L’adsorption fixe des molécules dissoutes sur la surface d’un solide poreux, sans les faire réagir et sans les faire entrer dans sa masse. Dans un atelier alimentaire, cela veut dire retirer d’un liquide ce qu’aucune filtration ne retiendra jamais : une couleur, une amertume, une odeur, un composé soufré présent à quelques milligrammes par kilo. L’opération se résume dans les cahiers des charges à une ligne — « décoloration sur charbon actif, 1 % » — et cette ligne cache à peu près tout ce qui décide du résultat.
Le premier chiffre à connaître est un rapport. La surface extérieure d’un grain de charbon actif de 1 mm vaut environ 0,005 m2 par gramme ; sa surface intérieure, celle des parois de ses pores, vaut 600 à 1 500 m2 par gramme. Le rapport est de l’ordre de 200 000 : tout le travail se fait à l’intérieur du grain, dans un réseau de galeries dont les plus fines mesurent quelques dixièmes de nanomètre. On n’achète donc pas du charbon actif, on achète une surface spécifique et une distribution de tailles de pores. Et comme une molécule ne s’adsorbe que dans un pore où elle entre, c’est l’adéquation entre la taille des pores et celle des molécules à retirer qui décide de tout.
De là un paradoxe qui ruine les appels d’offres rédigés au mètre carré par gramme : un charbon de coque de noix de coco à 1 200 m2·g−1, presque entièrement microporeux, décolore moins bien un sirop de glucose qu’un charbon de bois à 800 m2·g−1 largement mésoporeux. Les mélanoïdines qui font la couleur mesurent 1 à 10 nanomètres et n’entrent pas dans les micropores où réside l’essentiel de la surface du premier : elle est réelle, elle est inaccessible. Pour des phénols ou des composés soufrés légers, le classement s’inverse.
Les ordres de grandeur sont modestes et les effets ne le sont pas : doses de 0,05 à 5 % de la matière sèche, températures de 20 à 85 °C, temps de contact de 15 à 60 minutes, abattement de couleur réaliste de 40 à 90 % en un étage, charbon à 1,5 à 5 € le kilogramme. Le vrai coût se lit ailleurs — dans le sirop retenu par le gâteau, dans l’énergie de régénération, et dans le prix d’une percée non détectée qui empoisonne un catalyseur d’hydrogénation.
Adsorption, absorption, échange d’ions. L’adsorption est un phénomène de surface : le soluté se fixe sur l’interface solide-liquide et n’entre pas dans la structure du solide. L’absorption est un phénomène de volume : le soluté pénètre dans la masse de la phase réceptrice et s’y dissout, comme le gaz carbonique dans une solution de soude. Le mot générique qui les couvre tous deux est sorption, et il est utile quand on ne veut pas trancher. L’échange d’ions, traité dans la page échange d’ions, est stœchiométrique et réversible : une charge fixée sur la résine est libérée pour chaque charge captée, ce qui impose un bilan ionique et une régénération par un sel ou un acide. L’adsorption sur charbon n’échange rien, ne consomme aucun réactif et ne produit aucun éluat salin — c’est sa force environnementale et sa faiblesse opératoire, puisqu’elle ne se régénère pas à froid. Les deux opérations sont complémentaires plus que concurrentes : le charbon retire les grosses molécules neutres ou faiblement ioniques que la résine laisserait passer ou qui l’encrasseraient, la résine retire les sels et les acides organiques que le charbon fixe mal.
Sur cette page
À quoi sert l’opération
L’adsorption sert cinq intentions industrielles distinctes. La première question à poser devant une installation existante est laquelle on poursuit réellement, car le choix de l’adsorbant, la dose et le critère d’arrêt en découlent directement, et il est fréquent qu’un atelier règle sur la couleur une opération dont l’enjeu réel est ailleurs.
Retirer la couleur. C’est l’emploi historique. Le raffinage du sucre de canne, la fabrication des sirops de glucose et de fructose, la production de lactose de qualité pharmaceutique, la purification des polyols reposent tous sur une ou deux étapes de décoloration. Le critère est un indice mesuré, pas une impression visuelle : un sucre blanc européen se situe entre 20 et 45 unités ICUMSA, un bon sirop de glucose entre 20 et 100, un sucre roux de première extraction entre 1 000 et 3 000, un hydrolysat brut de biomasse entre 5 000 et 50 000.
Retirer un goût ou une odeur. L’eau de process d’une brasserie passe sur charbon actif granulé pour éliminer le chlore résiduel et les chlorophénols, qui donnent à 0,1 microgramme par litre un goût de pansement. Les alcools neutres de distillerie sont polis sur charbon pour retirer les alcools supérieurs et les esters lourds ; les hydrolysats de protéines sont désamérisés. La molécule visée est alors présente à des teneurs de l’ordre du microgramme au milligramme par litre, et l’adsorption est la seule opération capable de descendre aussi bas sans dénaturer le reste.
Protéger un équipement en aval. C’est l’emploi le moins spectaculaire et souvent le plus rentable. Un lit de charbon de garde placé avant un réacteur d’hydrogénation catalytique retire les composés soufrés et phénoliques qui empoisonneraient le nickel ; un lit placé avant une colonne de résines retire les matières organiques qui les encrasseraient irréversiblement ; un charbon placé avant une filtration membranaire retire les colloïdes hydrophobes qui adhèrent au polymère. La dépense de charbon se compare alors non pas au gain de couleur mais à la durée de vie d’un consommable coûteux.
