Etude en reacteur agitee du traitement des eaux de consommation par un biofloculant: triumfetta cordifolia

II.2.3) Extraction des gommes de Triumfetta cordifolia

Les gommes ont été extraites en milieu aqueux sur le 2^ème lot des tranches d'écorces découpées à l'étape précédente. Les écorces (4g/150mL) ont été introduites dans un réacteur de 3 L contenant de l'eau distillée chauffée à 50 °C. Au cours de l'infusion, le mélange a été agité pendant 1 H par une pâle croisée d'un agitateur mécanique. L'extrait obtenu (extrait brut) est ensuite filtré à l'aide d'un tamis de maille égale à 500 um. Ensuite, le filtrat a été récupéré et centrifugé à 3600 rpm pendant 20 min pour éliminer les particules en suspension afin d'obtenir une solution homogène qui constitue l'extrait brut de gommes (Ndjouenkeu et al.,1996). La figure 15 récapitule le procédé d'extraction des

gommes.

Tranche d'écorce

(4g/150ml)/ 5×1cm²

Eau distillée (50 °C)		Extraction (1 H)	?		Agitateur mécanique
					Résidus des écorces
		Filtration
					? Tamis de 500 um
	Centrifugation [3600 rpm, 20 min]
	(Pour éliminer les matières insolubles)
	Extrait brut de gomme

Figure 15: schéma du procédé d'extraction des gommes (Ndjouenkeu et al., 1996)

II.2.4. Purification des gommes de Triumfetta cordifolia

l'extrait a été purifiée par la méthode de Kim et d'Appolonia (1976) selon la figure 16 où les protéines contenues dans l'extrait brut ont été hydrolysées par la pepsine à 2 g/L et précipitées par l'acide trichloracétique 10% (m/v) puis supprimées par une centrifugation. La purification a été complétée par une dialyse de la solution pendant 48heures (avec un changement d'eau toutes les 8 H) pour éliminer les molécules de faibles masses

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moléculaires et les minéraux libres. Sur les extraits (bruts et purifiés), les polysaccharides, les protéines et les cendres ont été dosés en utilisant les méthodes décrites ci-dessous.

Solution extraite (1 L)

HYDROLYSE (Pepsine 2 g/L)

PRECIPITATION
(L'acide trichloracétique 10% (m/v)

CENTRIFUGATION [5000 rpm, 20 min]

DIALYSE (48 H)

LAVAGE A L'EAU DISTILLEE

Solution de gomme purifiée

Figure 16: Schéma du procédé de purification de l'extrait de la solution de T. cordifolia (Kim et Appoliniare, 1976)

? La Dialyse

Pour ce faire, une première étape consistait à préparer les membres de dialyse, cette préparation se faisait comme suit :

? Couper 20 cm de la membrane

? Plonger dans un bécher contenant de l'eau distillée

? Placer dans un bain marie et s'assurer que la température du bain ainsi

que de l'eau distillée dans laquelle baigne les membranes soit de 60 °C

? Attendre entre 4 et 6 H avant de sortir les membranes, prêtes à
l'utilisation.

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Une fois les membranes prêtes, nous avons procédé à la dialyse qui est la première étape de la purification. Sa méthode est la suivante :

· Prélever 50 mL de notre extrait ;

· Introduire dans les membranes de dialyse ayant une extrémité attachée ;

· Attacher la seconde extrémité de la membrane ;

· Placer dans un liquide de dialyse (de l'eau distillée pour notre cas précis), à température ambiante (23 °C environs) ;

· Changer le liquide de contre-dialyse tous les 8 H durant les deux jours de la

dialyse.

II.2.5.) Caractérisation chimique des écorces et des extraits de gommes de T. cordifolia a) Caractérisation chimique des écorces

L'analyse des échantillons de T.cordifolia portait sur la détermination de la teneur en

cendres, matières sèches ; le dosage des sucres totaux, le dosage des gommes et le dosage de certains éléments minéraux (Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, CaCO3).

= Matière sèche

Elle est obtenue en pesant 3g d'écorce sur une capsule et le mettre à l'étuve à 105 °C pendant 24 H. Le calcul de la matière sèche (MS) en pourcentage est fait de la façon suivante.

