Une collaboration entre les ingénieurs chimiques et les scientifiques des animaux a créé un système pour récupérer de précieux produits chimiques industriels à partir des déchets animaux, représentant une étape majeure vers la circularité et la durabilité environnementale.
Des chercheurs de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign ont développé un système de nanofiltration pour séparer les acides gras volatils (VFAS) – des molécules organiques qui sont essentielles dans la production chimique fine dans de nombreux secteurs – du fumier de bovins fermenté dans les bioréacteurs.
Grâce à l'incorporation de membranes d'échange d'ions sélectives dans un système de séparation électrochimique, le système est 80% plus économe en énergie que les processus électrochimiques standard précédents.
« Il est incroyable que nous puissions obtenir des produits chimiques industriels comme les VFA à partir de quelque chose comme le fumier », a déclaré Xiao Su, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Illinois.
« Grâce à notre travail, nous pensons que nous sommes plus proches de la circularité, où les déchets sont retraités en ressources précieuses, rendant la production chimique plus efficace et durable dans son ensemble. »
La recherche a été dirigée par Wangsuk Oh, un associé de recherche postdoctorale dans le groupe de recherche de SU. Il a été publié dans Matériaux fonctionnels avancés.
Les VFA – comme l'acétate, le butyrate et le propionate – sont des blocs de construction chimiques utilisés dans un large éventail de produits, notamment les cosmétiques, les additifs alimentaires, les produits pharmaceutiques et les plastiques. Leur production implique souvent un traitement à forte intensité de carbone des matières premières pétrochimiques, mais une alternative plus économe en énergie est récemment émergente: la digestion anaérobie microbienne, dans laquelle les micro-organismes décomposent BioWaste.
La principale barrière à sa mise en œuvre répandue est l'absence d'une méthode efficace pour extraire des AVC des bouillons chimiquement complexes qui en résultent.
Les chercheurs de l'Illinois se sont tournés vers l'électrodialyse médiée par Redox, une technique de séparation électrochimique qui a été largement étudiée par le groupe de recherche de SU. Comme l'électrodialyse standard, il utilise un champ électrique pour capturer des espèces chimiques chargées.
Cependant, l'électrodialyse médiée par Redox utilise des molécules « redox » – accessibles à la modification de leurs structures électriques à la demande – pour réduire la consommation d'énergie. Lorsqu'il est combiné avec des membranes sélectives, il peut se différencier entre les VFA en fonction de la structure chimique.
« L'électrodialyse est une technique de séparation très courante utilisée principalement dans le dessalement de l'eau », a déclaré SU.
« Le problème est que les membranes d'échange d'ions normalement utilisées dans l'électrodialyse ne sont pas conçues pour distinguer les APV précieux utilisés dans la production chimique. Grâce à notre travail, nous avons conçu de nouvelles membranes avec des propriétés spécifiques qui peuvent identifier et distinguer les espèces chimiques particulières, comme les AVF de différentes tailles. »
Pour démontrer la technique, le groupe de recherche en génie chimique et biomoléculaire de SU a collaboré avec le professeur de sciences animales Roderick Ian Mackie.
L'équipe a fermenté un bouillon de fumier de bétail, puis a utilisé un système de nanofiltration électrodialysée médiée par Redox pour récupérer les APV de poids inférieur à partir des AVA à chaîne plus longue et d'autres produits chimiques dans le mélange.
« Il s'agit d'une approche innovante pour utiliser les déchets des installations de production animale concentrées, qui contribuent à la pollution de l'environnement et la convertissant en produits chimiques industriels précieux », a déclaré Mackie.
Étant donné que la méthode de séparation utilise des moyens électriques pour séparer les molécules au lieu de moyens chimiques, il est nettement plus efficace et génère beaucoup moins de déchets chimiques que les processus de séparation conventionnels. De plus, SU estime que cette technologie peut être facilement adaptée aux contextes industriels.
« La prochaine phase de ce travail consiste à comprendre comment mettre en œuvre notre technologie dans un processus complet », a-t-il déclaré.
« Cela implique de réaliser une conception et un développement de matériaux plus détaillés pour rendre les membranes encore plus sélectives qu'elles ne le sont déjà. Si nous pouvons le faire, alors nous pouvons réduire encore plus le coût global et les dépenses énergétiques pour le processus. »