Retirer un contaminant réglementé ou indésirable. Le charbon actif est le moyen usuel d’abaisser la patuline des jus de pomme, les hydrocarbures aromatiques polycycliques des huiles pressées ou fumées et les résidus de solvants ; les terres décolorantes retirent les métaux de transition et les savons résiduels des huiles raffinées. Le critère est alors une teneur maximale réglementaire, et l’adsorbant se dimensionne avec une marge.
Stabiliser un produit fini. En brasserie, la polyvinylpolypyrrolidone fixe sélectivement les polyphénols de type proanthocyanidine qui, en s’associant aux protéines de haut poids moléculaire, forment le trouble à froid des bières. En œnologie, la bentonite fixe les protéines instables responsables de la casse protéique des vins blancs. Ces adsorbants ne changent ni la couleur ni le goût de façon perceptible : ils retirent un précurseur d’instabilité, et leur efficacité se juge sur un test de vieillissement accéléré, pas sur une analyse immédiate.
Les filières couvertes sont plus larges qu’on ne le suppose. En laiterie, le lactosérum destiné au lactose est décoloré au charbon ; en amidonnerie, chaque tonne de sirop passe par un charbon ou une résine ; en brasserie, le PVPP est de règle sur les bières de garde longue ; en sucrerie, la décoloration est l’essentiel du coût de raffinage hors énergie ; dans les corps gras, elle est une étape obligée entre neutralisation et désodorisation ; dans les fruits et légumes, la clarification des jus concentrés fait appel au charbon et aux résines. Seule la filière viande y a peu recours.
Le phénomène physique
Une molécule dissoute qui rencontre une surface solide peut s’y fixer de deux manières, et la distinction n’est pas académique : elle décide de la réversibilité, de la chaleur dégagée, et de la possibilité de régénérer l’adsorbant.
Physisorption et chimisorption
La physisorption met en jeu des forces de van der Waals — dispersion de London surtout — auxquelles s’ajoutent, sur un charbon actif, des interactions entre les nuages électroniques π des plans graphéniques et ceux des cycles aromatiques du soluté. L’enthalpie d’adsorption vaut 5 à 40 kJ·mol−1, du même ordre qu’une chaleur de condensation. Elle n’exige aucune énergie d’activation, autorise plusieurs couches superposées, et surtout elle est réversible : un abaissement de concentration, une élévation de température ou un changement de solvant la défont. C’est le mécanisme dominant de la décoloration et de la désodorisation.
La chimisorption met en jeu une vraie liaison chimique entre le soluté et un site de surface. L’enthalpie vaut 40 à 400 kJ·mol−1, il existe une énergie d’activation, la fixation est limitée à une monocouche, elle est spécifique de certains sites et pratiquement irréversible dans les conditions du procédé. C’est ainsi que se fixent les composés soufrés sur les fonctions oxygénées d’un charbon, ou les métaux de transition sur les sites acides d’une terre décolorante. Un adsorbant qui a chimisorbé ne se régénère pas à basse température : il faut la voie thermique à 800 °C, ou le remplacement.
Dans la pratique d’un atelier, les deux coexistent sur le même grain. Le charbon décolore par physisorption et se laisse régénérer sur cette fraction-là ; il capte le soufre par chimisorption et perd cette capacité définitivement. C’est pourquoi un lit qui a été rechargé plusieurs fois peut encore très bien décolorer tout en ne protégeant plus du tout un catalyseur en aval.
Le moteur réel en phase aqueuse
Une idée reçue veut que l’adsorption soit une attraction du charbon pour le soluté. En milieu aqueux, la moitié du phénomène vient de l’autre bord : c’est l’eau qui expulse le soluté. Une molécule apolaire dissoute impose autour d’elle une organisation des molécules d’eau qui coûte de l’entropie ; en se plaquant sur une surface hydrophobe, elle libère cette eau et le système y gagne. Cet effet hydrophobe explique la hiérarchie observée partout : un hydroxyle ou un carboxyle de plus diminue l’adsorbabilité, un cycle aromatique ou une chaîne carbonée l’augmente.
Cela a une conséquence directe sur les sucres. Le saccharose, le glucose et le xylose sont très hydrophiles : ils s’adsorbent peu sur charbon, ce qui rend la décoloration possible sans perte de produit. Mais l’adsorbabilité croît avec la longueur de la chaîne osidique, propriété exploitée depuis les années 1950 dans la chromatographie sur charbon-célite pour séparer les oligosaccharides. Cette même propriété plafonne la dose acceptable sur un sirop dont les oligosaccharides sont le produit recherché — le cas du sirop de yacon, on y revient plus loin.
La chimie de surface du charbon
Un charbon actif n’est pas du carbone pur. Ses feuillets graphéniques désordonnés portent en bordure des fonctions oxygénées — carboxyle, phénol, lactone, quinone — dont la nature dépend du procédé d’activation. Une activation physique à la vapeur d’eau à 850-950 °C produit un charbon peu oxygéné, à caractère basique, de point de charge nulle vers pH 8 à 10 ; une activation chimique à l’acide phosphorique à 450-550 °C produit un charbon riche en fonctions acides, de point de charge nulle vers pH 3 à 5.
La conséquence pratique est nette. Au-dessus de son point de charge nulle, la surface porte une charge négative nette ; au-dessous, une charge positive. Or les colorants caramélisés et les mélanoïdines sont majoritairement anioniques aux pH usuels, parce qu’ils portent des fonctions carboxyliques et phénoliques. Travailler sous le point de charge nulle crée donc une attraction favorable, et c’est pourquoi un même charbon décolore mieux à pH 5 qu’à pH 8. La limite est ailleurs : descendre sous pH 5 à 80 °C déclenche l’inversion du saccharose et, sur un hydrolysat, la dégradation des sucres. Le compromis est étroit.
