Transcript Intérêt des prétraitements pour la méthanisation de la biomasse lignocellulosique

Séminaire Bioénergie Sud, 31 May 2011, Nimes
Intérêt des prétraitements pour la méthanisation de
la biomasse lignocellulosique
Hélène CARRERE, Florian MONLAU , Abdellatif BARAKAT,
Claire DUMAS, Audrey BATTIMELLI, Jean-Philippe STEYER
Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement,
INRA- Narbonne
[email protected]
http://www.montpellier.inra.fr/narbonne
Sommaire
Méthanisation de la biomasse lignocellulosique
Prétraitements de la biomasse lignocellulosique
Impact des prétraitements sur la méthanisation
Méthanisation ou digestion anaérobie
Le gaz des marais,
Volta 1776
Energie renouvelable
Biogaz :
CH4 + CO2
Matière organique
boues
lisiers
résidus agricoles
cultures énergétiques
Déchets urbains
effluents industriels...
Cogénération: chaleur/électricité
Biocarburant
Injection réseau gaz naturel
Microorganismes
O2
Matière organique stabilisée
enrichie en N et P
fertilisant
Principe de la digestion anaérobie
Etape limitante pour la
digestion des solides
matières organiques complexes
(hydrates de carbone,
protéines, lipides)
HYDROLYSE
bactéries hydrolytiques
matières organiques simples
(acides aminés, sucres)
bactéries
acidogènes
ACIDOGENESE
acides organiques,
alcools,…
bactéries
acétogènes
ACETOGENESE
H2, CO2
METHANOGENESE
acétate
bactéries homoacétogènes
méthanogènes
acétoclastes
méthanogènes
hydrogénotrophes
H2O +
méthane
+ CO2
Méthanisation de la biomasse lignocellulosique
Composition des herbacées
cellulose 32-42 %
polymère de glucose
2 structures : amorphe et cristalline (organisée)
hydrolysée par solutions acides à haute température
hémicelluloses 20-40 %
polymères de xylose, mannose, galactose, rhamnose, arabinose
facilement hydrolysable par la chaleur, acides dilués et bases
lignine 10-30 %
hétéropolymère amorphe de 3 alcools phénylpropanes différents
confère à la plante rigidité, imperméabilité et résistance aux attaques
microbiennes
Mosier et al., 2005, Taherzadek and Karimi, 2008
Méthanisation de la biomasse lignocellulosique
Structure de la biomasse
Les sucres biodegradables ne sont pas accessibles aux
microrganismes
Réseau ligneux:
liaisons inter-lignine (β-O-4)
complexes lignine-carbohydrates
Adapté de Murphy et Mc Carthy, 2005
Méthanisation de la biomasse lignocellulosique
Intéret du prétraitement
Rendre les sucres biodégradables accessibles aux
microrganismes
Mosier et al., 2005, adapté de Hsu et al., 1980
Sommaire
Méthanisation de la biomasse lignocellulosique
Prétraitements de la biomasse lignocellulosique
Impact des prétraitements sur la méthanisation
Prétraitements de la biomasse lignocellulosique
Essentiellement étudiés pour la production de bioéthanol 2G
Explosion à la vapeur, liquid hot water
vapeur saturée 160-240°C, 6-34 bar, quelques sec à min
décompression rapide
peut utiliser des catalyseurs acides H2SO4, H2S
hydrolyse des hemicelluloses et dégradation de la lignine
Prétraitement acide dilué
140-200°C, 0.4-4%acide, quelques min
hydrolyse des hemicelluloses
Galbe et Zacchi, 2007, Taherzadek et Karimi, 2008
Prétraitements de la biomasse lignocellulosique
Prétraitements alcalins: soude, chaux…
température plus faible que pour traitement acide,
plusieurs heures/jours
solubilisation de la lignine
Ammonia fiber expansion/explosion AFEX
ammoniac (2kg/kg MS) 90-100°C, > 30 bar, plusieurs min
décompression rapide
