Chimie-physique des interactions entre solvants multicomposants et biomasse

par Sonia Milena Aguilera Segura

Thèse de doctorat en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux


  • Résumé

    L'extraction de la cellulose et de la lignine à partir de la biomasse végétale reste un enjeu majeur pour une production plus économique et verte de carburants et de sous-produits lignocellulosiques renouvelables. Bien que l'utilisation de mélanges de solvants ait donné des résultats remarquables dans les processus de fractionnement du bois, la plupart des méthodes actuellement utilisées reposent sur des protocoles empiriques. Comprendre les mécanismes physico-chimiques de la décomposition de la biomasse et ses interactions avec les solvants lors du fractionnement permettra d’améliorer l’efficacité de ces méthodes. Dans cette perspective, cette thèse porte sur la description systématique et détaillée des interactions entre les composantes de la lignocellulose et des mélanges binaires eau-solvant organique (éthanol ou acétonitrile). Nos résultats et leur analyse ont été obtenus principalement avec des simulations de dynamique moléculaire (MD) et étayés par des études supplémentaires basées sur la chimie quantique (théorie de la densité fonctionnelle) et la mécanique quantique (QM) et le schéma mixte mécanique quantique/mécanique classique (QM/MM). Avec ces outils, nous avons d’abord établi un comportement non linéaire des structures avec des solvants mixtes, de leurs propriétés thermodynamiques et de la dureté dynamique, en relation avec leur réactivité globale. L'analyse du nombre moyen de liaisons H avec la composition du liquide montre que les molécules d'alcool ont tendance à se substituer aux molécules d'eau, ce qui permet de compenser la perte de liaisons H dans les domaines solvatés par l'eau. Le rôle des groupements organiques dans les mélanges de solvants sur les changements de conformation induits dans les principaux composantes du bois (cellulose, lignine et hémicellulose) est mis en évidence et leur dépendance vis-à-vis de la composition en solvants distincts est dévoilée pour chaque solvant organique et sa concentration dans l’eau. Cette dépendance est expliquée par les interactions interatomiques préférentielles soluté-solvant en fonction des compositions en solvants. Par la suite, l’évolution des forces d’interaction dans les complexes de lignine-cellulose et de lignine-xylane s’avère également présenter des profils dépendant des solvants. Tout ceci conforte la conclusion générale selon laquelle les actions spécifiques des mélanges de solvants à base d’eau et de composés organiques sur les composantes de la lignocellulose sont des facteurs déterminants dans le comportement non linéaire macroscopique observé dans le gonflement du bois

  • Titre traduit

    Physical chemistry of the interactions between multicomponent solvents and biomass


  • Résumé

    Extraction of cellulose and lignin from plant biomass remains a major issue for enabling more economic and green production of lignocellulosic renewable fuels and byproducts. Although the use of multicomponent solvents has provided remarkable results in wood fractionation processes most of the currently used methods rely on empirically elaborated protocols. Understanding the physicochemical mechanisms of biomass breakdown and its interactions with solvent medium during fractionation will lead to more efficient use of biomass. This defined the focus in this thesis work on a systematic and detailed description of the interactions between ligoncellulose components with binary water-organic mixtures of ethanol and acetonitrile. Our results and their analysis were obtained predominantly with molecular dynamics (MD) simulations, and supported by additional studies of quantum chemical (Density Functional Theory) and mixed quantum mechanical (QM) and classical MD scheme (QM/MM). With these tools we first established a non-linear behavior of the mixed solvent structures, thermodynamic properties and dynamic hardness, as a measure for their global reactivity. The analysis of the average numbers of HBs with the liquid composition shows that alcohol molecules tend to substitute water molecules, allowing compensating for the loss of H-bonds in the water solvent domains. The role of organic component in water solvent mixtures on the conformational changes induced in the main wood components (cellulose, lignin and hemicellulose) is highlighted and their dependence on distinct solvent compositions is unveiled for each organic solvent component and its content in water. This dependence is explained by preferential solute-solvent interatomic interactions as a function of solvent compositions. Subsequently, the evolution of interaction forces in lignin-cellulose and lignin-xylan complexes are also found to have solvent-dependent profiles. All this supports the general conclusion about specific solvent actions on lignocellulose compounds being the driving factors in the observed macroscopic non-linear behavior in wood swelling in mixed water-organic solvents.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Ecole nationale supérieure de chimie. Bibliothèque.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.