La structure poreuse, et pourquoi elle décide de tout
La classification de l’IUPAC distingue trois familles de pores. Les micropores, sous 2 nm, portent 90 à 95 % de la surface spécifique et fixent les petites molécules. Les mésopores, de 2 à 50 nm, portent 5 à 10 % de la surface, assurent le transport vers les micropores et sont le seul lieu possible d’adsorption des grosses molécules. Les macropores, au-delà de 50 nm, ne contribuent presque pas à la surface, mais ce sont eux qui laissent entrer le liquide dans le grain, et leur obstruction stérilise tout le reste.
La règle empirique qui gouverne l’accès est simple : une molécule ne s’adsorbe efficacement que dans un pore dont la largeur vaut au moins 1,7 à 3 fois son diamètre cinétique. En dessous, elle n’entre pas, ou si lentement que l’équilibre n’est jamais atteint dans le temps de contact industriel. Au-dessus de 10 fois, le potentiel d’adsorption s’effondre, les parois étant trop éloignées pour que leurs champs se recouvrent. Il existe donc pour chaque molécule une fenêtre de tailles de pores utiles, hors de laquelle un charbon est inefficace quelle que soit sa surface annoncée.
Les tailles à retenir : un phénol simple mesure 0,6 à 0,7 nm et se loge dans les micropores, comme le furfural, l’hydroxyméthylfurfural et les composés soufrés légers ; une mélanoïdine de 5 000 g·mol−1 occupe 2 à 4 nm et exige des mésopores ; un complexe polyphénol-fer peut atteindre 10 nm. D’où la caractérisation d’un charbon de décoloration par trois indices plutôt que par la seule surface BET : l’indice d’iode, 600 à 1 200 mg·g−1, qui reflète les micropores ; l’indice de bleu de méthylène, les petits mésopores ; l’indice de mélasse, qui mesure la décoloration d’une solution normalisée et reflète les mésopores larges. Un charbon de coque de coco a un indice d’iode superbe et un indice de mélasse médiocre ; un charbon de bois fait l’inverse.
Les trois résistances qui gouvernent la vitesse
L’équilibre dit combien le solide peut fixer ; la cinétique dit en combien de temps. Entre le sein du liquide et le site d’adsorption, la molécule franchit trois obstacles en série.
Le transfert dans le film externe. Autour de chaque grain existe une couche limite immobile de 10 à 100 µm selon l’agitation, que la molécule franchit par diffusion moléculaire. C’est la seule résistance sur laquelle l’agitation agit. Sur un sirop visqueux, elle peut devenir dominante ; sur un liquide fluide bien agité, elle l’est rarement.
La diffusion intraparticulaire. Entrée par un macropore, la molécule progresse dans le réseau, par diffusion dans le liquide des pores et, si elle est fortement adsorbée, par diffusion de surface le long des parois. C’est presque toujours l’étape limitante en décoloration, et sa dépendance à la taille du grain est brutale : le temps caractéristique varie comme le carré du rayon. D’où le charbon en poudre : avec des particules de 10 à 50 µm, l’équilibre est approché en 15 à 30 minutes, contre plusieurs dizaines d’heures pour un granulé de 1 mm.
L’acte d’adsorption lui-même. Il est quasi instantané en physisorption et n’intervient jamais dans le bilan de vitesse. En chimisorption, il peut au contraire devenir limitant et introduire une dépendance forte à la température.
Une conséquence contre-intuitive en découle : le grain se sature de l’extérieur vers l’intérieur, sa couronne externe se remplissant d’abord et devenant une barrière pour les molécules suivantes. Un lit peut donc contenir un charbon dont une bonne part de la capacité est encore libre au cœur des grains et laisser pourtant passer la couleur, faute de temps pour y accéder.
Les grandeurs et les équations
Deux grandeurs suffisent à décrire un équilibre d’adsorption : la concentration résiduelle du soluté, notée C, et la quantité fixée par unité de masse d’adsorbant, notée q. La courbe qui les relie à température constante est l’isotherme, document de base de tout dimensionnement. Elle se construit en laboratoire en une demi-journée : six à huit flacons du même liquide, des doses croissantes de charbon, une agitation à la température et pendant le temps de contact prévus, une filtration, une mesure sur chaque surnageant.
Pour la décoloration, on n’a pas affaire à une molécule mais à un mélange de centaines d’espèces. On traite alors la couleur comme un pseudo-composant unique : C s’exprime en unités ICUMSA et q en unités ICUMSA retirées par gramme de charbon et par unité de volume. Le procédé est approximatif, il ignore que les composants les plus adsorbables partent en premier, mais il donne des dimensionnements qui tiennent.
L’isotherme de Langmuir
Le modèle suppose une surface homogène, une monocouche, des sites indépendants et sans interaction : aucune de ces hypothèses n’est vraie sur un charbon actif, et il reste utile pour une raison — il possède un plateau. Quand C devient grand, q tend vers qm, la capacité maximale à saturation, le chiffre qu’on compare entre deux adsorbants. La constante KL mesure l’affinité : plus elle est grande, plus l’isotherme monte vite aux faibles concentrations, donc plus l’adsorbant sait finir le travail. Grand qm et petit KL : bon pour dégrossir ; l’inverse : bon pour polir.
L’isotherme de Freundlich
C’est la relation la plus utilisée dans l’industrie, parce qu’elle décrit correctement une surface hétérogène — ce qu’est un charbon actif — et parce qu’elle se linéarise en coordonnées logarithmiques : les points expérimentaux s’alignent sur une droite dont l’ordonnée à l’origine donne log KF et la pente donne 1/n. Ce qu’il faut lire sur cette pente est plus important que la valeur de KF :
- 1/n compris entre 0,1 et 0,5 : adsorption fortement favorable. La capacité se maintient à basse concentration, un seul étage peut suffire, et le contre-courant apportera un gain modéré.
