Modélisation pour la sélection de solvants pour des applications bioraffinerie

par Gabrielly Miyazaki

Projet de thèse en Energétique et génie des procédés

Sous la direction de Christophe Coquelet, Carlo Adamo et de Céline Houriez.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Energétique et Procédés (laboratoire) , CTP - Centre Thermodynamique des Procédés (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Il existe plusieurs types de procédés pour la conversion de la biomasse : ils peuventêtre de nature thermique, chimique, biotechnologique, etc. Ces procédés permettentde produire de la chaleur, de l'énergie, des combustibles, ou encore des produitschimiques à haute valeur ajoutée, et peuvent être intégrés dans une installationappelée « bioraffinerie ». En fonction du type de matière première utilisée, lesproduits issus de la bioraffinerie peuvent être de différentes natures et des mélangescomplexes contenant de nombreuses familles chimiques peuvent être obtenus.L'extraction liquide-liquide est souvent utilisée comme méthode de séparation de cesproduits chimiques. L'efficacité de l'extraction liquide-liquide repose principalementsur le choix du solvant, dont la sélection aura un effet sur les autres procédés deséparation concernant la régénération du solvant, sur la pureté et la composition desproduits chimiques et, éventuellement, sur les étapes de réaction chimiqueimpliquant le mélange extrait. Dans le domaine du génie chimique, le développementde méthodes de sélection de solvant représente un domaine de recherche très actif,jouant un rôle crucial à la fois sur le plan économique et environnemental. Par conséquent, notre objectif est de développer une méthodologie de modélisationcapable de faciliter la sélection de solvants pour des applications dans labioraffinerie, en particulier l'extraction liquide-liquide de familles chimiques à partir debio-huiles de pyrolyse. Nous nous intéresserons notamment à l'extraction descomposés furaniques et esters par des solvants eutectiques profonds (deep eutecticsolvent, DES). À cette fin, une partie importante de ce projet est dédiée aux modèlesde type COSMO (COSMO-RS/SAC) dans le but d'étendre leur applicabilité auxsolvants complexes à modéliser tels que les DES. Les modèles de type COSMOrelient, de façon statistique, les propriétés chimiques quantiques des molécules(calculées avec l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, DFT) aux propriétés thermodynamiques macroscopiques des solutions (coefficient d'activité,constante de la loi de Henry, solubilité, enthalpie d'excès, VLE, LLE). Alliant simplicitéet efficacité, ces modèles constituent une alternative intéressante aux approchesthéoriques plus traditionnelles pour la modélisation des propriétés des solutions,telles que la dynamique moléculaire, et sont aujourd'hui couramment utilisés par lesingénieurs du génie chimique. Cependant, leur extension aux solvants nonconventionnels peut entraîner des écarts significatifs par rapport à l'expérience,comme pour certains liquides ioniques (jusqu'à 100% sur les coefficients d'activité).Ces écarts sont notamment liés à des phénomènes microscopiques, commel'agrégation moléculaire. Les études de modélisation concernant les DES sontencore rares et non systématiques, de sorte qu'il n'existe aujourd'hui dans lalittérature aucun modèle de type COSMO général et robuste.

  • Titre traduit

    Modeling solvent selection for biorefinery applications


  • Résumé

    Several kinds of processes to convert biomass are available: thermal, chemical,biotechnology processes, just to mention the most relevant. All of these unit operations canbe integrated into a single facility, called “biorefinery”, in order to produce heat, energy, fuelsand value-added chemicals. Biorefinery products can be of different natures, depending onthe type of raw material used, and complex mixtures containing numerous chemical familiescan be obtained. Liquid-liquid extraction is often used as separation method for thesechemicals. The efficiency of the liquid-liquid extraction relies mainly on the choice of thesolvent, whose selection will impact the rest of the separation processes concerning solventregeneration, the purity/composition of the chemical products, and possibly also chemicalreaction steps involving extracted chemicals. In the chemical engineering domain, thedevelopment of solvent selection methods represents a very challenging research field,playing a crucial role both in economic and environmental points of view. In this field, we aimto develop a modeling methodology able to help for solvent selection for biorefineryapplications, i.e. liquid-liquid extraction of chemical families from pyrolysis bio-oils, with aparticular attention to the extraction of furan-type and ester-type molecules by the so-calleddeep eutectic solvents (DESs). To this end, an important part of the this project will befocused on COSMO-type (COSMO-RS/SAC) models, with the aim to extend theirapplicability to challenging solvents such as DESs. These models link, in a statistical way, thequantum chemical properties of molecules (computed using Density Functional Theory, DFT)to the macroscopic thermodynamic properties of solutions (activity coefficient, Henry's lawconstant, solubility, excess enthalpy, VLE, LLE). Combining simplicity with efficiency, suchmodels are valuable alternative to more traditional theoretical approaches for modelingproperties of solutions such as Molecular Dynamics) and they are nowadays routinelyapplied by chemical engineers. However, their extension to unconventional solvents couldlead to significant deviations from experiment as for some ionic liquids (even 100% on theactivity coefficients). These deviations are related to microscopic phenomena, such asmolecular aggregation. Modeling studies concerning DESs are still scarce and not-systematic, so that no general and robust COSMO-type models are nowadays available inliterature.