Upload
phamnhi
View
221
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Prétraitements de la biomasse lignocellulosique
Jean-Luc Wertz
9èmes Rencontres de la Biomasse 14 novembre 2012
PLAN1 Transformation de la biomasse en énergie et en matériaux
1.1 La bioraffinerie
1.2 Voie biochimique
1.3 Voie thermochimique
2 Prétraitements
2.1 Prétraitements physiques
2.2 Prétraitements chimiques (p. ex. organosolv)
2.3 Prétraitements physico-chimiques (p. ex. steam explosion)
2.4 Prétraitements biologiques
2.5 Résumé
Définition Bioraffinage
• Le bioraffinage est le processus durable de transformation de la biomasse en:1. bioénergie (biocarburants, électricité,
chaleur) 2. produits biobasés (alimentation, produits
chimiques, matériaux)
• Il vise à optimiser la valorisation de tous les composants de la plante
Raffineries de 1ère et 2ème génération
• 1ère génération: raffinage à partir de biomasse alimentaire (canne à sucre, grains de maïs, huile végétale…)
• 2ème génération: raffinage à partir de biomasse non alimentaire (résidus agricoles et forestiers, déchets municipaux…)
Raffinage du pétrole
Pétrole
Carburants(énergie)
Molécules plateformes
(pétrochimie)
Spécialités(lubrifiants…)
Raffinage de la biomasse
Biomasse
Biocarburants(bioénergie)
Molécules plateformes
(agro-bio chimie)
Spécialités(biolubrifiants…)
Procédés de transformation• Plateforme biochimique (3 étapes clés)
- Prétraitement de la biomasse- Hydrolyse acide ou enzymatique- Fermentation
• Plateforme thermochimique (3 voies primaires)- Combustion- Gazéification- Pyrolyse & traitement hydrothermique
Plateforme biochimique Défis
- Prétraitement de la biomasse- Coût et efficacité des enzymes- Fermentation des sucres C5 and C6 - Valorisation de la lignine
Gazéification + Fischer-Tropsch
- Conversion de la biomasse en gaz de synthèse ou syngas (H2 + CO)
- Conversion du syngas par synthèse Fischer-Tropsch en carburants liquides (BtL)
Synthèse Fischer-Tropsch
Différentes catégories de prétraitement• Procédés physiques: broyage et radiations de haute énergie• Procédés chimiques faisant intervenir:
- l’eau chaude liquide (traitement hydrothermique)- des acides- des bases- des solvants organiques (organosolv)- des agents oxydants- des liquides ioniques
• Procédés thermochimiques:- explosion à la vapeur- prétraitements à l’ammoniac- explosion au CO2- prétraitement mécanique/alcalin- torréfaction
• Procédés biologiques
Traitement hydrothermiquePrétraitement avec de l’eau liquide à haute température et pression
Source: N. Mosier et al., 2005
Traitement hydrothermique
Performance: Forte élimination des hémicelluloses mais formation d’inhibiteur
Pilote de prétraitement hydrothermique chez Inbicon Source: Inbicon
Hydrolyse à l’acide dilué ou concentréAcide dilué
- Procédé continu à haute température (>160°C) pour les basses teneurs en solides
- Procédé batch à basse température (<160°C) pour les hautes teneurs en solides
Performance: Forte élimination des hémicelluloses mais formation d’inhibiteurs
Acide concentréAgents puissants pour l’hydrolyse de la cellulose (les enzymes ne sont pas nécessaires après l’hydrolyse à l’acide fort)
Performance: haut rendement en sucres monomériques mais toxique et corrosif
Hydrolyse alcalineProcédé bien connu dans l’industrie papetière sous le nom de procédé kraft
(ou au sulfate) qui utilise un mélange de NaOH et Na2S pour traiter les copeaux de bois
Le mécanisme du procédé kraft comprend deux étapes:
1. Formation d’une méthylène quinone avec scission d’une liaison éther α-aryle
2. Addition d’un nucléophile à la méthylène quinone avec scission ultérieure de la liaison éther adjacente β-O-4
Performance: Faible élimination des hémicelluloses, forte élimination de la lignine
Extraction de la lignine de la liqueur noire par le procédé LignoBoost
Source: Metso, LignoBoost
1, Précipitation de la lignine en diminuant le pH avec du CO22. Déshydratation3. Redispersion4. Déshydratation5. Lavage
Prétraitement à la chaux: procédé MixAlco
Source: Terrebon, MixAlco
1. Prétraitement avec de la chaux et de l’air2. Fermentation avec des microorganismes qui produisent des acides carboxyliques, transformés en sels par du carbonate de calcium3. Acidification des sels et hydrogénation
Procédés organosolvScission solvolytique des liaisons éther dans la lignine et des liaisons hémicelluloses-lignine; en milieu acide, les liaisons α éther sont particulièrement concernées
Performance: Diminution de la teneur en hémicelluloses et en lignine
R=H ou CH3; B=OH, OCH3…
Quelques procédés organosolv importants
Nom duprocédé
Système solvant
Asam Eau + sulfure alcalin + anthraquinone + méthanol
Organocell Eau + hydroxyde de sodium+ méthanol
Alcell (APR) Eau+ éthanol
Milox Eau + acide formique + peroxyde d’hydrogène (formant de l’acide peroxyformique)
Acetosolv Eau + acide acétique + acide chlorhydrique
Acetocell Eau + acide acétique
Formacell Eau + acide acétique + acide formique