- 1/n voisin de 1 : l’isotherme est linéaire, la capacité est proportionnelle à la concentration résiduelle. C’est le domaine où le multi-étagé à contre-courant devient très rentable, parce que chaque étage travaille à une concentration plus élevée que l’étage final.
- 1/n supérieur à 1 : adsorption défavorable, le charbon ne fixe correctement qu’à forte concentration. Un lit fixe donnera une percée très étalée et un mauvais taux d’utilisation. Il faut changer d’adsorbant ou d’opération.
La décoloration des sirops sucrés se situe typiquement entre 0,4 et 0,8 : favorable, mais pas au point de rendre le contre-courant inutile.
La surface spécifique : l’équation BET
puis SBET = (Vm / Vmolaire) · NA · σ
La surface spécifique se mesure par adsorption d’azote à 77 K. On enregistre le volume adsorbé V en fonction de la pression relative ; entre 0,05 et 0,30, la forme linéarisée donne une droite dont la pente et l’ordonnée fournissent Vm, le volume d’une monocouche complète. La surface s’en déduit en multipliant le nombre de molécules d’azote de cette monocouche par leur section d’encombrement, 0,162 nm2. Le même relevé, traité par les méthodes de Barrett-Joyner-Halenda ou de la fonctionnelle de la densité, donne la distribution des tailles de pores.
Une réserve d’usage : sur un solide très microporeux, le remplissage des micropores n’est pas une adsorption en couches et la valeur BET n’a plus de sens physique strict. Elle reste un indicateur comparatif universel, à condition de ne jamais s’en servir seule pour choisir un charbon de décoloration.
Le bilan d’un étage et le gain du contre-courant
Ce bilan est le calcul de dose : la masse d’adsorbant par unité de volume traité est le rapport entre ce qu’il faut retirer et ce que le charbon peut porter à l’équilibre avec le liquide sortant. Le point clé est là — dans un contacteur discontinu à un seul étage, le charbon quitte l’opération en équilibre avec le liquide le plus propre, donc chargé au minimum. C’est le mode le plus simple et le plus dispendieux.
Le remède est le contre-courant à deux étages : le liquide neuf rencontre d’abord le charbon déjà utilisé au second étage, puis le liquide dégrossi rencontre le charbon neuf. Le charbon sortant est alors en équilibre avec le liquide entrant, donc chargé au maximum. Pour un abattement donné, deux étages à contre-courant consomment 30 à 50 % de charbon en moins qu’un étage unique, et le gain croît quand 1/n se rapproche de 1. Trois étages apportent 10 à 15 % de plus mais ajoutent une cuve, un filtre et une manutention.
La percée d’un lit fixe
C’est la relation de Bohart-Adams, connue des exploitants sous le nom de bed depth service time. Elle dit que le temps de service d’un lit avant percée croît linéairement avec sa hauteur, et que le second terme, toujours négatif, représente la hauteur de lit qui ne sert à rien : celle qu’occupe la zone de transfert de masse, la tranche où la concentration passe de la valeur d’entrée à zéro et où le charbon n’est ni saturé ni vierge.
L’exploitation en est immédiate : on mesure le temps de percée sur deux ou trois hauteurs de lit en pilote et on trace tp en fonction de Z. La pente donne la capacité volumique N0, l’intersection avec l’axe des hauteurs donne la hauteur critique en dessous de laquelle la colonne perce immédiatement. Une zone de transfert de 0,3 à 0,8 m est courante ; sur un lit de 1,5 m, 20 à 50 % du charbon est donc inemployé au moment de la percée. Deux colonnes en série en tête-queue récupèrent cette fraction.
La couleur ICUMSA, et pourquoi la mesure conditionne le réglage. La méthode de référence GS mesure l’absorbance à 420 nm d’une solution filtrée à 0,45 µm et amenée à pH 7,0, puis la rapporte au trajet optique et à la concentration : l’indice vaut l’absorbance multipliée par 1 000 et divisée par le produit du trajet optique en centimètres et de la concentration en grammes de matière sèche par millilitre. Trois précautions décident de la validité du résultat. La filtration à 0,45 µm : un trouble non retiré est compté comme de la couleur, et une décoloration jugée mauvaise n’est souvent qu’une clarification insuffisante — voir la page filtration. L’ajustement du pH : la plupart des colorants alimentaires sont des indicateurs colorés, et une même solution peut varier de 30 % entre pH 6 et pH 8. La longueur d’onde : à 420 nm on voit le jaune-brun des mélanoïdines, à 720 nm surtout la turbidité résiduelle, et l’écart entre les deux lectures est le meilleur diagnostic gratuit d’un laboratoire d’usine.
Le tableau des symboles
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur usuel |
|---|---|---|---|
| q | Quantité adsorbée par unité de masse d’adsorbant | mg·g−1 | 10 à 400 |
| qm | Capacité maximale en monocouche (Langmuir) | mg·g−1 | 50 à 500 |
| C | Concentration résiduelle en solution | mg·L−1 ou UI | 0,01 à 10 000 |
| KL | Constante d’affinité de Langmuir | L·mg−1 | 0,01 à 10 |
| KF | Constante de capacité de Freundlich | mg·g−1·(L·mg−1)1/n | 1 à 100 |
| 1/n | Exposant d’hétérogénéité de Freundlich | sans dimension | 0,2 à 1,0 |
| SBET | Surface spécifique | m2·g−1 | 200 à 1 500 |
| m / V | Dose d’adsorbant rapportée au volume traité | g·L−1 | 0,5 à 30 |
| Z | Hauteur de lit fixe | m | 1,0 à 6,0 |
| u | Vitesse superficielle en colonne | m·h−1 | 2 à 12 |
| N0 | Capacité volumique du lit | kg·m−3 | 5 à 60 |
| EBCT | Temps de séjour en fût vide | min | 10 à 60 |
Les matériels
Il faut choisir deux choses indépendamment : l’adsorbant et le contacteur. Le premier décide de ce qui sera retiré, le second de l’efficacité avec laquelle il sera utilisé.
