Procédure pour évaluer l'efficacité de floculants pour l'élimination des particules dispersées dans des extraits de plantes

L'objectif général de l'expérience suivante est d'identifier des floculants capables d'améliorer l'élimination des particules dispersées présentes dans les extraits végétaux. Cela est réalisé en mettant en place un plan expérimental permettant d'identifier les polymères les plus efficaces ainsi que les paramètres contrôlant l'agrégation de ces particules dispersées. La deuxième étape définit le flux de travail, qui correspond aux opérations unitaires utilisées dans une application à grande échelle.

Ensuite, des extraits de feuilles sont préparés en tant qu'agents floculants dans diverses conditions et analysés afin de mesurer la turbidité et le rendement de récupération du produit. Les résultats indiquent les conditions optimales de floculation et les polymères appropriés, selon une évaluation basée sur un modèle de plan d'expériences, que nous abrégeons en DoE. Le principal avantage de cette technique par rapport à la clarification traditionnelle utilisant uniquement la filtration en profondeur est que la capacité du filtre peut être augmentée de plusieurs fois, réduisant ainsi les coûts globaux du procédé.

La floculation peut augmenter le diamètre effectif des particules et faciliter leur élimination par centrifugation ou filtration. Par conséquent, les paramètres de processus environnementaux pertinents pour la procédure de floculation doivent d'abord être identifiés. Généralement, plusieurs paramètres de ce type existent.

Ainsi, une approche par plan d'expériences (DoE) est appropriée en raison du manque de modèles mécanistiques. Le plan d'expériences est établi en sélectionnant des paramètres fondés sur des données de la littérature et des connaissances antérieures. Les paramètres typiques incluent le temps d'incubation ainsi que le type et la concentration du polymère.

Les résultats expérimentaux utilisés pour évaluer l'efficacité de la floculation, tels que la filtrabilité, sont également définis avant l'expérience. Ces informations sont ensuite intégrées à un plan d'expériences (DoE) adapté au nombre de facteurs à étudier et au niveau de connaissance déjà acquis sur le système. Un flux de travail est élaboré afin d'intégrer toutes les étapes pertinentes pour la floculation et le traitement à l'échelle de laboratoire des extraits végétaux.

Le volume de l'aliquote doit être suffisamment faible pour permettre un haut débit d'échantillons. Les performances des équipements de laboratoire doivent être corrélées à celles des dispositifs à échelle de procédé. Les plantes sont cultivées de manière à représenter le procédé final.

Tous les équipements sont préparés avant de commencer les expériences d'extraction et de floculation. Les solutions mères de floculant sont préparées soigneusement en tenant compte de toute pré-dilution effectuée par le fabricant. Le choix d'une même concentration mère pour tous les floculants simplifie les pipetages ultérieurs, réduisant ainsi le risque d'erreurs.

Les composants du tampon, le pH et la conductivité de chaque solution mère fraîche de floculant sont préparés de manière à correspondre aux conditions des extraits. Le plan expérimental (DoE) est converti en un schéma de pipetage indiquant les volumes de solutions mères à ajouter aux échantillons d'extrait végétal. Les échantillons d'extrait végétal sont préparés à partir de feuilles de tabac récoltées, en utilisant les tampons correspondant aux conditions à tester dans le plan expérimental.

Pendant l'agitation de l'extrait, des aliquotes sont préparées, correspondant au volume prédéfini. Cela garantira une distribution homogène des particules dans tous les échantillons. Du tampon d'extraction est ajouté à chaque aliquote afin que chaque échantillon ait le même volume une fois le stock de floculant ajouté.

Le volume de solution mère défini dans la DOE est ajouté à l'échantillon de manière séquentielle, selon l'ordre aléatoire des essais. Le polymère est réparti de façon homogène dans tout l'échantillon en agitant immédiatement le tube après l'ajout du polymère, ce qui permet également de garantir la reproductibilité des résultats de floculation. La méthode peut facilement être modifiée pour tester des combinaisons de floculants ou l'ajout répété d'un même floculant.

Mais cela doit être mis en œuvre dans le plan d'expériences (DoE). La formation des flocs nécessite généralement un temps d'incubation de trois à 30 minutes. Il est nécessaire de respecter les temps d'incubation définis dans le plan d'expériences afin d'obtenir des résultats reproductibles.

On peut utiliser soit la vitesse de sédimentation des flocs, soit la turbidité des filtrats et les capacités des filtres pour évaluer la performance du floculant. Il est également important de vérifier que les polymères n'interfèrent pas avec des produits tels que les protéines. Une fois la qualité des données confirmée, les informations peuvent être transférées dans le logiciel DoE.

Les données expérimentales sont analysées à l'aide des outils intégrés au logiciel DoE, notamment la transformation des données, la sélection des facteurs et les outils de contrôle de qualité. En plus de l'utilisation de ces outils, le modèle final doit également être conforme aux lois fondamentales de la physique et de la thermodynamique. Une fois la qualité du modèle confirmée, celui-ci peut être utilisé pour prédire les conditions optimales de floculation.

Sur la base des prévisions du modèle, l'espace de conception peut être restreint à la région la plus pertinente, pour laquelle un nouveau plan d'expériences (DoE) peut être établi, en répétant la procédure décrite précédemment. Les résultats peuvent ensuite être confirmés à l'échelle pilote ou industrielle. Dans cette étude représentative, les performances de 23 floculants synthétiques différents et de quatre floculants naturels ont été testées quant à leur capacité à floculer des extraits de feuilles de tabac selon une approche par plan d'expériences (DoE).

En tenant compte de paramètres spécifiques aux polymères tels que la concentration et le type de polymère, mais aussi de paramètres de procédé, comme le temps d'incubation, la température, le pH du tampon et la conductivité. Grâce à une séquence de quatre plans expérimentaux IV-optimaux imbriqués, comprenant au total environ 200 aliquotes de 20 mL d'extrait, nous avons constaté que le Polymin P était le floculant le plus efficace pour les extraits de tabac dans une plage de pH comprise entre quatre et huit, à condition que la température se situe entre quatre et 30 degrés Celsius. Un temps d'incubation de 15 minutes s'est révélé suffisant pour la floculation, mais l'efficacité diminuait lorsque la conductivité dépassait 40 mS par cm.

Cependant, l'approche DoE a montré que Catiofast VSH était complémentaire à Polymin P, permettant une floculation efficace à des conductivités supérieures à 40 mS par cm. Lorsque ces floculants ont été introduits dans le traitement en aval des extraits de tabac, la capacité des filtres de profondeur utilisés a augmenté de 3,2 à 5,7 fois, réduisant ainsi le coût des marchandises pour cette étape. Nous avons confirmé que les floculants n'entraînaient pas de réduction du rendement des protéines cibles, notamment un anticorps monoclonal, une protéine fluorescente, une lectine et différents candidats vaccins.

Les conditions optimales de floculation ont également été confirmées à l'échelle pilote dans un lot de 100 L. Les résultats de la méthode des plans d'expériences (DoE) ont également été transférés avec succès à des extraits de tabac préparés à l'aide d'une presse à vis plutôt qu'à un homogénéisateur à lames, soulignant l'applicabilité étendue des informations recueillies. Nous avons également adapté la méthode pour tester des combinaisons de floculants, qui se sont révélées tout aussi efficaces.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez comprendre comment mettre en place des expériences de floculation pour des extraits végétaux en utilisant une approche par plan d'expériences (DoE).