%MS = (M3--M1)

(M2--M1) X 100 [1]

Où M1 est la masse de la capsule à vide, M2 la masse de la capsule plus la prise d'essai frais et M3 la masse de la capsule contenant l'écorce séchée.

= Cendres totales

Les cendres sont obtenues après incinération d'une masse d'échantillon humide et déterminées selon la méthode normée (AOAC, 1990). 10g de poudre d'écorce introduites dans des creusets en porcelaine ont été séchées à 105 °C #177; 2 °C jusqu'à poids constant, puis incinérés dans un four à moufle à une température de 550 °C et en atmosphère oxydante jusqu'à l'obtention des cendres blanches. La teneur en cendres a été calculée par la formule ci-dessous :

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TC = (M3--M1)

(M2--M1) X 100% [2]

Où M1 est la masse du creuset en porcelaine vide, M2 la masse du creuset plus la prise d'essai séchée à 105 °C et M3 la masse du creuset contenant le résidu incinéré.

? Teneurs en sucres solubles, sucres totaux et en gommes

Les sucres solubles et les sucres totaux ont été extraits de la poudre d'écorces puis dosés selon la méthode colorimétrique au DNS (l'acide 3,5-dinitrosalicylique) de Fischer et Stein (1961) selon le principe fondé sur le fait qu'en milieu alcalin et à chaud, le DNS réagit avec les sucres libres et passe de sa forme oxydée jaune à sa forme orangée présentant un maximum d'absorption à 540 nm. La coloration développée est proportionnelle à la concentration en sucres du milieu.

? Extraction des sucres

Les sucres libres sont extraits en mélangeant 0,5 g de poudre et 5 mL d'éthanol dans un bécher de 10 mL. Le mélange agité pendant une heure puis centrifugé à 5000 rpm pendant 15 min et le surnageant est recueilli dans une fiole jaugée de 50 mL. L'opération est répétée 3 fois sur le résidu avec le même volume de solvant. Les différents extraits sont mélangés dans une fiole dans laquelle on rajoute 1 mL de sulfate de zinc (2 g/100 mL) de pureté égale à 99% et 1 mL de ferrocyanure de potassium (10,6 g/100 mL) à 99% pour la défécation des protéines. Le mélange est ensuite filtré à l'aide d'un papier filtre WATMAN numéro 2, Le volume du filtrat est complété à 50 mL avec de l'eau distillée.

Les sucres totaux sont extraits par hydrolyse acide de la poudre d'écorce. A cet effet, dans un Erlenmeyer muni d'un bouchon avec tube de dégagement et contenant 5 mL d'acide sulfurique (2,5 M), est introduit 0,2 g de poudre d'écorces. Le mélange est porté au bain-marie à 97,7 °C pendant deux heures, puis refroidi à température ambiante. 10 mL d'éthanol à 70 %, 1 mL de sulfate de zinc (2 g/100 mL) et 1 mL de ferrocyannure de potassium (10,6 g/100 mL) y sont ajoutés pour la défécation des protéines. Le mélange est ensuite filtré dans une fiole de 50 mL et le volume du filtrat est complété à 50 mL avec de l'eau distillée.

? Dosage des sucres libres

Dans un tube à essai sont ajoutés : 0,5 mL d'extrait, 1,8ml d'eau distillée et 0,4ml de

solution de DNS. En même temps, une série de solutions d'étalonnage de concentrations comprises entre 0,25 mg/mL et 1,5mg/ml est préparée dans des tubes à

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essai, à partir d'une solution-mère de glucose à 2 mg/mL. L'ensemble des tubes est incubé dans un bain-marie bouillant (100 °C) pendant 5min, puis refroidi sous un courant d'eau, et leur densité optique lue contre un blanc à 540 nm à l'aide d'un spectrophotomètre UV Visible de marque JENWAY.

? Dosage des sucres totaux

En milieu acide et à chaud, les pentoses (C5) et hexoses (C6) subissent une cyclisation pour donner respectivement le furfural et l'hydroxyméthylfurfural. Les composés ainsi formés réagissent avec le phénol pour donner un complexe coloré jaune-orange présentant une absorption maximale à 450 nm (Figure 17).