Les adsorbants
Les charbons actifs végétaux se distinguent par leur précurseur. La coque de noix de coco, activée à la vapeur, donne un charbon dur, dense, presque exclusivement microporeux, indice d’iode 1 000 à 1 200 : très bon pour le chlore, les solvants, le soufre et les petits phénols, médiocre pour la couleur. Le bois, activé à l’acide phosphorique, donne un charbon tendre, mésoporeux, à indice de mélasse élevé : le charbon de décoloration par excellence, livré en poudre. La tourbe est intermédiaire. La houille et le lignite donnent des granulés à porosité étalée, résistants et surtout réactivables : c’est le charbon des colonnes.
Le charbon d’os, ou noir animal, a longtemps été le décolorant des raffineries de canne. Il ne contient que 8 à 10 % de carbone déposé sur un squelette d’hydroxyapatite et agit à la fois par adsorption sur le carbone et par échange sur le phosphate de calcium : il décolore et déminéralise à la fois, ce qu’aucun charbon actif ne fait. Régénéré en four à 500 °C, il reste en service plusieurs années. Il recule pour des raisons d’acceptabilité — incompatible avec les cahiers des charges végétariens, halal et casher.
Les terres décolorantes sont des argiles smectiques activées à l’acide à chaud : le traitement dissout une partie des cations de la couche octaédrique, ouvre la structure et crée des sites acides. Leur surface, 200 à 350 m2·g−1, est bien inférieure à celle d’un charbon, mais l’acidité de surface les rend redoutables sur les pigments caroténoïdes et chlorophylliens, les savons, les phospholipides et les traces de fer et de cuivre. C’est l’adsorbant du raffinage des corps gras, à 0,3-2 % et 90-110 °C sous vide. Les bentonites œnologiques agissent surtout par échange cationique sur les protéines instables.
Le gel de silice et l’alumine activée sont des adsorbants polaires, qui fixent l’eau et les molécules polaires par liaison hydrogène : séchage de l’air comprimé et des gaz de conditionnement, traitement d’eaux pour le fluor et l’arsenic. Les tamis moléculaires zéolithiques — 3A, 4A, 5A — ont une porosité cristalline calibrée à 0,1 nm près ; le 3A déshydrate l’éthanol au-delà de l’azéotrope, ce que la distillation seule ne peut pas faire.
Les résines adsorbantes polymériques sont des copolymères styrène-divinylbenzène macroporeux, sans groupe ionique, de surface 400 à 800 m2·g−1 et de porosité contrôlée à la fabrication. Elles adsorbent par effet hydrophobe et interactions π, et se régénèrent à froid par un solvant — éthanol aqueux ou soude diluée. La sélectivité se règle par le choix du polymère et de l’éluant, et la durée de vie atteint plusieurs centaines de cycles. Elles font la débitérisation des jus d’agrumes, la décaféination, la récupération des arômes et la purification des glycosides de stéviol, où elles captent le produit et non l’impureté.
La polyvinylpolypyrrolidone est un cas à part : ce n’est pas un adsorbant à grande surface mais un polymère réticulé insoluble dont le motif pyrrolidone forme des liaisons hydrogène très sélectives avec les fonctions phénoliques. En brasserie, 20 à 50 g·hL−1 retirent 60 à 80 % des proanthocyanidines sans toucher à la mousse ni au goût. Elle se régénère à la soude 1 à 2 % à chaud et supporte 50 à 100 cycles, ce qui la rend économique malgré un prix d’achat de 15 à 30 € le kilogramme.
| Adsorbant | Surface (m2·g−1) | Porosité dominante | Cible privilégiée | Régénération |
|---|---|---|---|---|
| Charbon coque de coco, granulé | 1 000-1 400 | Micropores | Chlore, solvants, soufre, petits phénols | Thermique, 5-15 cycles |
| Charbon de bois activé H3PO4, poudre | 700-1 200 | Mésopores | Mélanoïdines, caramels, couleur | Aucune : consommable |
| Charbon de houille, granulé | 800-1 100 | Étalée | Couleur et organiques en colonne | Thermique, 8-20 cycles |
| Charbon d’os | 90-130 | Macro et mésopores | Couleur et cendres du sucre de canne | Four 500 °C, plusieurs années |
| Terre décolorante activée | 200-350 | Mésopores, sites acides | Pigments, savons, métaux des huiles | Aucune : consommable |
| Bentonite œnologique | 50-200 | Feuillets gonflants | Protéines instables | Aucune |
| Résine styrène-DVB macroporeuse | 400-800 | Mésopores | Glycosides, arômes, amertume | Éthanol ou soude, 200-1 000 cycles |
| PVPP | Faible | Sites pyrrolidone | Proanthocyanidines de la bière | Soude 1-2 %, 50-100 cycles |
Les contacteurs
Le contacteur discontinu agité est le mode du charbon en poudre : une cuve de 5 à 50 m3, un agitateur à pales inclinées, une double enveloppe, 20 à 60 minutes de contact, puis la séparation. C’est elle l’ennui du procédé — retirer des particules de 10 à 50 µm d’un sirop visqueux exige un filtre-presse avec précouche de diatomées ou de perlite. On ne récupère pas le charbon, on jette le gâteau.
