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SIMULATION DE PROCÉDÉS ET ACV
ENVIRONNEMENTALE
Eco-conception d’un procédé de fractionnement de micro-algues
Rémi Julio
Congrès [avniR]
Lille, 8-9 Novembre 2016
1/18
PLAN
1. CONTEXTE MONDIAL
2. PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE
3. ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES
4. MÉTHODOLOGIE
5. RÉSULTATS
6. FUTURS TRAVAUX
7. CONCLUSIONS
2/18
CONTEXTE MONDIAL
Epuisement des ressources fossiles
Dérèglement climatique
Singh et Olsen, 2011. A critical review of biochemical
conversion, sustainability and life cycle assessment of
algal biofuels.
3/18
CONTEXTE MONDIAL
Epuisement des ressources fossiles
Dérèglement climatique
Production de carburants à partir de biomasses
Singh et Olsen, 2011. A critical review of biochemical
conversion, sustainability and life cycle assessment of
algal biofuels.
3/18
CONTEXTE MONDIAL
Epuisement des ressources fossiles
Dérèglement climatique
Production de carburants à partir de biomasses
Première génération (cultures vivrières): problèmes de prix, d’utilisation
de terres arables, d’utilisation intensive de pesticides et fertilisants.
Deuxième génération (cultures cellulosiques): problèmes de rentabilité,
barrières technologiques, et de réseaux de collecte de matériaux.
Troisième génération (biomasse algale)
Singh et Olsen, 2011. A critical review of biochemical
conversion, sustainability and life cycle assessment of
algal biofuels.
3/18
Biocarburants à partir de micro-algues
CONTEXTE MONDIAL
Zheng et al., 2011. Disruption of Chlorella vulgaris cells for the
release of biodiesel producing lipids: a comparison of grinding,
ultrasonication, bead milling, enzymatic lysis and microwaves.
4/18
Biocarburants à partir de micro-algues
Pas de conflit avec la production de nourriture, pas de déforestation
Faible utilisation de terres: 18 m2 an/kg biodiesel soja, 0,1 algue
Traitement des eaux usées: traitement du N et P
Captage CO2 pendant la croissance: 1,83g de CO2 pour 1g d’algue
Contenu important en lipide : production de biodiesel
CONTEXTE MONDIAL
Zheng et al., 2011. Disruption of Chlorella vulgaris cells for the
release of biodiesel producing lipids: a comparison of grinding,
ultrasonication, bead milling, enzymatic lysis and microwaves.
4/18
Biocarburants à partir de micro-algues
CONTEXTE MONDIAL
Pas de conflit avec la production de nourriture, pas de déforestation
Faible utilisation de terres: 18 m2 an/kg biodiesel soja, 0,1 algue
Traitement des eaux usées: traitement du N et P
Captage CO2 pendant la croissance: 1,83g de CO2 pour 1g d’algue
Contenu important en lipide : production de biodiesel
Procédés d’extraction non optimisés
Importants coûts de production
Zheng et al., 2011. Disruption of Chlorella vulgaris cells for the
release of biodiesel producing lipids: a comparison of grinding,
ultrasonication, bead milling, enzymatic lysis and microwaves.
4/18
Biocarburants à partir de micro-algues
CONTEXTE MONDIAL
Pas de conflit avec la production de nourriture, pas de déforestation
Faible utilisation de terres: 18 m2 an/kg biodiesel soja, 0,1 algue
Traitement des eaux usées: traitement du N et P
Captage CO2 pendant la croissance: 1,83g de CO2 pour 1g d’algue
Contenu important en lipide : production de biodiesel
Procédés d’extraction non optimisés
Importants coûts de production
Valorisation des principaux constituants des micro-algues
Zheng et al., 2011. Disruption of Chlorella vulgaris cells for the
release of biodiesel producing lipids: a comparison of grinding,
ultrasonication, bead milling, enzymatic lysis and microwaves.
4/18
PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE
Lipids
Proteins
Carbohydrates
Pigments
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
Microalgue
Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,
processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.
Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)
Lipides 14-22 %
Proteines 48-58 %
Carbohydrates 8-17 %
Pigments 2-3 % 5/18
PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE
Lipids
Proteins
Carbohydrates
Pigments
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
Microalgue
Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,
processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.
Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)
Lipides 14-22 %
Proteines 48-58 %
Carbohydrates 8-17 %
Pigments 2-3 % 5/18
PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE
Lipids
Proteins
Carbohydrates
Pigments
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
Microalgue
Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,
processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.
Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)
Lipides 14-22 %
Proteines 48-58 %
Carbohydrates 8-17 %
Pigments 2-3 % 5/18
PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE
Lipids
Proteins
Carbohydrates
Pigments
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
Microalgue
Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,
processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.
Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)
Lipides 14-22 %
Proteines 48-58 %
Carbohydrates 8-17 %
Pigments 2-3 % 5/18
PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE
Lipids
Proteins
Carbohydrates
Pigments
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints
Microalgue
Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,
processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.
Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)
Lipides 14-22 %
Proteines 48-58 %
Carbohydrates 8-17 %
Pigments 2-3 % 5/18
ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES
Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration
6/18
ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES
Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration
Rupture cellulaire
Fractions d’intérêt
libérés en phase
liquide
6/18
ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES
Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration
Rupture cellulaire
Fractions d’intérêt
libérés en phase
liquide
Elimination de
la phase solide
Récupération
de la phase
liquide enrichie6/18
ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES
Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration
Rupture cellulaire
Fractions d’intérêt
libérés en phase
liquide
Elimination de
la phase solide
Récupération
de la phase
liquide enrichie
Extraction
liquide-liquide
Récupération
des lipides
6/18
ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES
Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration
Rupture cellulaire
Fractions d’intérêt
libérés en phase
liquide
Elimination de
la phase solide
Récupération
de la phase
liquide enrichie
Extraction
liquide-liquide
Récupération
des lipides
Séparation des
protéines,
polysaccharides
et pigments
6/18
ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES
Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration
6/18
Procédés non conçus
Opérations consommatrices en eau et énergie
Conditions opératoires non optimales
ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES
Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration
6/18
OPPORTUNITE D’ECO-CONCEPTION
PROBLEMATIQUE
Etudier la durabilité de technologies émergeantes
7/18
PROBLEMATIQUE
Etudier la durabilité de technologies émergeantes
Outil de prédilection: ACV environnementale
7/18
PROBLEMATIQUE
Etudier la durabilité de technologies émergeantes
Outil de prédilection: ACV environnementale
Etape clé: analyse de l’inventaire
> Données moyennes
> Validité, fiabilité
> Données inexistantes
7/18
PROBLEMATIQUE
Etudier la durabilité de technologies émergeantes
Outil de prédilection: ACV environnementale
Etape clé: analyse de l’inventaire
> Données moyennes
> Validité, fiabilité
> Données inexistantes
Alternative: utilisation de simulateurs de procédés7/18
METHODOLOGIE
8/18
Unit Operation 1
Unit Operation 2
Unit Operation 3
InputsInputs
OutputsOutputs
InputsInputs InputsInputs
OutputsOutputs OutputsOutputs
Unit Operation 1
Unit Operation 1Operating
parameters
Input and output data
Environmental LCA
Jacquemin et al., 2012. Life cycle assessment (LCA)
applied to the process industry: a review.
METHODOLOGIE
8/18
Meilleure compréhension des opérations unitaires
Unit Operation 1
Unit Operation 2
Unit Operation 3
InputsInputs
OutputsOutputs
InputsInputs InputsInputs
OutputsOutputs OutputsOutputs
Unit Operation 1
Unit Operation 1Operating
parameters
Input and output data
Environmental LCA
Jacquemin et al., 2012. Life cycle assessment (LCA)
applied to the process industry: a review.
