Prétraitement Organosolv à l’acide formique/ acide acétique/eau (CIMV) Caroline Vanderghem VALEBIO – 23 mars 2012

Prétraitement CIMV Matériel lignocellulosique Solvants Chauffage Filtration Pulpe Liqueur noire Hydrolyse enzymatique Précipitation des lignines Hydrolysat Lignines Sirop

Prétraitement CIMV Source: Delmas 2011

Prétraitement CIMV Source: Delmas 2011

Prétraitement CIMV Produits escomptés: Lignine faiblement dégradé et peu fragmenté, partiellement estérifiée par les acides formique et/ou acétique mais présence de groupements hydroxyles aliphatiques et phénoliques ainsi que de groupements acides carboxyliques Cellulose à l’origine de la pâte à papier blanchie et du glucose Sirops de sucre en C5 (monomères, dimères de xylose et autres sucres en C5 Applications finales: colles végétales, papier, bioénergie et alimentation animale

Steam explosion Nicolas Jacquet VALEBIO – 23 mars 2012

Plan de l’exposé Historique Description de la technique Effets sur les matériaux lignocellulosiques Intensité du traitement Applications de la technologie de steam explosion Présentation du prototype (Partie T.P.)

Historique Premier développement : 1924 => Production de « Hardboard » (panneaux de bois agglomérés) Production d’aliments pour ruminants durant la seconde moitié du vingtième siècle Première application fractionnement biomasse : début des années 1980 => La société Iotech Corporation fut la première à étudier l’effet de la steam explosion sur du peuplier « Populus tremula L. »

Description de la technique

Description de la technique 1) Pompe haute pression 2) Colliers chauffants 3) Mesure de pression et de température du générateur 4) Mesure de pression et de température du réacteur 5) Vanne d’isolement 6) Vanne de mise en charge 7) Soupape de sécurité du générateur 8) Soupape de sécurité du réacteur 9) Vanne d’éclatement 10 )Vanne de purge lente 11) Vannes de récupération des produits 12) Manomètre éclateur

Description de la technique Vapocracking Preheated reactor Explosive Decompression

Description de la technique Procédé en deux phases Le Vapocraquage Pénétration de la vapeur sous haute pression par diffusion à l’intérieur de la structure du matériau. La vapeur se condense et « mouille » le matériau. L’eau condensée, couplée à une température élevée, va initier l’hydrolyse des groupements acétyles et méthylglucuroniques contenus dans les xylanes => libération d’acide Les acides libérés catalysent diverses réactions « positives » (dépolymérisation, hydrolyse du substrat) ou « négatives » (dégradation) qui vont modifier les différentes fractions du substrat lignocellulosique.

Description de la technique Décompression explosive Chute brutale de pression qui entraîne la vaporisation d’une partie de l’eau de condensation présente dans le matériau L’expansion brutale de la vapeur provoque l’apparition de forces de cisaillement qui seront appliquées à l’ensemble du matériau => Eclatement mécanique de la structure du matériau

Effets sur les matériaux lignocellulosiques Vapocraquage Hémicelluloses

Effets sur les matériaux lignocellulosiques Hydrolyse partielle ou totale de la fraction hémicellulosique Hydrolyse de la fraction hémicellulosique en oligosaccharides sous conditions modérées Hydrolyse de la fraction hémicellulosique et en monosaccharides sous des conditions plus sévères Attention : Dégradation des sucres formés en 2-furfural (inhibiteur de fermentation)

Effets sur les matériaux lignocellulosiques Cellulose

Effets sur les matériaux lignocellulosiques Hydrolyse partielle de la fraction cellulosique Hydrolyse partielle de la fraction cellulosique en oligosaccharides et monosaccharides sous conditions drastiques Dégradation des monosaccharides en 5-hydroxyméthylfurfural (inhibiteur de fermentation) Influence sur la cristallinité de la fraction cellulosique Réorganisation partielle des zones amorphes en zones cristallines

Effets sur les matériaux lignocellulosiques Lignine

Effets sur les matériaux lignocellulosiques Dépolymérisation et Repolymérisation partielle des lignines En conditions acides, formation d’un ion carbonium sur le groupement Alcool Benzylique qui : induit le clivage de la liaison β-O-4 => Dépolymérisation réagit avec les carbones C2 et C6 => Repolymérisation

Effets sur les matériaux lignocellulosiques Décompression explosive Eclatement de la structure du matériau Réduction de la granulométrie et apparition éventuelle des sous- structures des fibres de cellulose Amélioration de l’accessibilité du substrat => augmentation des propriétés de rétention d’eau => amélioration des cinétiques d’hydrolyse du matériau

Intensité du traitement Deux facteurs importants : La Pression (corrélée à la température) La pression étant corrélée à la température, l’importance de cette dernière va avoir un impact sur les cinétiques des réactions catalysées par les acides. la différence de pression entre l’intérieur du réacteur et la pression atmosphérique va être proportionnelle à l’intensité des forces de cisaillement appliquées à la biomasse au moment de la détente explosive

Intensité du traitement Le temps de rétention Plus le temps de rétention est élevé, plus les réactions catalysées par les acides vont être complètes. L’augmentation du temps de rétention contribue à accroître la production de ces produits de dégradation