Figure 17 : Equation de la réaction des oses avec le phénol en milieu acide et à chaud

L'étalonnage est réalisé à l'aide d'une solution de glucose 1 g.L^-1. Pour le mode

opératoire, introduire successivement dans une série de fioles de 50 mL les réactifs comme mentionnés dans le tableau 4:

Tableau 4: Etalonnage des solutions de glucose et dosage d'extrait et d'écorce de T.cordifolia

N° des tubes	1	2	3	4	5	6	Inconnus
Etalon de glucose 1 g.L^-1(mL)	0	0,25	0,5	0,75	1	1,25	0
Echantillon à doser (mL)	/	/	/	/	/	/	0,5
Eau distillée (mL)	10	9,75	9,5	9,25	9	8,75	9,5
Phénol aqueux 50% (mL)	1	1	1	1	1	1	1
Acide sulfurique (d=1,83) (mL)	5	5	5	5	5	5	5

Laisser reposer 10 minutes, agiter, puis incuber au bain-marie à 30°C pendant 20 minutes

Glucose (mg) 0 25 50 75 100 125

DO à 490 nm

La concentration en sucres des différents extraits est exprimée en équivalent

glucose en mg/mL et la teneur en sucres exprimée par rapport à la matière sèche de la poudre.

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La teneur en polysaccharides, représentative des gommes, est obtenue par différence entre la teneur en sucres totaux et celles en sucres libres.

?Teneur en minéraux

Les teneurs en calcium, magnésium, carbonate de calcium ont été déterminées par la méthode colorimétrique décrite par Rodier (1978).

?Carbone total

Le carbone organique est dosé par la méthode WalkleyBlack (Braun et Jaag, 1970; Tchobanoglous et al., 1993). En effet, nous avons introduit dans un erlenmeyers de 500 mL, 0,25 g de chaque floculant végétal, 10 mL de bichromate de potassium 1 N, 20 mL d'acide sulfurique concentré. Une heure plus tard, nous avons introduit dans le mélange 200 mL d'eau déminéralisée, 10 mL d'acide phosphorique concentré et dix gouttes de férroine. L'excès de bichromate de potassium a été dosé par une solution de sulfate ferreux 0,5 N. Les teneurs en carbone total sont calculées en tenant compte du fait que 76 à 77 % du carbone organique total sont oxydés (Braun et Jaag, 1970; Flyhammar, 1997). Le taux de carbone organique mesuré peut être calculé suivant la formule citée plus bas.

Le pourcentage de carbone organique total est calculé par l'expression :

%C = (A--B)x10x0,004x100 [3]

m xA

Où A = V(FeSO4) utilisé (mL) pour l'essai à blanc (10 mL de bichromate de potassium); B = V(FeSO4) utilisé pour l'échantillon (mL);

m = masse de l'échantillon (g).

b) Caractérisation chimique des extraits de gomme ?La matière sèche

Elle a été déterminée selon la méthode précédente.

?Carbone total

Il a été dosé par la méthode WalkleyBlack décrit précédemment. ?Teneur en minéraux

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Les teneurs en sulfate et fer ont été déterminées par la méthode colorimétrique décrite par Rodier (1978).

II.3. Conduite de l'opération de coagulation/floculation

Une série de cinq béchers (1000 mL) d'un floculateur numérique de marque Fischer (équipé d'une palette rectangulaire située à 1/3 du fond de la taille de bécher) contenant chacun 800 mL de suspension synthétique, a été soumis à deux minutes d'agitation rapide (250 tours/min), puis des quantités croissantes de floculant (sulfate d'aluminium, sulfate de fer, extrait purifié d'écorce de T. cordifolia) y sont introduites. Le contenu de chaque bécher a été ensuite soumis à trois minutes d'agitation rapide (250 tours/min) et vingt minutes d'agitation lente (60 tours/min) (Lartiges et al., 1997 ; Bouchard et Serodes, 2002; Hernandez 2006; Sadiq et Rodriguez, 2004). À la fin de l'agitation, on a permis à la suspension d'agrégats de se décanter pendant 30 minutes dans un cône gradué d'Imhoff. Cinquante millilitres (50 mL) de surnageant ont été siphonnés de 250 mm en dessous de la surface libre de l'eau décantée. Des analyses ont été ensuite effectuées sur le surnageant (pH final, turbidité résiduelle, conductivité finale). Le volume de boue a été mesuré en lisant les marques de repère du côté du cône d'Imhoff. La dose optimale de chaque coagulant ou floculant est déterminée par la mesure de la turbidité de l'eau décantée. Les résultats de ces mesures ont donné des courbes de variation de la turbidité de l'eau en fonction de la dose du coagulant ou du floculant ajouté.

