Optimisation de l’extraction de l’huile essentielle de thymus vulgaire par hydro-distillation assistée par micro-ondes.

Chapitre II Méthodes et Matériels

II.1 But du travail :

Ce travail porte sur l'application de l'extraction de l'huile essentielle du Thymus vulgaris par hydrodistillation assistée par micro-onde dans le but :

y' optimisation de l'extraction par hydrodistillation assisté par micro-onde sur le rendement en HE des feuilles de Thymus Vulgaris L. par une étude paramétrique (l'influence de certains paramètres tels que le diamètre des particules et le temps sur le rendement en Huile essentielle) et une étude par planification des expériences, deux paramètres opératoires ont été choisis : la masse de thym à traiter et la puissance. Le plan d'expériences adopté est le plan composite centré.

y' Identifier notre HE par l'évaluation des propriétés :

? Organoleptiques par l'odeur, la couleur, la saveur et l'aspect,

? Physico-chimiques par l'indice de réfraction IR, l'indice d'acide IA, l'indice d'ester IE, l'indice de saponification IS et le pH.

y' Préparer une pâte antifongique à base d'HE du thymus vulgaris.

y' Tester notre HE et la pâte préparée, en déterminant leur efficacité antimicrobienne.

L'application de l'extraction par hydrodistillation assistée par micro-ondes a été effectuée au sein du laboratoire de traitement des eaux et extraction des substances

biologiquement actives du département de Génie des procédés chimiques et
pharmaceutiques de l'université des hydrocarbures et de la chimie A'Mhemed Bouguera Boumerdes.

La préparation de la pâte antifongique a été faite au sein du laboratoire de Génie des procédés, de la faculté de Génie des procédés, de l'université 3 Salah Boubnider Constantine 3 ;

Le test microbiologie était réalisé au niveau du laboratoire du département microbiologique du Centre Algérien du Contrôle de la Qualité et de l'Emballage (CACQE).

II.2 Caractéristiques générales de la matière végétale Produit : thym vulgaire ;

Origine : montagne de Chakfa à Jijel en Algérie;

Nom botanique : thymus vulgaris ;

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Chapitre II Méthodes et Matériels

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Méthode d'extraction : hydrodistillation assisté par micro-onde. Odeur : herbacée, épicée, agreste, aromatique.

Couleur : vert foncé.

II.3 Récolte

La plante du thymus Vulgaris dans notre étude a été récoltée à partir de la montagne

de Chakfa qui se trouve dans la wilaya de Jijel du Nord-Est Algérien, durant la période allant du mois d'Avril jusqu'au mois de Mai 2017.

II.4 Optimisation de la méthode d'extraction par hydrodistillation assisté par micro-onde

II.4.1 étude paramétrique

Consiste à optimiser les facteurs opératoires par une étude paramétrique, dont le diamètre est le facteur concerné.

Optimisation du diamètre : l'opération est suivie par : ? La filtration de la plante

Tout d'abord, on a décortiqué la plante du thymus vulgaris par la séparation de ses différentes parties (feuilles, tiges et fleurs), pour récupérer que les feuilles.

Figure II.1 : Les différentes parties du plant

Chapitre II Méthodes et Matériels

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V' Le broyage

L'huile essentielle du thymus vulgaris recherchée est dans les feuilles, donc on a

procéder le broyage de ces feuilles par un moulin électrique d'une durée de temps choie de 10 secondes pour chaque 14g.

Figure II.2 : Moulin électrique Figure II.3 : La poudre obtenue

V' Le tamisage

L'opération de tamisage a été réalisé à l'aide d'un tamiseur « Retsch » avec un système de vibration représenté sur la Figure II.4

Figure II.4 : Tamiseur Retsch

Chapitre II Méthodes et Matériels

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On a travaillé avec quatre (04) tamis de diamètres décroissants de : 1mm ; 0.8mm ; 0.5mm ; 0.355mm, et <0.355mm, en outre on a utilisé un autre tamis de diamètre 0.4mm.

? L'extraction :

L'hydrodistillation assistée par micro-ondes à l'échelle du laboratoire a été réalisée à l'aide d'un dispositif schématisé par la Figure II.5.

Figure II.5 : Dispositif de l'extraction par hydrodistillation assisté par microonde

On dispose 13.28g de matière végétale dans un volume de 130ml d'eau distillée dans

un ballon d'un (01) litre ; On place le ballon dans la micro-onde, et on allume à 350w pendant 30min.

La puissance (150w, 350w, 500w, 700w, 900w) et le temps (30min) fournis par la

micro-onde sont contrôlés et automatisés. Son ouverture supérieure permet le passage du mélange « eau+ huile essentielle ».

