux coproduits de l’industrie betteravière qui sont les radicelles et la pulpe de betterave. Dans la première partie, le traitement électrique par CEP couplé au chaulage permet une meilleure désintégration du tissu betteravier. Il permet d’accélérer les cinétiques du pressage, d’améliorer le rendement ainsi que la qualité du jus et d’alléger la procédure de purification en aval de l’extraction. Une étude paramétrique d’optimisation a permis d’identifier le meilleur itinéraire d’application de ce nouveau procédé d’extraction. Les cossettes fraîches de betterave sont prétraitées par CEP à 600 V/cm pour 10 ms (Q = 2,7 Wh/kg). Les cossettes électroporées sont ensuite pressées à froid pour extraire 75 % du jus. Les cossettes pressées subissent un pressage alcalin avec 10 % du lait de chaux. Afin d’extraire le sucre résiduel dans le gâteau de pressage obtenu, deux étapes de pressage supplémentaires avec une étape intermédiaire d’hydratation sont nécessaires. Ce procédé optimisé permet de bien épuiser les cossettes en sucre (perte en sucre de 0,23 % et matière sèche de pulpes de 39 %) pendant une courte durée d’extraction (30 min) avec un faible soutirage (108 %) par rapport au procédé de diffusion. Il permet ainsi des économies significatives de matière et d’énergie surtout pour les étapes d’extraction du jus et de séchage de pulpes. Par rapport au procédé conventionnel, le gain énergétique s’élève à 91,96 × 106 kWh pour une usine traitant 10 000 t/j de betteraves pendant une campagne de 110 jours. De plus, le procédé proposé permet de simplifier la procédure de purification et de réduire de 50 à 60 % la quantité de chaux utilisée. Dans la deuxième partie de cette étude, deux procédés de transformation ont été proposés et optimisés à l’échelle laboratoire pour la valorisation des radicelles et de la pulpe de betterave à sucre. Les radicelles ont été utilisées pour produire du bioéthanol. Le jus brut de radicelles a été extrait par pressage à froid assisté par CEP. La production du bioéthanol a été achevée par fermentation alcoolique. Le prétraitement par CEP (450 V/cm, 10 ms) a permis d’accélérer la cinétique de pressage, d’augmenter le rendement en solutés (79,85 % vs. 16,8 %) et d’obtenir un jus plus concentré (10 % vs. 5,2 %). Le procédé optimisé permet de produire environ 41,75 L de bioéthanol par tonne de radicelles lorsque l’on applique un prétraitement par CEP contre seulement 8,2 L de bioéthanol sans prétraitement électrique confirmant ainsi le potentiel de ce nouveau schéma de valorisation. La pulpe de betterave déshydratée ayant une matière sèche de 92,8 % a été utilisée pour l’extraction de pectines. L’étude réalisée a montré que l’application d’un prétraitement par DEHT permet d’intensifier l’extraction des pectines. Le gain relatif de rendement en pectines est de 25,3 % pour une énergie consommée de 76,2 kJ/kg. Le schéma de bioraffinage proposé pourra aider au maintien de la filière betteravière en France après la suppression de système de quotas sucriers dans l’Union européen qui entrera en vigueur le 1er octobre 2017. / This work discusses the use of electrotechnologies for an optimized valorization of sugar beet according to the concept of biorefinery. The applied electrotechnologies are pulsed electric fields (PEF) and high-voltage electrical discharges (HVED). The study firstly aims at optimizing an alternative method for sugar extraction by PEF assisted cold alkaline pressing. On the other hand, it proposes new ways for valorizing two by-products of sugar beet industry, which are sugar beet tails and pulps. In the first part, PEF treatment combined with liming leads to a better disintegration of beet tissue. It permits accelerating of pressing kinetics, improvement of juice yield and quality, and reduction of subsequent purification procedure. A parametric optimization study identified the best application itinerary of the proposed extraction process. Fresh sugar beet cossettes are pretreated by PEF at 600 V/cm for 10 ms (Q = 2.7 Wh/kg). The electroporated cossettes are then pressed to extract 75% of intracellular juice. Compressed cossettes are subjected to an alkaline pressing with 10% lime milk. In order to extract the residual sucrose in the obtained press-cake, two additional steps of pressing with an intermediate hydration are required. This optimized process allows well exhausting the sugar cossettes (sugar loss of 0.23% and pulp dry matter of 39%) for a short extraction (30 min) and with low