Extraction d'hémicelluloses de fibres cellulosiques de résineux et de feuillus par traitements enzymatiques

Extraction of hemicelluloses from softwood and hardwood cellulosic fibers by enzymatic treatments

• Auteur / Autrice : Jahan Golestani
• Direction : Christine Chirat, Dominique Lachenal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 03/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble, Isère, France ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Roux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Blanca Roncero
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bernard Kurek, Monica Ek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pâte à papier -- Procédé au sulfate

Enzymes -- Applications industrielles

Hémicellulose

Mots clés libres

Hémicelluloses

Traitement enzymatique

Pâte kraft

Hemicelluloses

Enzymatic treatment

Kraft pulp

Résumé

Les hémicelluloses sont de précieuses sources de polysaccharides qui constitue 20 – 30 % du bois. Étant donné que la nature et les quantités d'hémicelluloses varient selon les espèces d'arbres, leur valorisation est difficile. Les pâtes kraft contiennent 15 – 30% d'hémicelluloses. Parmi les différents procédés chimiques pour éliminer les hémicelluloses des pâtes kraft, le plus applicable s’agit l'extraction alcaline à froid, CCE, mais son inconvénient principal est l'utilisation d'énormes quantités de soude. Alternativement, une autre solution pourrait être d'utiliser des procédés enzymatiques qui sont sélectifs et respectueux de l'environnement.La thèse avait pour objectifs d'étudier la performance des traitements enzymatiques afin d’éliminer les hémicelluloses des pâtes kraft blanchie de résineux et de feuillus et de caractériser les oligomères extraits d'hémicellulose. Les meilleurs résultats de l'extraction de l'hémicellulose en utilisant xylanase et mannanase, séparément, sur les pâtes initiales étaient : 14,8% et 22,3% pour la xylanase sur les pâtes de feuillus et de résineux, respectivement, et 1,1% et 7,9% pour la mannanase sur les pâtes de feuillus et de résineux, respectivement. L'extraction proportionnelle des hémicelluloses semble plus facile du bois résineux que du bois feuillu. Le même résultat a été obtenu pour le traitement CCE des pâtes.L'utilisation des deux enzymes, soit de la manière consécutive, soit ajoutée ensemble a mené à une meilleure extraction du xylane de la pâte de résineux, mais aucune influence significative sur l'extraction du mannane. Pour la pâte feuillue, le meilleur résultat a été obtenu lorsque la xylanase et la mannanase ont été ajoutées ensemble, ce qui implique un effet synergique fort. La différence de disposition confirme probablement que les hémicelluloses ont soit des structures différentes dans les deux bois feuillu et résineux et / ou ne présentent pas la même accessibilité aux enzymes.La réalisation d’un traitement CCE après le traitement enzymatique était beaucoup plus efficace que le CCE seul ou le traitement enzymatique seul : le contenu des hémicelluloses dans la pâte de résineux est baissé de 13,7% à 6,2%, et de 24,3% à 7,0% pour la pâte de feuillus. Une explication pourrait être que le traitement enzymatique a diminué le DP des hémicelluloses, les rendant solubilisées plus facilement par le traitement CCE.Concernant la caractérisation des oligosaccharides lancés par les traitements enzymatiques, il a été observé que le traitement de la pâte de feuillus par la xylanase résultait principalement (85% de la masse) à l'extraction d'oligomères courts (degré moyen de polymérisation de 3-4), et dans une moindre mesure (15% de la masse) à une deuxième famille de molécules avec un DP moyen de 15-18. En traitant par la mannanase sur la pâte de résineux, les oligomères lancés avaient un DP moyen de 1 à 3.L'analyse par spectroscopie de masse a montré la libération de composants très divers ; d'oligomères linéaires à non linéaires avec différentes combinaisons de groupes latéraux (groupes acétyle, groupes acide glucuronique, groupes acide méthylglucuronique) sur les xylanes. Des mannanes acétylés peuvent également être trouvés.

Hemicelluloses are valuable sources of polysaccharides constituting 20-30% of wood. Since the nature and quantities of hemicelluloses vary in different tree species, their valorization is challenging. Kraft pulps still contain 15 to 30% of hemicelluloses. Among different chemical processes for removing hemicelluloses from kraft pulps, the most applicable is Cold Caustic Extraction, CCE, but its main disadvantage is the use of huge quantities of caustic soda. Another solution could be to use enzymatic processes which are selective and environmentally-friendly. The objectives of this thesis were to investigate the performance of enzymatic treatments to remove hemicelluloses from bleached kraft hardwood and softwood pulps and to characterize the hemicellulose oligomers extracted. The best results of hemicellulose extraction in single usage of xylanase and mannanase on starting pulps were: 14.8% and 22.3% for xylanase on hardwood and softwood pulps respectively and 1.1% and 7.9% for mannanase on hardwood and softwood pulp respectively. The relative extraction of hemicelluloses seemed easier from softwood than from hardwood pulp. The same result was obtained for CCE treatment of pulps.The use of both enzymes, either in a consecutive way or added together led to overall better xylan extraction from the softwood pulp, but no significant impact on the extraction of mannans. For hardwood pulp, the best result was obtained when xylanase and mannanase were added together, which implies a strong synergistic effect. The difference in arrangements supports probably the fact that the hemicelluloses have either different structures in the two wood species and/or do not show the same accessibility to enzymes.Applying a CCE treatment after the enzymatic treatment was much more efficient than CCE alone or enzymatic treatment alone: the content of hemicelluloses in the softwood pulp dropped from 13.7% to 6.2%, and from 24.3% to 7.0% for the hardwood pulp. One explanation could be that the enzymatic treatment has decreased the DP of hemicelluloses making them more easily solubilized by the CCE treatment. Regarding the characterization of the oligosaccharides released by the enzymatic treatments, it was shown that the xylanase treatment of hardwood pulp, led mainly (85% of the mass) to the extraction of short oligomers (average degree of polymerization of 3-4), and to a minor extent (15% of the mass) to a second family of molecules with an average DP of 15-18. When mannanase was applied on the softwood pulp, the released oligomers had an average DP of 1-3.The mass spectroscopy analysis showed the release of highly diverse components; from linear to non-linear oligomers with different combination of side-groups (acetyl groups, glucuronic acid groups, methylglucuronic acid groups) on xylans. Acetylated mannans could also be found.