Étude du bioraffinage de bois de feuillus en amont du procédé papetier kraft : influence des conditions d'extraction et de purification sur la production de molécules cibles

Study of hardwood biorefinery prior to the kraft paper process : influence of extraction and purification conditions on the production of target molecules

• Auteur / Autrice : Nicolas Beaufils
• Direction : Pierre-Yves Pontalier, Laure Candy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Agroressources
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• 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 : Dominique Lachenal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Yves Pontalier, Laure Candy, Dominique Lachenal, Hélène Carrère, Patrice Bacchin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Grelier, Laurence Muhr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phénols

Bois durs

Purification

Hémicellulose

Mots clés libres

Bois de feuillus

Bioraffinerie

Eau subcritique

Hémicelluloses

Composés phénoliques

Purification

Hardwoods

Biorefinery

Subcritical water

Hemicelluloses

Phenolic compounds

Purification

Résumé

Les procédés de production de pâte à papier, tels qu’ils ont été optimisés, visent à la valorisation du bois en éliminant toutes les impuretés qui sont rattachées aux fibres de la cellulose. Depuis quelques années la rentabilité de ces industries a fortement diminué. Elles recherchent donc de nouveaux débouchés pour leurs co-produits. Jusqu’à présent les fractions non cellulosiques ont été valorisées sous forme énergétique par combustion. Or, ces molécules peuvent trouver des débouchés dans divers secteurs, générant ainsi une nouvelle source de revenus pour ces sociétés. C’est dans ce contexte que la société Fibre Excellence lancé un projet visant à produire de la cellulose haute pureté conjointement à d’autres molécules pouvant être issues des bois de feuillus, notamment les sucres en C5 (Xylose) et C6 (glucose) et les fractions phénoliques coextraites. La thèse s’inscrit dans le projet et vise à étudier l’extraction et la purification des composés phénoliques extraits dans des conditions utilisant l’eau subcritique comme solvant d’extraction. Suite à la caractérisation physico-chimique des 4 essences de bois de feuillus du massif pyrénéen (peuplier, hêtre, chêne et châtaignier), leur extraction en conditions eau subcritique a été optimisée en fonction de différentes conditions opératoires (temps, température, ratio L/S) et pour différents procédés d’extraction allant de l’échelle laboratoire à l’échelle pilote. C’est sous l’action de l’eau chaude pressurisée que l’extraction des composés phénoliques (ex : tannins/lignines) et des polysaccharides (hémicelluloses) a été réalisée. Il a été montré que les rendements d’extraction différaient en fonction de la morphologie de l’essence de bois traitée quel que soit le procédé, avec la mise en évidence de limitations par des phénomènes de transfert de matière selon le procédé étudié. De plus, il a été démontré la possibilité d’extraire des composés phénoliques en amont des hémicelluloses. Enfin, la purification d’extraits riches en composés phénoliques a été étudiée en ultrafiltration et en chromatographie échangeuse d’ion ce qui a permis de séparer différentes fractions phénoliques mais aussi l’acide gallique et l’acide ellagique, molécules à haute valeur ajoutée

The pulp production processes, in their optimized form, aim to recover wood by removing all impurities that are attached to cellulose fibres. In recent years, the profitability of these industries has fallen sharply. They are therefore looking for new outlets for their co-products. Until now, noncellulosic fractions have been recovered in energy form by combustion. However, these molecules can find outlets in various sectors, generating a new source of revenue for these companies. It is in this context that Fibre Excellence launched a project to produce high-purity cellulose in association with other molecules that can be obtained from hardwoods, in particular C5 (Xylose) and C6 (glucose) sugars and co-extracted phenolic fractions. The thesis is part of the project and aims to study the extraction and purification of extracted phenolic compounds using subcritical water as an extraction solvent. Following the physico-chemical characterization of the four hardwood species of the Pyrenees (poplar, beech, oak and chestnut), their extraction under subcritical water conditions was optimized according to different operating conditions (time, temperature, L/S ratio) and for different extraction processes ranging from laboratory to pilot scale. It is under the action of pressurized hot water that the extraction of phenolic compounds (e.g. tannins/lignins) and polysaccharides (hemicelluloses) was carried out. It has been shown that extraction yields differ according to the morphology of the treated wood species regardless of the process, with limitations highlighted by mass transfer phenomena depending on the process under study. Furthermore, the possibility of extracting phenolic compounds prior to hemicelluloses has been demonstrated. Finally, the purification of extracts rich in phenolic compounds was studied in ultrafiltration and ion-exchange chromatography, which made it possible to separate different phenolic fractions but also gallic acid and ellagic acid, molecules with high added value