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Analyse de Cycle de Vie pour l’Eco-conception d’un procédé de production d’un polymère végétal Leslie Jacquemin Pierre-Yves Pontalier Caroline Sablayrolles.

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1 Analyse de Cycle de Vie pour l’Eco-conception d’un procédé de production d’un polymère végétal Leslie Jacquemin Pierre-Yves Pontalier Caroline Sablayrolles «Chimie pour un développement durable : procédés, énergie et environnement» 22 au 24 novembre 2011 ECPM Strasbourg

2 La raffinerie végétale 2Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Raffinerie végétale Procédés de fractionnement de la matière végétale Fractionnement Transformation (Matériaux) Matière végétale Purification HémicellulosesFraction lignocellulosiqueAmidonProtéines Extraction / Séparation Extrait liquide Raffinat solide - Procédés de fractionnement - Procédés de conversion - Procédés de fractionnement - Procédés de conversion Biomasse Energie: Biocarburants, Energie électrique Chimie: Biopolymères, Agromatériaux, … Agroalimentaire Matière végétale = Son et Paille de blé

3 Objectifs Le double objectif de la raffinerie végétale:  Viabilité économique  Respect de l’environnement Articulation de la présentation:  Le procédé de fractionnement de la matière végétale  L’Analyse de Cycle de Vie du procédé 3Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives

4 Le procédé 4 Désamidonnation [Son désamidonné] Broyage [Paille broyée - 6mm] Extrusion [Extrait] Centrifugation Pré- traitements Extraction Séparation Liquide-Solide [Extrait clarifié] Essorage Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives … Lait d’amidon 3 lavages successifs Son + Eau L/S=10 Agitation continue T°C = 40°C 15 min Désamidonnation Broyage de la paille

5 Le procédé 5 Désamidonnation [Son désamidonné] Broyage [Paille broyée - 6mm] Extrusion [Extrait] Centrifugation Pré- traitements Extraction Séparation Liquide-Solide [Extrait clarifié] Essorage Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives … Zone de mélange Zone de lavage Eau de lavage 92 L/h Zone de séparation Liquide/Solide Extrait d’hémicelluloses 115 kg/h Raffinat 40 kg/h Zone de convoyage Pâte de son 45.3 kg/h Paille 17.7 kg/h Chauffage par induction Moteur Filtre Axe et Profil de vis (150 tours/min) Conditions expérimentales Son/Soude = 2; Paille/Son = 6.2 Alim Eau = 92 L/h (  L/S = 5.9); T°C = 50°C Débit de MS entrante: 15 kg/h. (Source: Maréchal et al. 2004)

6 Le procédé 6 Désamidonnation [Son désamidonné] Broyage [Paille broyée - 6mm] Extrusion [Extrait] Centrifugation Pré- traitements Extraction Séparation Liquide-Solide [Extrait clarifié] Essorage Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives … La première séparation Liquide/Solide effectuée au niveau de la grille intégrée à l’extrudeur ne permet pas d’empêcher le passage de fines particules en suspension. Essorage: Centrifugeuse à bol Rousselet RC 50PxR, Porosité 10 μm 20 kg/h à 2000 rpm Centrifugation: Centrifugeuse à assiette Clara 20 LAPX Alfa Laval 200 kg/h à 9000 rpm

7 Le procédé 7 Evaporation Concentration & Purification Produit final Poudre d’hémicelluloses [Extrait purifié] [ Précipité d’hémicelluloses] Ultrafiltration LyophilisationAtomisation Précipitation éthanolique Chromatographie Echangeuse d’ions … Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Evaporation sous vide 0,1 bar 40°C Ultrafiltration GE Healthcare, 30 kDa PTM = 1.3bar Q P = 10L/h Chromatographie échangeuse d’ions Amberlite IRA958-Cl Précipitation éthanolique Acide acétique >> pH=5 3 Volume d’EtOH Concentration de l’extraitPurification Lyophilisation Atomisation Séchage des poudres

8 L’Analyse de Cycle de Vie (ACV) Méthodologie qui fournit un moyen efficace et systématique pour évaluer les impacts environnementaux d'un produit, d'un service ou d'un procédé. Introduction Le procédéACV Conclusions et Perspectives Evaluation des impacts Classification (catégories d’impacts) Caractérisation (Indicateurs d’impacts) Evaluation des dommages Analyse de l’inventaire Collecte des données Affectation des flux Bilan matière et énergie Définition du champ de l’étude Objectifs Frontières du système Unité Fonctionnelle Interprétation Identification des points significatifs Evaluation Conclusion et recommandations Source: ISO Dans la pratique, l’ACV est le plus souvent appliquée aux produits. Son application aux procédés est récente et de nombreux apports méthodologiques restent à développer.