II.4. Analyse des solutions traitées mesure de la turbidité résiduaire

La détermination de la turbidité résiduaire a été réalisée suivant la méthode proposée par (Rodier, 2009) dont le principe est décrit comme suit : un faisceau lumineux traverse la cuve de mesure, lorsque l'appareil est mis en marche. La lumière diffusée latéralement par les particules en suspension présent dans la solution est reçue par une cellule de mesure décalée.

Le taux d'abattement c'est à dire le pourcentage d'élimination des colloïdes de nos échantillons s'est fait selon l'équation de Lee et al., 1995, donnée par :

Turbidité Initiale--Turbidité finale

Activité Ai= x 100 [4]

Turbidité Initiale

mesure du pH final

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La mesure du pH final se faite grâce à un kit portable. Le protocole consiste à laisser décanter le contenu des béchers pendant 30 min après avoir déstabilisé les colloïdes en jars test, par la suite prélevé 50 mL du surnageant de chaque béchers et procédé à la mesure des pH finaux à l'aide d'un kit d'analyse. Il s'agira dans un premier temps de nettoyer l'électrode de verre du pH-mètre avec de l'eau distillée puis, plonger celle-ci dans les 50 mL d'eau contenu dans des tubes et régler en outre l'appareil en entrant les données sur sa mémoire concernant le paramètre à mesurer (pH).

mesure du volume de boue

Le protocole consiste à récupérer le contenu des béchers de 1L après agitation lent du jars test puis à incliner le cône Imhof d'un angle d'environs 45 O y introduire l'eau traitée. Laisser décanter pendant 30 min puis évaluer le volume de boues par simple lecture visuelle du volume occupé par les boues au niveau des cônes Imhof gradués.

II.5. Modélisation statistique de la floculation avec T. cordifolia via un plan d'expérience

? Facteur influençant sur le procédé de coagulation/floculation

Avant de passer à la modélisation statistique de la coagulation/floculation, des études préliminaires ont été effectuées pour définir les domaines expérimentaux des facteurs influençant la coagulation/floculation et définir un cahier de charges qui permettra de trouver une zone de compromis dans lequel on pourrait avoir des meilleures conditions optimales de coagulation/floculation.

? pH:

? La vitesse d'agitation : ? Dose du coagulant.

? Domaine d'étude

Les bornes des facteurs ont été définies en fonction des essais d'optimisation rencontrés dans la littérature (Narayan et al., 2013 ; Fatombi et al., 2009 ; Hashim et al., 2013). Le domaine expérimental défini pour cette étude est donné dans le tableau 5. Les niveaux haut et bas de chaque facteur sont définis comme l'indique le tableau 5 ci-contre

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Tableau 5: Domaine d'étude

		VARIBLE REELLE			VARIABLE CODEE
Facteurs	Nom	Niveau	Niveau	Valeur au	Niveau	Niveau	Valeur
		bas	haut	centre	bas	haut	au centre
A	PH	5	8	6,5	-1	+1	0
	Vitesse
B	d'agitation	100rpm	250rpm	175rpm	-1	+1	0
C	Dose de T. cordifolia	1mL	5mL	3mL	-1	+1	0

? Réponses

Les réponses suivies au cours de la coagulation/floculation sont la turbidité, le pH et la conductivité. Ces analyses ont été effectuées sur le surnageant obtenu après la coagulation/floculation à différentes conditions de coagulation/floculation. Le taux d'abattement de la turbidité est d'autant meilleur que sa valeur est plus élevée. On cherchera donc des conditions optimales de ce procédé qui conduiront à une forte valeur de cette réponse. L'objectif est d'obtenir une eau clarifiée ayant un taux d'abattement de turbidité résiduelle au moins égal à 96 %. Les réponses obtenues ont été analysées et les courbes ont été tracées à l'aide des logiciels Statgraphics Centurion Xv.II et Sigma Plot. Le modèle issu de cette analyse est soumis à des tests de validation.