draft (108%) compared to diffusion method. Thus, it allows substantial saving in materials and energy especially for juice extraction and pulp drying. Compared to the conventional method, the energy saving amounted to 91.96 × 106 kWh for a sugar beet factory treating 10 000 tons per day for a campaign of 110 days. In addition, the proposed method simplifies the purification procedure of raw juice and reduces the used amount of lime from 50 to 60%. In the second part of this study, two processing methods were proposed and optimized at lab-scale for valorization of sugar beet tails and pulps. Sugar beet tails were used to produce bioethanol. Raw juice of beet tails was extracted by PEF assisted cold pressing. Bioethanol production was then done by alcoholic fermentation. Pretreatment of beet tails with PEF (450 V/cm, 10 ms) permits accelerating the pressing kinetics, increasing the yield of solutes (79.85% vs. 16.8%), and leads to a more concentrated juice (10% vs. 5.2%). The optimized process permits the production of about 41.75 L of bioethanol per ton of beet tails when PEF pretreatment is applied against only 8.2 L of bioethanol without PEF confirming the potential of this new valorization scheme. Dried beet pulp having a dry matter of 92.8% was used for pectin recovery. The present study showed that the application of HVED pretreatment leads to intensify pectin extraction. The relative gain of pectin yield is 25.3% with an energy consumption of 76.2 kJ/kg. The proposed biorefinery scheme could protect the sugar beet industry in France after the suppression of the sugar quota system in the European Union, which will take effect on 1st October 2017.

Ce travail de thèse concerne l'étude et l'évaluation de l'extraction et de la séparation de molécules d'intérêt à partir des résidus de colza. L'impact des différents traitements (broyage, champs électriques pulsés, décharges électriques de hautes tensions et ultrasons) sur l'amélioration de l'extraction des polyphénols et des protéines à partir des tiges de colza a été comparé. Ces traitements permettent d'endommager les membranes et/ou parois cellulaires de manière mécanique, électrique ou acoustique, facilitant ainsi la libération des composés intracellulaires vers le milieu extérieur. La cinétique d'extraction, le rendement en polyphenols totaux et en protéines et la consommation énergétique sont principalement étudiés. De plus, l'efficacité des traitements étudiés pour l'extraction des polyphénols et protéines, en fonction du degré de maturité de la plante a été étudiée. Les méthodes testées pour la séparation des extractibles (polyphénols et protéines) concernent la coagulation, la filtration membranaire ainsi que le couplage de ces deux méthodes afin de réduire la consommation de solvants organiques et la rétention des polyphénols au cours de séparation. La séparation des extractibles a été évaluée par le biais de l'analyse de pureté et du taux de rétention. Enfin, des effets positifs du traitement électrique sur l'étape de séparation des extractibles tels que l'augmentation du flux du perméat et la diminution du colmatage ont été remarqués. / This thesis work concerns the study and the evaluation of the extraction and the separation of valuable compounds from rapeseed residues. The impact of different treatments (grinding, pulsed electric fields, high voltage electrical discharges and ultrasound) on the enhancement of the extraction of polyphenols and proteins from rapeseed stems was compared. These treatments can damage cell membranes and 1 or cell walls mechanically, electrically or acoustically, thus facilitating the release of intracellular compounds to the surroundings. The extraction kinetics, yield of total polyphenols and proteins and energy consumption were mainly studied. In addition, influences of plant maturity on the efficiency of studied treatments for the extraction of polyphenols and proteins have been studied. The methods tested for the separation of extractives (polyphenols and proteins) include coagulation, membrane filtration and the combination of these two methods in order to reduce the consumption of organic solvents and the retention ofpolyphenols during separation. The separation of extractives was evaluated by means of analysis of purity and relative removal. Finally, positive effects of electrical treatment on the extractive separation step such as the increase ofpermeate flux and the decrease of membrane fouling have been observed.

