Heterogeneous Catalytic Conversion of Lactose to Lactic Acid to Valorize Residual Whey Permeate

Avec l’objectif du gouvernement canadien d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2050 et dans un contexte où les préoccupations concernant l’épuisement des combustibles fossiles sont croissantes, il est devenu essentiel de développer des matériaux alternatifs provenant de ressources renouvelables. Les eaux usées des fermes laitières représentent une source potentielle de matière première durable pour la fabrication de matériaux biosourcés. En 2023, la production fromagère du Canada a atteint 540 kt: 1 kt de fromage génère 9 kt de perméat de lactosérum, un sous-produit peu valorisé, qui est généralement rejeté ou séché pour l’alimentation animale. Le perméat de lactosérum contient 4.4 à 5 % de lactose en masse. Par hydrolyse, le lactose se scinde en glucose et galactose, qui peuvent alors être convertis en produits verts, à valeur ajoutée tels que l’acide lactique (LA) ou le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF). Le LA figure parmi la liste des molécules clés pour l’avenir en raison de sa large gamme d’applications, que cela soit dans le secteur pharmaceutique, des cosmétiques ou encore dans celui du bioplastique. C’est le monomère de départ pour la production d’acide polylactique (PLA), un polymère biodégradable représentant 19 % du marché des bioplastiques. Les fabricants industriels produisent du LA par fermentation de sucres, mais ce processus présente des défis tels qu’un long temps de réaction (2 à 4 d) et de multiples étapes de séparation et de purification. La conversion hétérogène du lactose et du perméat de lactosérum de fromage en LA pourrait simplifier la synthèse tout en réduisant les coûts de fabrication. Cependant, un tel processus est rarement mentionné dans la littérature. Dans le cadre de cette recherche doctorale, nous avons conçu un catalyseur acide solide com-posé d’erbium (0.15 g g−1 Er) sur un support de γ-Al2O3, capable de convertir complètement le lactose à 170 ◦C en moins de 30 min, avec un rendement en acide lactique atteignant 23 %. Nous avons tout d’abord émis l’hypothèse qu’un catalyseur bimétallique à base d’étain et d’erbium augmenterait le rendement en LA, mais la caractérisation du catalyseur par SEM-EDS et BET, a révélé que l’étain se trouvait principalement à la surface du support, tandis que l’erbium se trouvait au cœur de la structure, couvert par l’étain. L’erbium était plus sélectif que l’étain pour le LA : le catalyseur monométallique Er2O3/γ-Al2O3 a donc donné le rendement le plus élevé. Sur la base de ces résultats, nous avons développé un modèle permettant de prédire le rendement en acide lactique en fonction du temps de réaction, de la température et de la charge métallique.