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

Prétraitement Organosolv à l’acide
formique/ acide acétique/eau
(CIMV)
Caroline Vanderghem
VALEBIO – 23 mars 2012
Prétraitement CIMV
Matériel lignocellulosique
Solvants
Chauffage
Filtration
Pulpe
Hydrolyse enzymatique
Liqueur noire
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
Preheated reactor
Vapocracking
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 sousstructures 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
T(t)
t
= Facteur de sévérité
= Température du procédé (°C)
= 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
5.33
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