Ce travail de doctorat traite l’optimisation des méthodes d’extraction des composés phénoliques à partir des sous-produits de la viticulture et de la viniculture, à savoir les sarments de vigne et les marcs de raisins. Plusieurs technologies innovantes sont appliquées et comparées : l’extraction accélérée par solvant (EAS), les décharges électriques de haute-tension (DEHT), les ultrasons (US) et les champs électriques pulsés (CEP). Les extractions solide-liquide faites sur les sarments ont montré que, parmi les solvants étudiés, l’eau est le moins efficace. L’ajout de la β-cyclodextrine dans l’eau améliore le procédé d’extraction mais est moins efficace que les mélanges hydroéthanoliques. L’extraction en milieu alcalin donne le meilleur rendement en composés phénoliques. L’intensification de l’extraction des composés phénoliques des sarments est possible grâce aux nouvelles technologies d’extraction. L’efficacité des méthodes testées est la moindre avec les US, moyenne avec les CEP pour atteindre le meilleur rendement phénolique avec les DEHT. La filtrabilité de ces extraits est d’autant plus lente que leur composition est complexe. L’ultrafiltration membranaire permet une très bonne purification et concentration des composés phénoliques. L’étude des mécanismes d’action des DEHT a permis d’identifier les phénomènes favorisant l’extraction des composés phénoliques à partir des sarments. Un effet mécanique des DEHT, capable de fragmenter les sarments, est en majorité responsable de cette amélioration. Le procédé énergivore du broyage pourra alors être omis. Un effet électrique contribuant également à l’intensification du procédé d’extraction est démontré. La formation de peroxyde d’hydrogène durant le traitement par DEHT est quantifiée mais ne semble pas altérer les composés phénoliques qui sont des molécules à capacité antiradicalaire élevée. Quant aux études portées sur les marcs de raisins, la variation simultanée de plusieurs paramètres opératoires a permis l’optimisation de l’extraction aqueuse et hydroéthanolique des composés phénoliques en ayant recours à la méthodologie de surface de réponse (MSR). Le passage d’un milieu aqueux à un milieu hydroéthanolique a permis d’améliorer nettement le procédé d’extraction solide-liquide des composés phénoliques et l’utilisation de l’EAS a permis l’augmentation du rendement en composés phénoliques jusqu’à trois fois par rapport à l’optimum obtenu en milieu hydroéthanolique. / This study deals with the optimization of the extraction methods of phenolic compounds from viticulture and viniculture by-products, namely vine shoots and grape pomace. Several innovative technologies were tested and compared: high voltage electrical discharges (HVED), accelerated solvent extraction (ASE), ultrasounds (US) and pulsed electric fields (PEF). The solid-liquid extraction conducted on vine shoots showed that, amongst the studied solvents, water is the least effective. The addition of the β-cyclodextrin to water improves the extraction process but remains less effective than that with hydroethanolic mixtures. The extraction in alkaline medium gives the highest phenolic compound extraction yields. The intensification of phenolic compound extraction from vine shoots was possible thanks to new extraction technologies. The effectiveness of the tested methods was the least with US, followed by PEF to accomplish the highest phenolic yield with HVED. The filterability of the extracts was slower when their composition was complex, and the membrane technology allowed a good purification and concentration of phenolic compounds. The reason behind the high effectiveness of HVED was investigated. The action mechanisms of HVED were studied in details. A mechanical effect of HVED provoked vine shoots fragmentation and particle size reduction. This was the main phenomenon responsible for the intensification of the extraction process. It also suggested that a grinding pretreatment would not be necessary prior to HVED, which considerably diminishes the energy input of the overall process. The presence of a non-mechanical effect and its contribution in the efficiency of HVED were also shown. The formation of hydrogen peroxide during the treatment was observed. However it did not seem to alter vine shoot phenolic compounds since these demonstrated a high radical scavenging capacity. As for the studies conducted on grape pomace, the simultaneous variation of several operating parameters allowed the aqueous and hydroethanolic optimization of phenolic compound extraction from these byproducts by response surface methodology (RSM). The passage from an aqueous to a hydroethanolic medium clearly improved the solid-liquid extraction of phenolic compounds from grape pomace. The use of ASE further increased the phenolic compound yield up to three times as compared to the optimum obtained with a hydroethanolic solvent.