Production de bioéthanol à partir d'une biomasse lignocellulosique multi-ressources locale par prétraitement Organosolv et hydrolyse enzymatique

Production of bioethanol from local multi-resource lignocellulosic biomass by Organosolv pretreatment and enzymatic hydrolysis

• Auteur / Autrice : Maarouf Abdou Alio
• Direction : Christophe Vial
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 06/10/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Claude-Gilles Dussap
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Brosse, Séverine Louesdon, Agnès Pons
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Molina-Jouve, Nicolas Brosse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioéthanol

Mots clés libres

Bioéthanol lignocellulosique

Cellulose

Hémicelluloses

Lignine

Prétraitement par Organosolv

Hydrolyse enzymatique

Fermentation

Modélisation et simulation du bioraffinage

Bioraffinerie intégrée

Lignocellulosic bioethanol

Cellulose

Hémicelluloses

Lignin

Organosolv pretreatment

Enzymatic hydrolysis

Fermentation

Biorefinery modeling and simulation

Integrated biorefinery

Résumé

Dans un contexte de transition énergétique et de lutte contre le dérèglement climatique, la production de bioéthanol de 2ème génération est reconnue comme une voie prometteuse pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles. Mon travail de thèse a porté sur l’étude de faisabilité de la production de bioéthanol de 2ème génération à partir d’un substrat végétal de type « déchet bois », constitué de sciure récupérée auprès d’une scierie locale. Cette sciure est un mélange de quatre espèces de bois de types résineux, représentatives des essences locales. L’analyse chimique de ce déchet a montré qu’il contient environ 70% (g/g) de source potentielle de sucres sous forme de cellulose et d’hémicelluloses exploitables pour la production d’éthanol de 2ème génération par voie biochimique qui fait intervenir trois étapes clés : une étape de prétraitement, une d’hydrolyse enzymatique ou chimique, enfin, une étape de fermentation.L’étape de prétraitement choisie dans ce travail repose sur une méthode Organosolv avec chauffage par micro-ondes. Ce procédé utilise un solvant organique pur ou dilué, additionné d’un catalyseur pour éliminer la lignine tout en favorisant la récupération de la cellulose et des hémicelluloses et en limitant la formation d’inhibiteurs. La lignine, coproduit du fractionnement, peut être valorisée par ailleurs. Des paramètres tels que la concentration en acide sulfurique (H2SO4) en qualité de catalyseur, le rapport éthanol/eau dans le solvant d’extraction, la température et la pression de traitement appliquées ont été étudiés pour optimiser le fractionnement du bois, le rendement et la pureté de la cellulose, la récupération de la lignine et l’absence de formation d’inhibiteurs. Pour le prétraitement, les conditions optimales qui ont été obtenues expérimentalement sur la sciure sont les suivantes : un rapport éthanol/eau de 60/40 avec 0,25% de H2SO4 pour une extraction d’une heure à 175 °C. Ces conditions ont permis d’éliminer 50% de la lignine tout en préservant 82 ± 3% de la cellulose initiale avec une pureté de 71 ± 3%. Ensuite, l’hydrolyse enzymatique du substrat prétraité a été conduite dans des conditions optimales par un cocktail d’enzymes Cellic® Ctec2, (Novozymes, Danemark) à 50 °C et sous agitation (180trs/min), ce qui a permis d’atteindre un taux de conversion de la cellulose en glucose de 80% après 12 jours. Enfin, après enrichissement de l’hydrolysat obtenu, la fermentation de celui-ci par une souche de Saccharomyces cerevisiae a conduit à l’obtention d’un rendement de fermentation alcoolique proche de 80% du rendement théorique, ce qui semble cohérent avec l’absence d’inhibiteurs observée durant les différentes étapes.Les simulations de procédé à l’échelle de la bioraffinerie ont montré que 70 088 tonnes/an de biomasse humide pouvaient être converties en 11 400 tonnes/an d’éthanol en minimisant les besoins en eau et en éthanol (respectivement 4,8 litres d’eau par litre d’éthanol et 99% de taux de récupération de l’éthanol), au prix de besoins plus élevés en énergie (respectivement 10,9 and 8,6 kWh/L d’éthanol pour les utilités chaudes et froides) que pour les prétraitements en phase aqueuse.

In a context of energy transition and the fight against climate change,2nd generation bioethanol production is recognized as a promising way to reduce our dependence on fossil fuels.The objective of this study is to analyze the feasibility of 2nd generation bioethanol production from a "wood waste" type of wood substrate, consisting of sawdust obtained from a local sawmill. This sawdust is a mixture of four types of softwood species, representative of local species. Chemical analysis of this waste has shown that it contains approximately 70% (g/g) of potential sugar source in the form of cellulose and hemicelluloses exploitable for the production of 2nd generation ethanol by biochemical route, which involves three key stages: a pretreatment stage, an enzymatic or chemical hydrolysis, and finally a fermentation stage. The pretreatment step selected in this work is based on an Organosolv method. This process uses a pure or diluted organic solvent, added with a catalyst to remove lignin while promoting the recovery of cellulose and hemicelluloses and limiting the formation of inhibitors. Lignin as a coproduct of fractionation can be valued elsewhere. Parameters such as the concentration of sulfuric acid (H2SO4) as a catalyst, the ethanol/water ratio in the extraction solvent, the treatment temperature, and the applied pressure were studied to optimize the fractionation of the wood, the yield and the purity of the cellulose, the recovery of the lignin and the absence of formation of inhibitors. For the pretreatment, the optimal conditions obtained experimentally on sawdust are as follows: an ethanol/ water ratio of 60/40 with 0.25% H2SO4 for one hour extraction at 175 °C. These conditions made it possible to eliminate 50% of the lignin while preserving 82 ± 3% of the initial cellulose with a purity of 71 ± 3%. Next, the enzymatic hydrolysis of the pretreated substrate under the optimal conditions by an enzyme cocktail (CellicR© Ctec2, Novozymes, Denmark) at 50 °C with shaking (180 rpm) achieved a conversion of cellulose to glucose of 80% after 12 days. Finally, fermentation of the glucosidic hydrolyzate by a strain of Saccharomyces cerevisiae led to obtaining an alcoholic fermentation yield close to 80% of the theoretical yield, which seems consistent with the absence of inhibiting compounds observed during the fermentation step. Process simulations at the biorefinery scale showed that que 70,088 tons/year of wet biomass could be converted into 11,400 tons/year of ethanol, enhancing water and ethanol savings (4.8 L water per L ethanol, and 99% ethanol recovery, respectively), at the expense of higher energy requitements (10.9 and 8.6 kWh/L ethanol for hot and cold utilities, respectively) than in pretreatments in aqueous phase.