Le montage à deux étages à contre-courant est le même matériel dupliqué, avec une logistique inversée : le charbon récupéré au filtre du second étage est remis en tête du premier. Le gain de 30 à 50 % de consommation compense largement la cuve et le filtre supplémentaires dès quelques centaines de tonnes de sirop par jour.
La colonne à lit fixe est le mode du charbon granulé : un lit de 1,5 à 6 m dans une colonne inox de 1 à 3 m de diamètre, crépines en fond, répartiteur en tête, vitesse superficielle de 2 à 12 m·h−1, temps de séjour en fût vide de 10 à 60 minutes. Le liquide sort clair : pas de filtration aval, sinon un filtre de police contre les fines. La contrainte est la perte de charge, qui monte de 0,2-0,5 bar sur un lit neuf à plusieurs bars sur un lit encrassé et impose des rétrolavages périodiques.
Le lit pulsé est la version quasi continue de la colonne : on soutire périodiquement 5 à 10 % du lit par le fond, où le charbon est totalement saturé, et on complète en tête par du charbon neuf. Le lit progresse par bouffées à contre-courant du liquide, la zone de transfert reste stationnaire, et le taux d’utilisation approche 90 à 95 % contre 50 à 80 % pour un lit fixe classique. C’est la disposition des grosses glucoseries et des raffineries de canne.
Les paramètres de conduite
Six réglages font l’essentiel du résultat. Deux d’entre eux — la température et le pH — agissent en sens contraire sur l’équilibre et sur la cinétique, ce qui explique que leur optimum ne se devine pas et se mesure.
| Paramètre | Plage usuelle | Effet d’une augmentation | Ce qui limite |
|---|---|---|---|
| Dose d’adsorbant | 0,05 à 5 % / matière sèche | Abattement en hausse, mais à rendement décroissant | Coût, rétention de produit, perte d’oligosaccharides |
| Température | 50 à 85 °C sur sirops | Viscosité en baisse, diffusion accélérée, mais équilibre dégradé (adsorption exothermique) | Recoloration thermique, inversion, hygiène au-delà de 90 °C |
| pH | 4,5 à 8,5 | Un pH bas charge la surface positivement et attire les colorants anioniques | Inversion du saccharose, dégradation des sucres, corrosion |
| Temps de contact (poudre) | 20 à 60 min | Approche de l’équilibre ; 90 % atteints en 20-30 min | Encombrement de cuve, développement microbien |
| EBCT (colonne) | 10 à 60 min | Zone de transfert mieux contenue, percée plus tardive | Volume de charbon immobilisé, perte de charge |
| Matière sèche du sirop | 35 à 60 °Brix | Débit massique traité en hausse | Viscosité : au-delà de 100 mPa·s la diffusion s’effondre |
| Granulométrie | 10-50 µm (poudre) ; 0,4-2 mm (granulé) | Un grain plus fin accélère comme le carré du rayon | Filtrabilité, perte de charge, attrition |
Sur la température, le compromis est contre-intuitif. L’adsorption étant exothermique, la thermodynamique dit qu’il faut refroidir pour fixer davantage. Mais sur un sirop à 55 °Brix, passer de 40 à 75 °C divise la viscosité par 4 à 6 et multiplie d’autant la diffusivité effective dans les pores. Dans un temps de contact de 30 minutes on n’atteint jamais l’équilibre : c’est la cinétique qui commande, et le chaud gagne. L’optimum expérimental se situe entre 70 et 85 °C ; au-delà, la caramélisation crée de la couleur plus vite que le charbon ne la retire.
Ce qui se dérègle
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Abattement de couleur en chute à dose inchangée | Lot de charbon trop microporeux, ou colorants devenus plus gros parce que l’amont s’est dégradé | Contrôler l’indice de mélasse du lot à réception ; vérifier le pH et le temps de séjour à chaud en amont |
| Percée précoce et étalée en colonne | Chemins préférentiels : poches d’air, tassement inégal, distributeur bouché, lit non classé après rétrolavage | Rétrolavage montant à 10-15 m·h−1 jusqu’à expansion de 20 %, purge d’air, contrôle des crépines |
| Perte de charge qui double en quelques jours | Colmatage par les matières en suspension et les fines de charbon | Renforcer la filtration amont ; rétrolaver ; écrêter la couche superficielle du lit |
| Le sirop décoloré recolore à l’évaporation | Précurseurs non retirés — acides aminés libres, HMF, fer dissous complexé aux polyphénols | Abaisser le temps de séjour à chaud en évaporation ; chélater ou retirer le fer ; ajouter un étage d’échange d’ions |
| Rendement matière en baisse de 0,2 à 0,5 % | Sirop retenu dans le gâteau de charbon, 0,5 à 1,5 kg par kg de charbon | Lavage du gâteau à l’eau chaude et recyclage des eaux faibles en amont de l’évaporation |
| Le catalyseur d’hydrogénation perd son activité plus vite qu’avant | Percée de composés soufrés que la couleur ne trahit pas : les deux fronts ne progressent pas à la même vitesse | Suivre le soufre total en sortie de lit par une analyse dédiée, jamais par la couleur ; permuter le lit de garde sur ce critère |
Énergie, coût et environnement
L’adsorption elle-même ne consomme presque rien : quelques kilowattheures par tonne pour l’agitation et le pompage, une perte de charge de 0,3 à 2 bar en colonne. Le coût est ailleurs, et il se répartit en trois postes.