Le réacteur, contenant le matériel végétal solide ; est une enceinte construite sur mesure en verre de type pyrex, adapté aux microondes, il est placé sur un support à l'intérieur. (Figure II.6). Le mélange « eau + huile essentielle » formé, est véhiculé vers le Système de refroidissement qui est muni de deux réfrigérants connectés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. Ce système de condensation permettant un refroidissement rapide et complet. (Figure II.7)

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Figure II.6 : Réacteur Figure II.7 : Système de refroidissement

La non miscibilité des phases aqueuse et huileuse rend le distillat trouble sous la forme d'une émulsion, On le verse dans une ampoule à décanter et on ajoute l'éther éthylique, après agitation, on dégazage et on laisse décanter jusqu'à apparition des deux phases, on récupère la phase organique dans un tube à essai en le laissant ouvert à température ambiante pour que l'éther diététique se volatilise. (Figure II.8).

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Figure II.8 : Décantation et Récupération de l'HE

L'HE extraite est stockée dans un endroit frais et à l'abri de la lumière pour éviter tout genre de dégradation.

? Calcul du rendement :

Le rendement en HE est le rapport entre la masse de l'huile essentielle extraite et la masse de la plante à traiter selon la formule suivante :

M(HE)

R= M(s) * 100

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R : Rendement de l'huile essentielle en (%).

MHE : Quantité de l'huile essentielle en (g).

MS : Quantité de la Matière végétale Sèche utilisée pour l'extraction en (g).

Pour atteindre les valeurs optimales de nos paramètres, on a travaillé avec le plan

d'expérience appliqué par le logiciel Minitab, dont on a besoin des valeurs des réponses représentées par le rendement d'extraction.

L'application de plusieurs essais est exercée ; Pour cela on a préparé (05) échantillons contenant respectivement 16g, 20g, 30g, 40g, 44g, de la quantité de matière végétale, on a effectué l'extraction pour chaque pesée, d'une durée de temps de 10min , 20min et 30min sur un intervalle de puissance de 150w, 350w, 500w, 700w et 900w suivant le schéma de la (Figure II.9)

Figure II.9 : Protocole d'essais pour déterminer le Rendement

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Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau suivant:

Tableau II.1 : Résultats des Rendements

La quantité de matière végétale	La puissance (W)	La masse d'HE pesée (g)	Le rendement (%)
	150	m1	R1
	350	m2	R2
16g	500	m3	R3
	700	m4	R4
	900	m5	R5
	150	m1	R1
	350	m2	R2
20g	500	m3	R3
	700	m4	R4
	900	m5	R5
	150	m1	R1
	350	m2	R2
30g	500	m3	R3
	700	m4	R4
	900	m5	R5
	150	m1	R1
	350	m2	R2
40g	500	m3	R3
	700	m4	R4
	900	m5	R5
	150	m1	R1
	350	m2	R2
44g	500	m3	R3
	700	m4	R4
	900	m5	R5

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Remarque : Nous avons remarqué que la puissance minimale de 150w est insuffisante pour atteindre à une bonne extraction (Rendement nul), et la puissance maximale de 900w était la

cause de la dégradation de notre HE car elle est très élevée comme l'indique la (Figure II.10).

Figure II.10 : HE dégradée à 900w

II.1.4.2 Optimisation de l'extraction par le plan factoriel et le plan de surface de réponse (plan central composite) [34]

Les plans d'expérience sont des techniques qui permettent de quantifier les effets de

divers facteurs sur une réponse et de les optimiser dans des domaines expérimentaux bien déterminés. Le plan d'expérience peut être factoriel, fractionnaire, ou de surface.

Le plan de surface de réponse fait partie des plans d'expériences utilisés pour

l'optimisation. C'est une technique de modélisation empirique consacrée à l'évaluation de la relation d'un ensemble de facteurs expérimentaux contrôlés et observés avec les résultats.

Le principe est d'organiser une suite d'essais consistant à manipuler les facteurs afin de décrire les paramètres de l'hydrodistillation permettant d'obtenir la réponse optimale.

Parmi les trois types de plans de surface de réponse couramment utilisés à savoir les plans de Box-Behnken, les plans de Doehlert et les plans composites centrés, nous avons choisis le troisième type. Les plans composites se prêtent bien au déroulement séquentiel d'une étude. En effet, ces plans nous donnent la possibilité de commencer l'étude avec un nombre minime d'expériences. Ensuite, si le modèle est validé l'étude s'achève le plus souvent sinon, nous avons la possibilité d'ajouter d'autres expériences sans perdre les résultats des essais réalisés précédemment. Les essais supplémentaires permettent d'établir un modèle du second degré.

