Caractérisation du traitement thermique de la lignine pour la bioraffinerie

Characterization of lignin thermal processing in a biorefinery perspective

• Auteur / Autrice : Binod Shrestha
• Direction : Sandrine Hoppe, Dimitrios Meimaroglou, Anthony Dufour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 18/01/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Brosse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Hoppe, Nicolas Brosse, Véronique Bounor-Legaré, Roger Gadiou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Bounor-Legaré, Roger Gadiou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Décomposition (chimie)

Pyrolyse

Extrusion

Traitement thermochimique

Lignine

Mots clés libres

Pyrolyse

Liquéfaction

Dissolution

Extrusion

Rhéologie

Ramollissement

Lignine

Pyrolysis

Liquefaction

Extrusion

Dissolution

Rheology

Softening

Lignin

Résumé

La conversion thermochimique de la lignine est un aspect important de la bioraffinerie lignocellulosique avec pour objectif la production de fibres de carbone, d’additifs polymères, de composés aromatiques verts ou de biocarburants. Dans ce travail, la lignine Protobind 1000 a été caractérisée, dans un premier temps, par thermogravimétrie, calorimétrie, rhéologie in-situ, RMN in-situ du proton, RMN ex-situ du carbone et du phosphore. Plusieurs techniques d’analyses (analyse élémentaire, GPC-UV, FTIR et LDI-FTICRMS) ont été utilisées pour comprendre le ramollissement et la pyrolyse de la lignine et un mécanisme physico-chimique global de conversion thermo-chimique de la lignine a été proposé. Après des études préliminaires de rhéologie in-situ à haute température et en mélangeur interne, l’extrusion de la lignine a été réalisée en utilisant une extrudeuse bi-vis (Process 11). La fenêtre de fonctionnement du procédé a été déterminée à partir de l’étude de l'évolution du couple à différents débits (0.1-0.3 kg.h-1) et vitesse de rotation des vis (300-600 rpm) et pour une température du fourreau fixée à 150 °C. Deux profils de vis ont été par ailleurs étudiés pour évaluer l’impact de l’intensité du mélange sur le ramollissement de la lignine. Les extrudâts de lignine obtenus pour différentes conditions d'extrusion ont été caractérisés par FTIR, GPC-UV/ETCS, et RMN 2D du liquide. Ces analyses ont montré qu’aucun changement structurel majeur ne se produit durant l’extrusion à chaud. Enfin, les interactions entre la lignine et différents solvants (eau, éthanol et soude aqueuse) ont été étudiées par rhéologie in-situ, DLS, mesure du potentiel zêta, SAXS et analyse visuelle en temps réel. La liquéfaction de la lignine a ensuite été effectuée en réacteur fermé dans de l'éthanol et les produits de liquéfaction ont été analysés par absorption et fluorescence UV, spectroscopie UV-Raman et GPC

The thermo-chemical conversion of lignin is an important aspect of lignocellulosic biorefinery in order to produce carbon fibers, polymer additives, green aromatics or biofuels. Protobind 1000 lignin was characterized by thermogravimetry, calorimetry, in-situ rheology, in-situ 1H NMR, solution state 13C and 31P NMR. A multiple techniques including elemental analysis, GPC-UV, FTIR, solid-state NMR and LDI-FTICRMS, were performed to understand the softening and pyrolysis of lignin. An overall physical and chemical mechanism of thermo-chemical conversion of lignin has been proposed. A twin screw extrusion of lignin was carried out using Process 11, following the in-situ high temperature rheology and rheomix internal mixing. The operating window was derived from torque evolution at varying throughputs of 0.1-0.3kg.h-1 and rotation speed of 300-600 rpm at barrel temperature of 150°C for two screw configurations. The lignin extrudates obtained at key extrusion conditions were characterized by FTIR, GPC-UV/ELSD, solution state 1H-13C HSQC NMR. The analysis of lignin melts shows no major structural changes concluding twin screw extruder as a hot melt feeder. The lignin characterization in a liquid media i.e. H2O, ethanol and aq. NaOH, were studied by wet rheology, DLS, zeta potential measurement, SAXS and real-time visual analysis. The lignin liquefaction was carried out in ethanol and the liquefaction products were analysed by UV resonance Raman spectroscopy, GPC-UV and UV-Visible absorption and fluorescence spectroscopy. The structural changes undergone by lignin during liquefaction was accounted.