Ethanolic transesterification of vegetable oil in microreactors : batch to continuous process transposition

La réaction de transestérification des huiles végétales avec de l'éthanol permet la production d’esters éthyliques dont les applications industrielles sont, à ce jour, essentiellement cosmétiques ou alimentaires. Pour ouvrir le champ des applications aux biocarburants (pour substituer les carburants actuels issus de ressources fossiles), il est apparu nécessaire de développer un procédé de transestérification plus performant pour être économiquement rentable. Selon le schéma réactionnel et les propriétés thermocinétiques du système, les limites des procédés batchs existants pourraient être franchies en utilisant des procédés continus. Le système étudié est complexe en raison des changements d’équilibres de phase notamment et de la présence simultanée de différents phénomènes (mélange, transferts de chaleur et de matière, réactions principales et compétitives) qui doivent être précisément contrôlés. Pour concevoir correctement un procédé continu et acquérir de nombreuses données, les microréacteurs apparaissent comme un outil approprié à cette transposition. Dans ce travail, nous avons transposé la réaction batch dans un dispositif microstructuré continu (tube PFA de diamètre interne 508 μm) induisant un meilleur contrôle des transferts de chaleur et de matière. L’étude de l’influence des conditions de fonctionnement (débits des réactifs, rapport molaire initial huile/éthanol, température…) a permis de trouver des paramètres réactionnels favorables qui permettent d’atteindre des conversions et rendements élevés. Dans ces conditions, nous avons montré qu’il est possible d’acquérir des données cinétiques dès les premières secondes de réaction, ce qui n’était pas réalisable en réacteur batch conventionnel. Pour acquérir ces données en batch et en microréacteurs, nous avons développé une méthode d’analyse en ligne par spectroscopie proche infrarouge en s’appuyant sur la chromatographie en phase gazeuse comme méthode de référence. Des modèles PLS ont alors été établis pour quantifier en ligne les teneurs en composés majoritaires lors de la réaction de transestérification de l’huile de tournesol hautement oléique avec l’éthanol. A partir de ces données, les phénomènes mis en jeu ont été modélisés et les constantes cinétiques ainsi que les coefficients de transfert de cette réaction ont été déterminés. Le modèle a ensuite été utilisé pour simuler des réactions avec d’autres conditions opératoires et il nous a permis de travailler sur la séparation des produits de la réaction.Transesterification reaction of vegetable oil with ethanol leads to ethyl esters, used to date for applications principally in food and cosmetic industry. To open the application field to biofuels (to substitute current fuels resulting from fossil resources), process efficiency has to be developed to be economically profitable. According to the reaction scheme and thermokinetic properties, limits of current batch processes can be overcome by carrying out continuous processes. The studied system is complex due in particular to phase equilibrium changes as well as simultaneous presence of various phenomena (mixing, heat and mass transfers, principal and competitive reactions) which have to be precisely controlled. Therefore, microreactors appear as the appropriate tool for transposition to a continuous process and acquisition of numerous data. In this work, batch reaction was transposed to a micro-scaled continuous device (PFA tube of 508 μm internal diameter), inducing better heat and mass transfer. Study of the influence of the operational conditions (reactants flow, initial ethanol to oil molar ratio, temperature...) revealed the favourable reaction parameters necessary to reach high conversions and yields. In these conditions, we showed the possibility of acquiring kinetic data at the first seconds of the reaction, which was not feasible in a conventional batch process. To acquire data in batch and microreactors, an on-line analysis method by Near InfraRed (NIR) spectroscopy was developed by using gas chromatography as a reference method. PLS models were then set up to quantify the major compounds contents on-line during the transesterification reaction of high oleic sunflower oil with ethanol. These data were used to model occurring phenomena and to determine kinetic constants and transfer coefficients. The model was subsequently used to simulate reactions with other operational conditions and also to work on the separation of reaction products