Intensité du traitement Le facteur de sévérité : Relation entre la température et le temps de rétention Où : S = Facteur de sévérité T(t) = Température du procédé (°C) t = Temps de rétention (min) 100 = Température d’ébullition de l’eau à la pression atmosphérique 14,75 = Valeur d’énergie d’activation dans les conditions où la cinétique du procédé est d’ordre 1 et obéit à la loi d’Arrhenius

Intensité du traitement Calcul du facteur de sévérité Modèle simplifié T = température du procédé T = temps de rétention Modèle uniquement valable lorsque la température du procédé atteint très rapidement la température de consigne => valable pour les petits volumes (< 1 litre)

Intensité du traitement Calcul du facteur de sévérité Modèle complet (tient compte de la mise en température) tn and tn+1 are the initial times for increments n and n + 1, Tn and Tn+1 are the process temperatures for times tn and tn+1 respectively

Intensité du traitement Exemple de facteur de sévérité pour diverses conditions opératoires Samples Name Pressure (Mpa) Process temperature (°C) Retention Time (min) Demand Time (min) Severity Factor C200 (SF 2.62) 0.98 172.8 2.03 11.16 2.62 C200 (SF 2.86) 0.99 174.1 5.00 13.33 2.86 C200 (SF 3.75) 1.96 208.5 1.59 12.13 3.75 C200 (SF 4.00) 2.05 209.5 5.03 15.03 4.00 C200 (SF 4.40) 2.95 228.9 2.02 16.20 4.40 C200 (SF 4.63) 3.00 229.7 4.59 19.36 4.63 C200 (SF 4.91) 3.94 246.3 2.04 17.97 4.91 C200 (SF 5.14) 4.02 247.1 4.58 20.51 5.14 C200 (SF 5.33) 5.33 259.0 2.01 20.01 C200 (SF 5.56) 4.98 260.1 5.02 23.32 5.56

Applications de la technologie de steam explosion Prétraitement dans les industries de production d’éthanol cellulosique à partir de biomasse (ex : société Abengoa) Utilisation dans les procédés de production de bioproduits (ex : acide férulique) Utilisation en industries agroalimentaires : pelage de pomme de terre

Présentation du prototype (Partie T.P.) Partenariat développement du prototype Armstrong International Europe, SA Parc Industriel Des Hauts-Sarts B-4040 Herstal, Liège, Belgique Pommée, Herstal, Belgique : fourniture d’équipements et montage de l’ensemble Process & Automation, Herstal, Belgique : fourniture d’automate et programmation de la régulation Klinger-Sogefiltres, Bruxelles, Belgique, fourniture joints étanchéités Masonelian, Bruxelles, Belgique, fourniture et étalonnage vanne régulation Speck Pompen, Aalter, Belgique, fourniture pompe haute pression alimentation générateur Risterm, Villers le Bouillet, Belgique, fourniture vanne éclatement

Présentation du prototype (Partie T.P.)

Présentation du prototype (Partie T.P.) Générateur de vapeur électrique : fourniture vapeur à 60 bars Capacité du réacteur : 50 litres Pression maximale du réacteur : 51 bars Température maximale : 280°C Détente de la vapeur brutale => Steam explosion Détente de la vapeur progressive => Vapocraquage Récupération des produits après traitement dans le réacteur et l’éclateur

Merci de votre attention Nicolas Jacquet

Références Bibliographiques Jacquet, N., Vanderghem, C., Blecker, C., Paquot, M., 2010. La steam explosion : Application en tant que prétraitement et effet sur la matière lignocellulosique.. BASE. 14(S2), 561-566 Jacquet, N., Quiévy, N., Vanderghem, C.,  Janas, S., Blecker,, C., Wathelet, B., Devaux, J. Paquot, M., 2011. Influence of steam explosion  on the thermal stability of  cellulose  fibres. Polym Degrad Stab. 96, 1582-1588. T. Jeoh. 1998. Steam Explosion Pretreatment of Cotton Gin Waste for Fuel Ethanol Production. Master of Science Thesis, Faculty of theVirginia Polytechnic Institute and State University. J. Li, G. Henriksson, G.Gellerstedt. 2007. Lignin depolymerization/repolymerization and its critical role for delignification of aspen wood by steam explosion. Bioresource Technology 98 (2007) 3061–3068 J. Li, G. Gellerstedt, K. Toven. 2009. Steam explosion lignins; their extraction, structure and potential as feedstockfor biodiesel and chemicals. Bioresource Technology 100 (2009) 2556–2561 C. Bonini, M. D’Auria, P. Di Maggio, R. Ferri. 2008. Characterization and degradation of lignin from steam explosion of pine and corn stalk of lignin: The role of superoxide ion and ozone. industrial crops and products 27 (2008) 182–188

Références Bibliographiques V. Bohusla. 1998. Steam Explosion Pulping, Environmentally Friendly Technologies for the Pulp and Paper Industry. 191-214 Nicolas Lopes Ferreira. 2008. Valorisation des ressources renouvelables : de la production d'éthanol au développement de nouveaux bioproduits. Journal de la Société de Biologie, 202 (3),191-199 http://www.sunopta.com/bioprocess/process_development.aspx http://www.gipt.net