L’adsorbant. Un charbon actif végétal en poudre vaut 1,5 à 4 € le kilogramme, un granulé de houille 2 à 5 €, une terre décolorante 0,4 à 1 €, une résine polymérique 8 à 25 € amortie sur des centaines de cycles, la PVPP 15 à 30 €. Les consommations vont de 0,3 à 3 kg par tonne de matière sèche en glucoserie et en raffinage de canne, et de 5 à 50 kg par tonne sur un hydrolysat brut. Un atelier traitant 200 t de matière sèche par jour à 1,5 kg·t−1 consomme 300 kg de charbon par jour, soit environ 100 000 € par an : c’est ce poste qui justifie le contre-courant et le lit pulsé.
La régénération thermique. Elle se fait en four à soles multiples ou rotatif, à 800-950 °C sous vapeur d’eau : séchage jusqu’à 200 °C, pyrolyse des adsorbats de 200 à 600 °C, gazéification du résidu carboné au-delà de 750 °C. Le bilan énergétique va de 3 000 à 6 000 kJ par kilogramme régénéré, et le coût, transport compris, de 0,6 à 1,5 € le kilogramme — un tiers à la moitié du prix du neuf. La régénération sur site n’est rentable qu’au-delà de 100 à 300 tonnes par an.
Les pertes sont l’élément qu’on sous-estime toujours : 5 à 12 % de la masse disparaît à chaque cycle, par combustion du carbone lui-même, par attrition et par entraînement. Après cinq cycles il ne reste que 55 à 75 % du lot d’origine, la teneur en cendres a doublé et l’indice d’iode a perdu 10 à 25 %. Au-delà de huit à quinze cycles, la capacité restituée ne justifie plus le transport.
Le cas fréquent : on ne régénère pas. Le charbon en poudre n’est jamais régénéré : trop fin pour passer en four sans pertes considérables, mélangé à l’adjuvant de filtration, gorgé de sirop. C’est un consommable au même titre que la terre de diatomées. Le gâteau usé, une fois lavé, part en méthanisation, en compostage ou en incinération avec valorisation énergétique — son pouvoir calorifique inférieur, humidité comprise, vaut 12 à 25 MJ·kg−1. Les terres usées des huileries suivent le même chemin, avec la précaution qu’imprégnées d’huile elles s’auto-échauffent en tas.
Auto-échauffement et poussières. Le charbon actif frais, très divisé et très oxydable, s’échauffe spontanément en tas au contact de l’air humide : des incendies de silos de charbon en poudre sont documentés. Le stockage se fait en sacs fermés ou en silo inerté, jamais en tas ouvert. La poussière forme par ailleurs des atmosphères explosibles au sens de la directive 2014/34/UE : manutention pneumatique, dépotage des big-bags et dôme des cuves relèvent d’un zonage ATEX. Enfin, un lit de charbon fixe l’oxygène dissous du liquide qui le traverse : une colonne ouverte pour déchargement est un espace confiné potentiellement appauvri en oxygène, dont l’accès exige une mesure d’atmosphère préalable.
Sur le plan environnemental, un kilogramme de charbon actif vierge représente de l’ordre de 3 à 10 kg d’équivalent CO2 selon le précurseur, et la régénération divise cette empreinte par trois à cinq. Un argument plus rarement cité mérite de l’être : l’adsorption sur charbon ne consomme aucun réactif et ne rejette aucun éluat salin, à la différence de l’échange d’ions, dont les régénérations produisent 3 à 10 volumes d’effluent salin par volume de résine. Sous contrainte de rejet en sels, déplacer une part de la décoloration vers le charbon soulage directement la station d’épuration.
L’opération dans la fabrication des sucrants
L’adsorption est présente dans la quasi-totalité des filières de sucrants, et son rôle y change du tout au tout d’une fabrication à l’autre : tantôt elle retire l’indésirable, tantôt elle capte le produit lui-même.
Le xylitol : décolorer, mais surtout protéger
C’est le cas le plus démonstratif. L’hydrolyse acide ou enzymatique de la biomasse hémicellulosique — rafle de maïs, copeaux de bouleau, bagasse — libère le xylose, mais aussi tout ce que la lignine et les extractibles contiennent. L’hydrolysat brut est brun-noir, à 5 000-50 000 unités ICUMSA, et il porte du furfural, de l’hydroxyméthylfurfural, de l’acide acétique, des acides uroniques, une gamme étendue de phénols issus de la lignine et, selon la matière première, des composés soufrés à l’état de traces.
Après neutralisation et filtration, le passage sur charbon actif — 1 à 5 % de la matière sèche en poudre, 50 à 70 °C, 30 à 60 minutes, pH 5 à 6, ou un lit granulé à 20-40 minutes d’EBCT — retire 70 à 95 % de la couleur. Mais le chiffre qui décide de l’économie du procédé est ailleurs : ce même charbon retire 40 à 90 % des phénols et une part majeure des composés soufrés. Or le catalyseur de l’hydrogénation catalytique qui transforme le xylose en xylitol est un nickel de Raney, empoisonné irréversiblement par le soufre à des teneurs de l’ordre du milligramme par kilogramme et fortement inhibé par les phénols. Le charbon est donc une étape de protection avant d’être une étape de couleur, et un lit de garde juste avant le réacteur est la police d’assurance la moins chère de la chaîne. La fabrication du xylitol enchaîne ensuite l’échange d’ions puis la chromatographie préparative.
La couleur n’est pas un traceur du soufre. Les molécules colorées sont grosses et se fixent dans les mésopores ; les composés soufrés sont petits et se fixent dans les micropores. Les deux fronts de saturation progressent dans le lit à des vitesses différentes, et rien ne garantit que le soufre perce après la couleur. Un lit qui décolore encore parfaitement peut avoir cessé de retenir le soufre depuis plusieurs heures. Le seul pilotage valide d’un charbon de garde est une analyse du soufre total en sortie, à fréquence fixée, avec un critère de permutation propre.