Ammonia recycle percolation ARP
ammoniaque aqueux (10-15% m/m) 150-170°C,
recyclage de l’ammoniaque
Galbe et Zacchi, 2007, Taherzadek et Karimi, 2008, Kumar et al., 2009
Prétraitements de la biomasse lignocellulosique
Oxydation
oxydation par voie humide ou peroxyde d’hydrogène
solubilisation de la lignine et hémicelluloses
Organosolv
solvant organique (méthanol, acétone…) avec catalyseurs
inorganiques
solubilisation de la lignine et des hémicelluloses
Prétraitement mécanique : broyage
augmentation de la surface
réduction de la cristallinité de la cellulose
Kumar et al., 2009, Keshwani et Cheng, 2009, Sanchez et Cardona, 2008
Prétraitements de la biomasse lignocellulosique
Procédés biologiques
utilisation d ’enzymes ou de champignons filamenteux
cellulases
xylanases
enzymes lignolotiques : laccases, peroxydases
faibles impacts environnementaux
mais cinétiques lentes
Galbe et Zacchi, 2007
Prétraitements de la biomasse pour le bioéthanol
Augmentation
surface
Réduction
cristallinité
Explosion
vapeur
Acide dilué
++
++
Alteration
structure
lignine
+
++
++
++
AFEX
++
++
+
++
++
ARP
++
++
+
++
++
Chaux
++
+
++
++
Mécanique
++
Oxydation
+
+
++
++
Champignons
+
+
+
++
++ impact positif majeur
D ’après Mosier et al., 2005
Solubilisation Solubilisation
hémicellulose
lignine
+
+ impact positif mineur
Formation
furfural/ HMF
++
++
Impacts sur bioéthanol 2G et méthanisation
Cinétique
méthanisation
Bioéthanol
Potentiel
méthane
Solubilisation lignine
++
++
++
Altération structure lignine
++
++
++
Augmentation surface
++
+/++
++
Solubilisation hémicelluloses
++
o+
++
Réduction cristallinité
++
o/+
++
Solubilisation cellulose
--
o/+
++
Formation furfural, HMF
--
o
-
++ impact positif majeur
+ impact positif mineur
- - impact négatif majeur
- impact négatif mineur
o pas d ’impact
Sommaire
Méthanisation de la biomasse lignocellulosique
Prétraitements de la biomasse lignocellulosique
Impact des prétraitements sur la méthanisation
Prétraitements de la biomasse pour la méthanisation
Prétraitements mécaniques
-1
Référence
Substrat
Prétraitement
Méthanisation
Mshandete
et al, 2006
Résidus fibres
sisal
Broyage 2 mm
Batch, 33 °C
65 j
Hills et Nakano, 1984
Sharma et
al., 1988
Résidus
tomates
Feuilles de
- Mirabilis
- choufleur
Broyage 1.3 mm
Non traité 20 mm
Continu, 35°C
TSH=18j
Batch, 37°C
56 j
Broyage <0.4 mm
Paille de riz
Paille de blé,
Bermuda grass
Palmowski
et al. 2000
Guiot et al,
2009
Feuilles érable,
Tiges fourrage,
Tournesol
Switchgrass
* L CH4.kg-1 MS
Comminution
Broyage
L CH4.kg MO
non
traité
traité
+23%
21.1*
60.3*
+190 %
290
358
241
162
137
339
429
365
249
226
+17%
+20%
+34%
+54%
+65%
Batch, 35°C,
50 j
Batch, 35°C,
38 j
Impact
+15 %
+18%
+19%
125
112
-10%
Prétraitements de la biomasse pour la méthanisation
Prétraitements alcalins
-1
Référence
Substrat
Kivaisi et al,
1994
Bagasse
Fibres coco
Bagasse
Fibres coco
Paille de blé
Pavlostathis
et al, 1985
Hashimoto,
2006
Lehtomaki
et al, 2004
Paille de blé
Fourrage
Feuilles
betteraves
Tiges de maïs
Zheng et al,
2009
Neves et al, Paille d’orge
2005
Azzam
et Bagasse canne
Nasr, 1993 à sucre
²
** L CH4.kg-1 DCO
Prétraitement
1M NH4OH, 25°C, 30 j
1M NaOH, 25°C, 30 j
-1
Méthanisation
Batch, microorganismes
rumen, 7 j
120**
280**
300
383
+27%
230
270
+17 %
310
350
+13%
Batch, 35°C,
25 j
Batch, 35°C
114
215
+89%
25
222
+788%
Semicontinu
55°C,TSH=10 j
72**
637**
+485%
Batch, 35°C,
24 j,
Batch, 55°C