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Les essais supplémentaires sont représentés par des points d'expériences situés sur les axes de coordonnées et par de nouveaux points centraux. Les points situés sur les axes de coordonnées sont appelés les points en étoile. Les plans composites présentent donc trois parties :

- le plan factoriel : c'est un plan factoriel complet ou fractionnaire à deux niveaux par facteurs. Les points expérimentaux sont aux sommets du domaine d'étude ;

- le plan en étoile : les points du plan en étoile sont sur les axes et ils sont, en général, tous situés à la même distance du centre du domaine d'étude ; les points au centre du domaine d'étude. On prévoit toujours des points expérimentaux situés au centre du domaine d'étude, et cela aussi bien pour les plans factoriels que pour les plans en étoile. Le nombre total (N) d'essais à réaliser dans ce plan est la somme des essais du plan factoriel (Nf) des essais du plan en étoile (N_a) et des essais au centre (N0). Le nombre (N) des essais d'un plan de surface composite est donné par la relation :

N = N_r+ N_a+ No

Figure II.11: Schéma du plan central composite(les points factoriels sont en noir, les points
en étoile sont en gris clair, les points centraux sont en blanc).

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De nombreux logiciels donnent un accès simple et rapide pour le calcul, dans cette

étude on a utilisé le logiciel « Minitab » pour établir notre plan expérimental, et interpréter les résultats.

Procédure d'application d'un plan d'expérience

? Construction de la matrice d'expériences du plan factoriel :

Le domaine d'étude est défini par le niveau haut et le niveau bas de chaque facteur comme l'indique le tableau suivant :

Tableau II.2 : domaine d'étude du Plan Factoriel

Domaine d'étude	Niveau	Niveau
Facteurs	-1	+1
Puissance (w)	350	700
Quantité de matière végétale (g)	20	40

Nombre de facteurs : k = 2

Nexp = 2^k = 2 ²= 4

Quatre expériences ont été définies par le plan factoriel dont la matrice d'expérience est donnée par le logiciel « Minitab » et est représentée dans le tableau II.3.

Tableau II.3 : Matrice d'expérience du plan factoriel

Nexp	I	Q	P	Yexp
1	+1	-1	-1	R1
2	+1	+1	-1	R2
3	+1	-1	+1	R3
4	+1	+1	+1	R4

Les Rn (n= 1, .,4) représentent les réponses qui sont les rendements dans notre cas.

Après avoir déterminer la matrice d'expérience, les valeurs des écarts représentant les erreurs de l'expérience sont calculés et tabulés, pour effectuer le test de signification des facteurs avec lequel on peut juger l'influence des conditions opératoires sur la réponse. Dans notre cas les calculs sont effectués directement par le logiciel Minitab.

L'analyse de la variance (Analyse Of Variance : ANOVA) est appliquée pour

confirmer la validité de notre système, les paramètres qui la constituent sont tabulés comme suit :

Tableau II.4 : Table ANOVA

Variation	SCET	DDL	CM
Liaison	SCEL	p-1	CML	F
Résidus	SCER	n-p	CMR	R2
Total	SCET	n-1	CMT	R2 adjusté

Avec :

SCEL : somme carrée des écarts dus aux liaisons.

SCER : somme carrée des écarts dus aux résidus (écarts).

SCET : somme carrée des écarts totaux.

CML : carrée moyenne due aux liaisons.

CMR : carrée moyenne due aux residus (écarts).

CMT : carrée moyenne totale.

F : facteur de Fischer.

R2 : rendement de la réponse.

R²adjusté : rendement de la réponse ajustée.

? Construction de la matrice d'expérience du plan de surfaces de réponses (central

composite):

Les intervalles d'étude :

? La masse : [16g, 44g].

? La puissance : [150w, 900w].

On travaille avec 5 niveaux pour chaque facteur : [-á, -1, 0, +1, +á], comme l'indique le tableau suivant :

Chapitre II Méthodes et Matériels

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Tableau II.5 : Domaine d'étude du plan de surfaces de réponses central composite.

Facteurs	Niveau	Niveau	Niveau	Niveau	Niveau
	-á	-1	0	+1	+á
P(w)	150	350	500	700	900
Q(g)	16	20	30	40	44

á est calculée par la relation suivante :

á = v2"k

?? = ?? v2"2 = 1.4142

Treize expériences ont été définies par le plan de surface central composite, dont la matrice ci-dessous a été tirée du logiciel « Minitab ».

Tableau II.6: Matrice d'expérience du plan central composite à 3 facteurs.

Nexp	I	P	Q
1	+1	-1.00000	-1.00000
2	+1	1.00000	-1.00000
3	+1	-1.00000	1.00000
4	+1	1.00000	1.00000
5	+1	-1.41421	0.00000
6	+1	1.41421	0.00000
7	+1	0.00000	-1.41421
8	+1	0.00000	1.41421
9	+1	0.00000	0.00000
10	+1	0.00000	0.00000
11	+1	0.00000	0.00000
12	+1	0.00000	0.00000
13	+1	0.00000	0.00000

(Un exemple de plan d'expérience central composite est détaillé dans l'ANNEXE 2).

Chapitre II Méthodes et Matériels

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