9 Objectifs et champs de l’étude : (1) Objectifs 9 Introduction Le procédéACV Conclusions et Perspectives Eco-conception d’un procédé de production d’un polymère végétal OBJECTIFS Faire une comparaison entre les scenarii et entre les procédés unitaires Evaluer les impacts environnementaux générés par chaque étape du procédé

10 Objectifs et champs de l’étude: (2) Limites du système et unité fonctionnelle 10 Introduction Le procédéACV Conclusions et Perspectives  La matière première végétale est considérée comme déchet de la production de blé pour le grain, sa production n’est donc pas incluse dans les limites du système  Le procédé est supposé être développé à une échelle locale: les transports ne sont pas pris en compte  Les co-produits de ce procédé sont considérés comme des déchets, les valorisation éventuelles ne sont pas considérées pour le moment  La mise en place des infrastructures, leur maintenance et leur démantèlement ne sont pas pris en compte Unité fonctionnelle: Produire 1kg de poudre d’hémicelluloses Unité fonctionnelle: Produire 1kg de poudre d’hémicelluloses

11 Inventaire de production 11 EntrantsSortants Introduction Le procédéACV Conclusions et Perspectives (p) = vecteur d’inventaire de production Ecoinvent  Facteurs d’émissions et d’extractions  Par exemple: la production d’un 1kWh d’électricité nécessite l’extraction de 6.61x kg d’aluminium et émet 1.01x kg de CO2 dans l’atmosphère  Matrice d’émissions et extractions (E) Matrice d’inventaire du cycle de vie: (M) = (p) * (E)

12 Evaluation des Impacts environnementaux Impact (Jolliet et al. 2003) est utilisée dans cette étude 12 Matrice d’inventaire de cycle de vie Impacts environnementaux Toxicité humaine Amincissement de la couche d’ozone Toxicité aquatique Réchauffement climatique Etc. I i = Score d’impact pour une catégorie (i) F s,i = Facteurs d’impact pour une substance (s) dans la catégorie d’impact (i) M s = Matrice d’inventaire (masse de substance prélevée ou émise) Introduction Le procédéACV Conclusions et Perspectives I i = Σ F s,i. M s

13 Résultats et Interprétation: Objectif 1, faire une comparaison entre les procédés unitaires Objectif 1: Faire une comparaison entre les procédés unitaires 13 Introduction Le procédéACV Conclusions et Perspectives

14 Résultats et Interprétation: Objectif 1, faire une comparaison entre les procédés complets 14 Introduction Le procédéACV Conclusions et Perspectives Objectif 1: Comparer les procédés entre eux

15 Résultats et Interprétation: Objectif 2, identifier les points clefs 15 Introduction Le procédéACV Conclusions et Perspectives

16 Conclusion et perspectives Développement d’un procédé d’extraction d’hémicelluloses mettant en jeu de techniques originales. ACV  Comparaison / Identification des étapes prépondérantes Les perspectives de l'ACV:  Réalisation d’une étude de sensibilité Elargissement des frontières du système: – Prise en compte des transports – Intégration de la production de la matière végétale dans les limites – Valorisation des co-produits (raffinat ligno-cellulosique, amidon)  Modifications des hypothèses Etude de l’impact du recyclage de l’éthanol ACV et procédés  Une approche détaillée pour la prise en compte des conditions opératoires dans l’ACV 16 Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives

17 17 Remerciements Merci pour votre attention! Si vous avez des questions…

18 Pourquoi le blé ? 18 Production de 38 millions de tonnes de grains (blé tendre et blé dur confondus). (Source: ADEME)Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Source de plusieurs co-produits :  Estimation des disponibilités (Source ADEME) Pailles: 10 millions de tonnes/an Sons: Coproduits de meunerie largement disponibles Une céréale largement cultivée en France :

19 Le blé: Composition et voies de valorisation 19 Composition Paille Maréchal (2001) Son désamidonné Bataillon (1998) Cellulose (%MS) 40,8 25,0 Hémicelluloses (%MS) 31,7 45,0 Lignines (%MS) 10,0 3,0 Protéines (%MS) 2,4 9,0 Lipides (%MS)n.d.6,0 Cendres (%MS) 5,9 1,0 ARABINOXYLANES ARABINOXYLANES: Propriétés épaississantes, gélifiantes  Capacités filmogènes. (Source: Gröndahl, Anderson 2007) « Tout polysaccharide autre que la cellulose et les substances pectiques qui peut être extrait des parois des cellules végétales par des solutions alcalines. » Structure chimique: Squelette linéaire de D-Xylopyranose lié en β(1-4) et substitué par des sucres acides ou neutres (acide glucuronique, arabinose, glucose)Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives

20 Quelques rendements… Rendements en Arabinoxylanes Rdt X +A24.3 %25.7 %24.6%25.44 % Rendements = Contenu en Arabinoxylanes de la poudre / Arabinoxylanes introduites avec le son

21 Caractéristiques des poudres obtenues Rendements et composition en oses des poudres obtenues 21 Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Pureté et rendements inférieurs à une extraction en batch, mais:  Production continue + Echelle pilote  production plus large  Valorisation des coproduits (raffinat ligno-cellulosique)  Faible utilisation d’eau et de soude Caractéristiques des film obtenus par extrusion monovis:  Contrainte à la rupture: 1MPa < σRH < 1,5MPa;  Module d’élasticité: entre 2 et 3 Gpa;  Elongation à la rupture: entre 30 et 35%.


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