112 j
2% NaOH (w/w) / 20°C / 3 j
-1
4 g CaO.kg MO
200°C, 2 h
Impact
+32%
+46%
+44%
+73%
+133 %
NaOH 1N 0,5 g.g MS
26°C, 24 h
-1
NaOH, 34 g OH .kg MO, 90°C,
1h
4% NaOH (w/w) 25°C, 24h ou
3% Ca(OH)2 + 4% Na2CO3
(w/w) 25°C, 72h
2% NaOH (w/w) 20°C, 24h
30% NaOH (w/w) / 25°C / 12h
L CH4.kg MO
non
traité
traité
Batch, 35°C,
42j
Prétraitements de la biomasse pour la méthanisation
Prétraitements thermiques
-1
Référence
Bauer et al,
2010
Kobayashi
et al. 2004
Kryvoruchko
et al, 2008
Jackowiak
et al., 2011
Substrat
Paille de blé
Chips de
bambou
Pulpe de
tomate
Switch grass
Prétraitement
Explosion vapeur, 170°C,
10 min, 20 bar
Explosion vapeur 243°C,
10 min, 35,3 bar
LHW, 107°C, 15min,
0.4-0.8 bar
LHW, microondes, 150°C
Méthanisation
Batch, 37.5°C
L CH4.kg MO
non
traité Impact
traité
276
361
+31%
Batch, 35°C,
25 j
Batch, 37°C
<5*
215*
332
373
+12%
Batch, 35°C,
42 j
296
320
+8%
* L CH4.kg-1 MS
Prétraitements acides
-1
Référence
Monlau et
al., 2010
Kivaisi et al,
1994
Substrat
Tourteaux
tournesol
Bagasse
Fibres coco
Prétraitement
H2SO4, 1% (w/w), 170°C, 5 min
1M HCl, 25°C, 30 j
Méthanisation
Batch, 35°C,
35 j
Batch, microorganismes
rumen, 7 j
L CH4.kg MO
non
traité Impact
traité
289
195
+48 %
+22%
+76 %
Prétraitements de la biomasse pour la méthanisation
Oxydation
-1
Référence
Substrat
Prétraitement
Méthanisation
Lissens et Biodéchets
al., 2004
OVH 185°C, 12 bar, 15 min
Batch, 55°C
28 j
Uellendahl
et al, 2008
OVH
Batch
Miscanthus
Tiges maïs
L CH4.kg MO
non
traité Impact
traité
345
685
+98 %
200
360
360
360
+80%
0
Prétraitements biologiques
-1
Référence
Substrat
Ghosh et al, Paille de riz
1998
Lehtomaki
et al, 2004
Fourrage
Guiot et al,
2009
Switchgrass
Prétraitement
Méthanisation
L CH4.kg MO
non
traité
traité
Impact
Rot fungi :
- PhanerochaeteChrysosporium Batch, 30°C,
224
- Polyporus ostreiformis
63 j
Rot fungus : Pleurotus ostreatus Batch,
35°C, 230
2Xylanases +2Cellulases, 0.1 %
42 j
328
295
240
280
+46%
+32%
+4%
+22%
Lignine peroxydase
Manganèse peroxydase
202
223
+62%
+78%
Batch, 35°C,
38 j
125
Prétraitements de la biomasse pour la méthanisation
L ’impact du prétraitement dépend de
- la variété de la biomasse et le moment de récolte
- les conditions de méthanisation
batch vs continu
temps de séjour
Les prétraitements peuvent induire
- une augmentation de la production de biogaz
- une augmentation des vitesses de méthanisation
réduction du temps de séjour dans le digesteur
Conclusion
 Les prétraitements de la biomasse peuvent être efficaces pour
augmenter le potentiel méthane et les vitesses de digestion mais
peuvent aussi être inutiles dans certains cas.
Les objectifs principaux doivent être l’altération ou la
solubilisation de la lignine et l’augmentation de la surface.
La solubilisation des hémicelluloses et cellulose impacte les
vitesses de digestion.
Besoin d’essais de digestion en continu pour évaluer les
performances réelles.
Les prétraitements doivent être économiquement viables et
avoir de faibles impacts environnementaux : peu d ’énergie, peu
de produits chimiques, peu d’eau, utilisation de la chaleur générée
par le biogaz.
Merci pour votre attention …
Intérêt des prétraitements pour la méthanisation de
la biomasse lignocellulosique
Hélène CARRERE, Florian MONLAU , Abdellatif BARAKAT,
Claire DUMAS, Jean-Philippe STEYER
Laboratoire de
Biotechnologie de
l’Environnement,
INRA- Narbonne
http://www.montpellier.inra.fr/narbonne