? Choix du plan expérimental

Nous nous attendions à des variations des réponses correspondant à un modèle du second degré. Après avoir examiné notre problème en détail, on a retenu un plan de Box-Behnken qui permettra d'établir le modèle désiré et ne nécessite qu'un nombre restreint d'essais. Le modèle est de la forme suivante :

~~ = 13o + ? /3L x + ? f3~~ x + ? f311x1x~ + e [5]

Où Y1est la réponse prévue, f.? la constante, f.?, 1.?2, f.?3, les coefficients linéaires, f i, ~~~, f.?33, les coefficients carrés, f.?12, f.?13, , _f.23 les coefficients d'interactions et x1, x2, X3,; x1x2, x1x3, , _X2X3, , et x ~, x ~, x ~, sont les niveaux des variables indépendantes. e étant l'erreur.

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?Validation des modèles

Afin de mettre sous forme d'équation le phénomène observé et permettre de prédire les réponses dans le domaine défini pour l'étude, il est important de valider les modèles empiriques obtenus. Pour ce faire, l'exécution du modèle a été mesurée en comparant les valeurs des réponses prévues et celles observées. En plus du coefficient de régression linéaire (R²), d'autres procédures et outils mathématiques ont été utilisés. Ainsi, l'Analyse Absolue de la Déviation Moyenne (AADM) qui renseigne sur l'erreur moyenne des manipulations, le facteur de Biais (Bf) ainsi que les facteurs d'Exactitude Af1 (Ross, 1996) et Af2 (Baranyi et al., 1999) ont été déterminés selon les expressions suivantes:

Analyse Absolue de Déviation Moyenne (AADM)

~~

~ ~~~~~~ ~~~

? ( )

~~~ ~~ ~~~

[6]

AADM =

Avec : Yi _exp la réponse expérimentale etYi _cal la réponse calculée à partir du modèle pour une expérience i ; p étant le nombre total d'expériences.

Facteur de Biais (Bf)

Bf = 10^B [7]

Le Biais B est donné par la relation :

~

~ = ? log(é

~~~~ ) [8]

Facteurs d'Exactitudes (Af1et Af2)

Afl = 10^A1 [9]

Avec A1 et A2 les exactitudes qui sont déterminées selon les relations suivantes :

~

~

~~ = ? ~log(~~~é~

~~~~ )~ et ~~ = ~~ ~ ? ~log(~~~é~

~~~~ )~ [10]

Ainsi, un modèle est considéré comme parfait si le facteur de Biais et les facteurs d'exactitude sont égaux à l'unité, et l'AADM égale à Zéro.

Bf = Afi = Af2= 1 et AADM = 0

Les représentations graphiques des surfaces de réponses des modèles postulés ont été réalisées. A cet effet, le logiciel STATGRAPHICS Centurion XV.II a été utilisé.

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? Expérimentation

Tableau 6 : Matrice d'expériences et résultats expérimentaux

N° essai		Variable réelles			Variable codées
	A	B	C	A	B	C
1	8	175	1	1	0	-1
2	8	175	5	1	0	1
3	6,5	100	1	0	-1	-1
4	5	175	1	-1	0	-1
5	5	100	3	-1	-1	0
6	5	175	5	-1	0	1
7	6,5	175	3	0	0	0
8	8	250	3	1	1	0
9	5	250	3	-1	1	0
10	6,5	250	1	0	1	-1
11	6,5	250	5	0	1	1
12	8	100	3	1	-1	0
13	6,5	100	5	0	-1	1
14	6,5	175	3	0	0	0
15	6,5	175	3	0	0	0

? Analyse statistique

L'analyse de la variance (ANOVA) a été utilisée pour déterminer l'influence de chaque facteur ainsi que le degré de signification de chacun de ces effets. Elle examine la signification statistique de chaque effet en comparant la moyenne au carré contre une évaluation de l'erreur expérimentale. La signification de chaque facteur est déterminé par le test de Fisher qui est défini comme étant le rapport du carré moyen de la régression (CMR) sur l'erreur expérimentale (EE) (F=CMR/EE), représentation de la signification de chaque variable commandée sur le modèle examiné. Les équations de régression ont été également soumises au test de Fisher pour déterminer le coefficient de régression R². Par ailleurs, les calculs ont été effectués avec le logiciel d'optimisation STATGRAPHICS Centurion XV.II. Le niveau de confiance accepté est (1 - á) = 95%.

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