Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer d’ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB ont développé un floculant biosourcé et fonctionnalisé pour traiter efficacement les eaux usées complexes. De plus, les phénols toxiques sont éliminés de l’eau par l’enzyme laccase dans une matrice de chitosane. Le floculant fonctionnalisé et dégradable LaChiPur sera présenté pour la première fois au salon IFAT de Munich qui se tiendra du 13 au 17 mai 2024.
Grâce à la floculation, les impuretés solides les plus fines sont éliminées lors de l'épuration des eaux usées et du traitement de l'eau. Les floculants provoquent l'agglomération des matières en suspension en flocs plus gros, qui coulent au fond ou peuvent être filtrés :l'eau redevient claire.
Les sels métalliques inorganiques, tels que les sulfates et chlorures de fer ou d'aluminium, sont fréquemment utilisés pour éliminer les substances humiques dans le traitement de l'eau potable, pour traiter les eaux de traitement lors de la production de papier ou pour précipiter le phosphore dans les usines de traitement des eaux usées municipales. Dans certains cas, des floculants polymères, des polymères synthétiques fabriqués à partir de ressources fossiles, sont également inclus.
L'inconvénient évident des méthodes conventionnelles :en raison des produits chimiques ou polymères ajoutés, les boues résultantes ne peuvent pas être réutilisées et doivent être éliminées à grands frais.
C'est pourquoi les chercheurs de l'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB se sont tournés vers le chitosane naturel et entièrement biodégradable. Ceci est obtenu à partir de chitine renouvelable, qui est contenue comme composant structurel dans les coquilles de crustacés, les coquilles et les peaux d'insectes et dans les champignons, faisant de la chitine l'un des polymères naturels les plus courants sur terre, juste derrière la cellulose végétale.
Des produits chimiques de traitement de l’eau à base de chitosane sont déjà disponibles pour purifier les piscines et les étangs. Cependant, les chercheurs de Fraunhofer vont encore plus loin dans cette approche en fonctionnalisant également le chitosane avec l'enzyme laccase. L'enzyme se trouve dans diverses plantes, champignons et bactéries.
Dans la nature, les laccases sont impliquées à la fois dans la connexion des monomères aromatiques pour former la lignine et dans son élimination. En raison de leur capacité à oxyder les phénols et autres substances phénoliques, ils sont très demandés pour diverses applications industrielles, que ce soit lors de l'élimination des phénols toxiques dans les jus de fruits, de la décoloration des eaux usées textiles ou de l'élimination des polluants dans l'eau et le sol.
"Notre idée était que la laccase, liée au chitosane en tant que matrice, pourrait également convenir aux eaux usées complexes, comme celles générées lors de la production de vin ou d'huile d'olive", explique le Dr Thomas Hahn, dont les recherches au Fraunhofer IGB comprennent la purification des chitine provenant d'une grande variété de flux de déchets et sa conversion ultérieure en chitosane.
Après les vendanges, les stations d'épuration municipales atteignent rapidement leurs limites lorsque trois à quatre fois le volume normal d'eaux usées atteint les stations d'épuration, pour la plupart petites, des zones viticoles rurales.
"Les phénols présents dans les eaux usées ont un effet toxique sur les bactéries présentes dans le bassin d'aération. Il faut donc augmenter l'aération, ce qui augmente considérablement les besoins énergétiques de la station d'épuration", explique Marc Beckett, expert en gestion de l'eau. et traitement des eaux à l'IGB.
Dans les moulins à huile d'olive, les eaux usées provenant du lavage et de l'extraction de l'huile sont souvent stockées dans de grands bassins de collecte, où l'eau s'évapore avec le temps et laisse derrière elle une boue toxique pour la flore et la faune.
L'idée s'est transformée en un projet de recherche Fraunhofer de deux ans. L'équipe de l'IGB s'est associée à l'Institut Fraunhofer pour la recherche appliquée sur les polymères (IAP) à Potsdam, qui a travaillé sur la fonctionnalisation du chitosane avec la laccase.
Afin de pouvoir tester l’effet du chitosane fonctionnalisé avec de la laccase sur de véritables eaux usées, les chercheurs de l’IGB ont d’abord établi la méthodologie et les analyses correspondantes. "L'un des défis consistait à mettre en solution le chitosane polymère, lui permettant d'être dosé comme floculant et de développer son effet de liaison des polyphénols et des tanins", se souvient Hahn.
"Comme un environnement légèrement acide est idéal pour la laccase, nous avons immédiatement obtenu des résultats très prometteurs pour les eaux usées typiques de la production de vin ou d'huile d'olive", explique le chimiste.
"Notre technologie atteint une performance de floculation pour les eaux usées agro-industrielles complexes comparable à celle des coagulants classiquement utilisés contenant des sels métalliques ou des floculants polymères synthétiques. Cependant, LaChiPur, comme nous appelons notre produit fonctionnalisé, est entièrement biosourcé et donc biodégradable", résume Beckett, biologiste et scientifique de l'environnement.
La combinaison avec la laccase s'est avérée être un réel avantage sur ces eaux usées, car le chitosane fonctionnalisé peut être utilisé comme floculant, et en même temps oxyde et polymérise les phénols.
Autres avantages de la nouvelle technologie respectueuse de l'environnement :la matière première chitine est produite localement en grande quantité comme déchet dans l'industrie alimentaire ou biotechnologique. Cela garantit une production économique et la sécurité de l’approvisionnement, sans les dépendances des chaînes d’approvisionnement internationales entrelacées. Si les boues dégradables produites après floculation sont fermentées dans des stations d'épuration, cela peut même augmenter considérablement le rendement en biogaz.
"Grâce à notre expertise interdisciplinaire, nous pouvons désormais examiner dans notre laboratoire les eaux usées et les eaux de traitement produites dans les entreprises industrielles pour voir comment l'eau traitée avec LaChiPur est purifiée", déclarent Hahn et Beckett.
Sur la base des premiers résultats prometteurs, les chercheurs souhaitent également optimiser davantage leur technologie auprès des petites et moyennes entreprises qui vendent ou fabriquent des floculants, les transférer à plus grande échelle et les mettre en application industrielle.
"LaChiPur convient en outre comme matériau filtrant et possède les propriétés des précipitants. Nous cherchons également à développer davantage notre produit pour une utilisation dans la précipitation du phosphore. En raison de ses propriétés, il est également intéressant pour l'épuration des eaux usées textiles ou pour une utilisation dans la boisson. traitement de l'eau", sont convaincus les scientifiques de l'IGB.
Du 13 au 17 mai 2024, ils présenteront LaChiPur sur le stand commun de la Fraunhofer Water Systems Alliance (SysWasser) dans le hall B2, stand 338 à l'IFAT à Munich.
Fourni par l'Institut Fraunhofer pour l'ingénierie interfaciale et la biotechnologie IGB
