Développement d'un procédé de dégradation enzymatique de la biomasse lignocellulosique mettant en œuvre des moyens thermo-mécano-chimiques

Development of a process for the enzymatic degradation of lignocellulosic biomass using thermo-mechanical-chemical means

• Auteur / Autrice : Monica Fong Lopez
• Direction : Luc Rigal, Virginie Vandenbossche Maréchal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Biologie Santé
• Date : Soutenance le 10/09/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Gourdon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Rigal, Virginie Vandenbossche Maréchal, Eulogio Castro, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eulogio Castro, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse

Bioéthanol

Mots clés libres

Extrusion Bi-vis

Prétraitement alcalin

Bioextrusion

Bioéthanol

Twin screw extrusion

Alkali pretreatment

Bioextrusion

Bioéthanol

Résumé

Le bioéthanol lignocellulosique est potentiellement une source durable de remplacement des combustibles fossiles. Cependant, pour atteindre une phase de commercialisation de cette technologie, des barrières techniques doivent être franchies au niveau de chaque étape de production : prétraitement, saccharification, fermentation et distillation. Un procédé de déconstruction de la biomasse comportant les étapes de prétraitement alcalin, neutralisation, filtration et imprégnation enzymatique dans un extrudeur bi-vis a été développé lors du projet BABETHANOL (2010-2013). L’optimisation de ce procédé est entreprise dans cette étude en utilisant comme matière végétale modèle, le coproduit de maïs doux (CMD). La première partie de cette étude traite sur la diminution du coût relié à l’emploi de produits chimiques lors des étapes de prétraitement alcalin et de neutralisation. Pour cela, plusieurs stratégies ont été étudiées : la modification de l’agent alcalin employé lors de l’étape de prétraitement (NaOH, KOH et Ca(OH)2) et la modification de la température et la concentration en alcalin lors des étapes de prétraitement. Les résultats obtenus montrent la possibilité de diminuer la charge en alcalin avec une augmentation de la température de prétraitement. L’optimisation du prétraitement alcalin a ainsi permis une diminution de la charge en soude et acide employés, ce qui s’est traduit par une diminution de 5 millions d’euros des coûts opératoires annuels du procédé. La deuxième partie de cette étude aborde l’optimisation des étapes d’imprégnation enzymatique en extrudeur bi-vis et d’hydrolyse enzymatique consécutives en réacteur. Premièrement, l’étude s’est focalisée sur l’étude de l’impact de la modification du ratio liquide/solide et de la charge enzymatique appliquées lors de cette étape de bioextrusion. Par la suite, l’implémentation des étapes consécutives de prétraitement – imprégnation enzymatique-saccharification/fermentation consécutives est traitée. De ce fait, une série d’essais ont été menés en couplant l’extrudeur bivis à un réacteur de 22L où la saccharification ou/et la fermentation ont été poursuivies. Au bilan, ces travaux présentent un procédé en continue adaptable à grande échelle, et avec un rendement à échelle laboratoire de 12,7 Kg d’éthanol pour 100Kg de coproduit de maïs doux sec

Lignocellulosic bioethanol is a sustainable alternative to replace fossil fuels. However, technical barriers at each operational step (pretreatment, saccharification, fermentation and distillation) are part of the bottlenecks for its commercialization. A process counting with an alkaline pretreatment, neutralization, filtration and enzymatic impregnation within a twin screw extruder was set up during BABETHANOL project (2010-2013). The optimization of the process was undertaken in the present study with Sweet Corn Coproduct (SCC) as model raw biomass. In the first part of the study, the conditions of the alkaline pretreatment were evaluated in order to diminish the chemical load, thus reducing their economic cost. For this matter, different strategies were employed: the modification of the chemical agent (NaOH, KOH and Ca(OH)2), the temperature and alkali load of the pretreatment. The results indicate that sodium hydroxide exhibits a higher efficiency and a lower cost than potassium hydroxide and calcium hydroxide. An increase of temperature can balance the reduction of chemical input, thus diminishing annual operating costs of the process by 5 million euros. In the second part of the study, the research focuses on the optimal conditions of enzymatic impregnation, also called bioextrusion. Firstly the study the impact of the liquid/solid ratio and the enzymatic load apply during bioextrusion on saccharification at high consistency was carried out. Furthermore, the evaluation of the conditions of the implementation of the consecutive pretreatment- bioextrusion-saccharification/fermentation was performed. For this matter, a series of essays were executed with the whole process set up at lab-scale, i.e. extruder coupled with a 22L reactor. At the outcome, the research work presents a continuous process with the possibility of scale-up that presents a yield of 12.7Kg of ethanol with 100Kg of dry sweet corn coproduct.