5 000-50 000 UI, phénols, furfural, soufre traces
pH 5-6, retrait des matières en suspension
1-5 % MS, 50-70 °C, 30-60 min — couleur, phénols, soufre
sels de neutralisation, acides organiques
xylose purifié, hexoses et pentoses écartés
protection du nickel, puis 100-130 °C sous H2
Les sirops de glucose et les autres sucrants
En amidonnerie, l’hydrolysat de saccharification arrive à 200-800 unités ICUMSA. La décoloration se fait au charbon en poudre à 0,1-0,5 % ou sur lit granulé, encadrée par deux étages de résines, et vise 20 à 50 unités sur le sirop fini. Elle retire aussi l’hydroxyméthylfurfural et les acides aminés libres issus des protéines du grain, précurseurs de la recoloration lors de la concentration finale : décolorer sans les retirer donne un sirop clair au filtre et jaune en cuve.
En sucrerie de betterave, la décoloration principale n’est pas assurée par du charbon mais par la carbonatation : la chaux et le gaz carbonique précipitent un carbonate de calcium naissant dont la surface fraîchement formée adsorbe une grande partie des colorants et des colloïdes du jus de diffusion. C’est une adsorption au sens propre, sur un adsorbant fabriqué in situ et jeté avec les écumes ; le charbon n’intervient qu’au raffinage des sucres roux. En sucrerie de canne, la couleur du jus est bien supérieure et le raffinage repose sur des colonnes de charbon d’os ou de charbon actif granulé de 3 à 6 m de lit.
Le sirop de yacon pose le problème inverse. Le jus de racine est riche en acides chlorogéniques et brunit très vite sous l’action de la polyphénoloxydase ; on inactive l’enzyme par un blanchiment immédiat, puis on traite au charbon à 0,3-2 % avant la concentration sous vide. La dose ne peut pas être poussée : les fructo-oligosaccharides qui font l’intérêt du produit sont précisément le type de molécules que le charbon fixe le mieux parmi les glucides. Au-delà de 2 %, on décolore un sirop dont on a commencé à retirer le produit.
Pour la stévia, l’adsorption change de rôle : l’extrait aqueux de feuilles passe sur des résines styrène-divinylbenzène macroporeuses qui fixent les glycosides de stéviol par effet hydrophobe, laissent partir sucres, sels et pigments dans l’effluent, puis restituent le produit par élution à l’éthanol aqueux. L’adsorbant capte ici la molécule recherchée, et le charbon ne sert plus qu’au polissage. Pour l’érythritol, le moût de fermentation débarrassé de sa biomasse subit une décoloration légère à 0,1-0,5 % avant cristallisation. Le sirop d’agave est décoloré pour les qualités claires et ne l’est pas pour les ambrées ; le sucre de fleur de coco ne l’est jamais, sa couleur étant le produit.
D’où vient la couleur qu’on retire
Quatre familles de colorants se rencontrent dans les liquides sucrés, et il est utile de savoir laquelle domine avant de choisir un charbon. Les mélanoïdines naissent de la réaction de Maillard entre sucres réducteurs et acides aminés dès 60-70 °C en milieu concentré : brunes, de masse molaire très étalée, plutôt anioniques, ce sont elles qui exigent des mésopores. Les caramels viennent de la dégradation thermique des sucres sans azote, au-delà de 110-120 °C ou plus bas en milieu acide ; de masse moindre, ils sont plus facilement adsorbés. Les produits de dégradation alcaline apparaissent dès pH 9-10 à chaud, par isomérisation puis fragmentation des oses : très solubles et faiblement adsorbables, c’est la couleur la plus difficile à retirer, et la raison pour laquelle une surchaux mal conduite se paie au charbon toute la campagne. Les complexes ferriques polyphénoliques, enfin, naissent de la rencontre entre le fer d’une tuyauterie corrodée et les polyphénols de la matière première ; intensément colorés à très faible concentration, ils ne se traitent vraiment qu’en supprimant la source de fer.
Pour aller plus loin
- Échange d’ions — l’opération complémentaire, qui retire les sels et les acides que le charbon fixe mal, et dont la régénération produit les éluats salins que l’adsorption évite.
- Filtration — indispensable en amont : un liquide trouble encrasse le lit et fausse la mesure de couleur, et indispensable en aval pour retenir le charbon en poudre.
- Hydrogénation catalytique — l’étape que le charbon protège, avec les mécanismes d’empoisonnement du nickel par le soufre et les phénols.
- Hydrolyse — l’étape qui fabrique la couleur et les inhibiteurs que l’adsorption devra retirer ; c’est là que se décide la charge du charbon.
- Chromatographie préparative — l’adsorption poussée jusqu’à la séparation, avec les mêmes isothermes et les mêmes résistances au transfert.
- Fabrication du xylitol — la chaîne complète, pour situer la décoloration entre l’hydrolyse et l’hydrogénation.
Sources
- Perry, R. H., Green, D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9e éd., McGraw-Hill, 2018 — chapitre adsorption, isothermes et lits fixes.
- McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, 7e éd., McGraw-Hill, 2005.
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Hernández-Pérez et al., « Xylitol: Bioproduction and Applications — A Review », Frontiers in Sustainability, 2022.
- Règlement (CE) n° 1935/2004 relatif aux matériaux destinés à entrer en contact avec les denrées alimentaires, applicable aux charbons, terres et résines.
- Directive 2014/34/UE (ATEX) relative aux appareils destinés à être utilisés en atmosphères explosibles, pour la manutention des charbons pulvérulents.