Formosolv Eau + acide formique + acide chlorhydrique
Délignification par des agents oxydants
1. Traitement au peroxyde d’hydrogène
2. Traitement à l’ozone
3. Oxydation humide: traitement à l’oxygène ou à l’air en combinaison avec de l’eau à haute température et pression
Performance: Décristallisation de la cellulose, diminution de la teneur en hémicelluloses et en lignine
Un liquide ionique est un sel à létat liq
Liquides ioniques
Principaux cations et anions dans les liquides ioniques
Performance: Dissolution partielle à complète de la biomasse avec récupération aisée de la cellulose par addition d’un anti-solvant
Un liquide ionique est un sel à l’état liquide
Liquides ioniquesDifferents types d’interaction présents dans les liquides ioniques à base d’imidazolinium
Source: H. Olivier-Bourbigou, 2010
Source: S. Bose et al., 2010
Liquides ioniquesHydrolyse de la cellulose dans un mélange de cellulases et tris-(2-
hydroxyethyl) methyl ammonium methylsufate (HEMA)
+
Explosion à la vapeurPrincipe: traitement de la biomasse avec de la vapeur saturée à haute pression suivi d’une réduction rapide de la pression de la vapeur pour obtenir une décompression explosive
Performance: Forte élimination des hémicelluloses, altération de la lignine, formation d’inhibiteurs
Schéma de l’équipement: 1. valve de chargement; 2. valve d’approvisionnement en vapeur; 3. valve de décharge; 4, valve d’évacuation du condensat
Source: T. Jheo, 1998
Prétraitements à l’ammoniac
1. Explosion à l’ammoniac (AFEX™): la biomasse est exposée à l’ammoniac liquide à haute température et sous pression et ensuite la pression est réduite rapidement
2. Percolation utilisant de l’ammoniaque avec recyclage (ARP): l’ammoniaque (aqueux) passe à travers la biomasse à haute température, après quoi l’ammoniaque est recupéré
Performance AFEX: Forte décristallisation de la cellulose, diminution de la teneur en hémicelluloses et en lignine, absence de formation d’inhibiteurs
Explosion à l’ammoniac (AFEX™)
Reactor Explosion
AmmoniaRecoveryRecovered
AmmoniaAmmonia
vapor
Reactor Expansion
Ammonia Recovery
BiomassTreated
Biomass
Heat
Principe du procédé- La biomasse humide est mise en contact avec de l’ammoniac liquide- La température et la pression sont augmentées- Maintien de la pression et de la température pendant un temps déterminé- La pression est réduite brutalement pour obtenir une explosion- L’ammoniac est recyclé
Source: MBI (Michigan Biotechnology Institute)AFEX™ est une marque de MBI
Glucan conversion for various AFEX treated Feed stocks
SwitchgrassSugarcaneBagasse
DDGS
Rice strawCorn stover
Miscanthus
Conversion de la biomasse pour différentes matières premières avant et après AFEX™
Souce: MBI
Conversion des glucanes après hydrolyse enzymatique
UT: no pretreatment
Explosion au dioxyde de carbone
Du CO2 sous haute pression, et particulièrement du CO2 supercritique, est injecté dans un réacteur contenant de la biomasse, et ensuite libéré par une décompression explosive
Performance: Forte décristallisation de la cellulose, absence de formation d’inhibiteurs
Prétraitement mécanique/alcalin
Prétraitement mécanique continu en présence d’un alcalin
Performance: Faible élimination des hémicelluloses, forte élimination de la lignine
Torréfaction
Chauffage de la biomasse entre 200 et 300 °C sous atmosphère inerte
Objectif : améliorer la qualité de la biomasse en termes de propriétés physiques et de composition chimique
Performance: élimination d’hémicelluloses, absence de formation d’inhibiteurs
Prétraitements biologiquesLes champignons de pourriture blanche sont les plus efficaces pour causer la dégradation de la lignine
Source: L. Goodeve, 2003
Source: R.A. Blanchette, 2006Performance: forte élimination des hémicelluloses et de la lignine, vitesse d’hydrolyse très faible
Prétraitement Décristallisationde la cellulose
Elimination d’hémicelluloses
Elimination de lignine
Formation d’inhibiteurs
Hydrothermique XX altération X
Acide dilué XX altération X
Alcalin X XX
Organosolv X XX
Oxydation X X XX
Liquides ioniques dissolution dissolution dissolution
Explosion à la vapeur XX altération X
Explosion à l’ammoniac (AFEX) X X X
Explosion au CO2 X X
Torréfaction X
Biologique X X
Résumé des principales méthodes
X effet XX effet majeur
Résumé des principales méthodes
1. Tous les principaux prétraitements éliminent partiellement ou totalement les hémicelluloses
2. L’oxydation, l’explosion à l’ammoniac et l’explosion au CO2 réduisent la cristallinité de la cellulose
3. Les prétraitements alcalins, organosolv, oxydants, AFEX et biologiques éliminent partiellement ou totalement la lignine
Résumé des principales méthodes
4 Des inhibiteurs de fermentation sont formés lors du traitement hydrothermique, de l’hydrolyse acide et de l’explosion à la vapeur
5. Le traitement hydrothermique et l’explosion à la vapeur ont un bon rapport coût/efficacité
6. Le traitement biologique a une vitesse d’hydrolyse très lente