METHODOLOGIE
8/18
Meilleure compréhension des opérations unitaires
> Influence des conditions opératoires sur les impacts environnementaux
Unit Operation 1
Unit Operation 2
Unit Operation 3
InputsInputs
OutputsOutputs
InputsInputs InputsInputs
OutputsOutputs OutputsOutputs
Unit Operation 1
Unit Operation 1Operating
parameters
Input and output data
Environmental LCA
Jacquemin et al., 2012. Life cycle assessment (LCA)
applied to the process industry: a review.
METHODOLOGIE
8/18
Meilleure compréhension des opérations unitaires
> Influence des conditions opératoires sur les impacts environnementaux
> Séquences d’opérations unitaires alternatives
Unit Operation 1
Unit Operation 2
Unit Operation 3
InputsInputs
OutputsOutputs
InputsInputs InputsInputs
OutputsOutputs OutputsOutputs
Unit Operation 1
Unit Operation 1Operating
parameters
Input and output data
Environmental LCA
Jacquemin et al., 2012. Life cycle assessment (LCA)
applied to the process industry: a review.
Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues
RESULTATS
9/18
Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues
RESULTATS
9/18
Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues
RESULTATS
9/18
Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues
RESULTATS
9/18
d : bowl diameter (m)
p : density of particle (kg/m3)
f : density of fluid (kg/m3)
g : acceleration (m/s2)
: solution viscosity (cp)
time : time (min)
Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues
RESULTATS
9/18
d : bowl diameter (m)
p : density of particle (kg/m3)
f : density of fluid (kg/m3)
g : acceleration (m/s2)
: solution viscosity (cp)
time : time (min)
Bilans matières et énergie
RESULTATS
10/18
Analyse de Cycle de Vie environnementale
UF: Fractionner 1kg de Chlorella vulgaris (8,75% matière sèche)
Limites du systèmeAnalyse « gate to gate »
Transports et infrastructures exclus
DonnéesSimulation de procédés
Ecoinvent 3.1
Obtenus à partir d’expériences et de la littérature
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%
Procédé de fractionnement : contribution des OU. Méthode: ReCiPe Midpoint (H) V 1.12 / Characterization
Ultrafiltration
Extraction
Centrifugation
Broyage
RESULTATS
11/18
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%
Procédé de fractionnement : contribution des OU. Méthode: ReCiPe Midpoint (H) V 1.12 / Characterization
Ultrafiltration
Extraction
Centrifugation
Broyage
RESULTATS
12/18
Modèle utilisé pour le broyage:
RESULTATS
13/18
Modèle utilisé pour le broyage:
Temps: 4 heures
Taux de remplissage: 60%
RESULTATS
13/18
Modèle utilisé pour le broyage:
Temps: 4 heures
Taux de remplissage: 60%
Nouvelle simulation: 3 heures, à 80%
RESULTATS
13/18
Comparaison des rendements d’extraction
Broyage 1: 4h, 60% ; Broyage 2: 3h, 80%
RESULTATS
14/18
Broyage 1 Broyage 2
Protéines 49.6 % 50.9 %
Lipides 41.8 % 42.9 %
Carbohydrates 24.2 % 26.8 %
Pigments 23.4 % 24.0 %
Comparaison des scores d’impacts environnementaux
Broyage 1: 4h, 60% ; Broyage 2: 3h, 80%
RESULTATS
15/18
0,
0,
0,
0,1
0,1
0,1
0,1
ReCiPe Midpoint (H) V1.12 / Normalization
Bead milling Bead milling 2
FUTURS TRAVAUX
Optimisation complète du procédé
ACV « cradle to grave »
Coût du cycle de vie (CCV)
Optimisation multiobjectifs & aide à la décision
Validation de la méthode avec d’autres cas
d’études:
Extraction d’hémicelluloses à partir de paille et son de blé
Bioraffinerie du bois
16/18
CONCLUSIONS
Approche d’éco-conception
Etude de l’influence des conditions opératoires
Optimiser les performances techniques, économiques
et environnementales
MAIS
Compétences en génie des procédés et informatique
Développement de modèles fiables17/18