Lignin depolymerisation in oxidising conditions : from batch to continuous reactor

Dépolymérisation de lignines en conditions oxydantes : du réacteur batch au réacteur continu

• Auteur / Autrice : Antonio Hernández Mañas
• Direction : Laurent Djakovitch, Pascal Fongarland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés catalytiques
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Micheline Draye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Djakovitch, Pascal Fongarland, Karine de Oliveira Vigier, Capucine Dupont, Georgeta Postole
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine de Oliveira Vigier, Capucine Dupont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés aromatiques

Catalyseurs au cuivre

Dépolymérisation réductrice

Lignine

Mots clés libres

Lignine

Oxydation

Dépolymérisation

Batch

Continu

Catalyse hétérogène

CuO/TiO2

Lignin

Oxidation

Depolymerization

Batch

Continuous

Heterogeneous catalysis

CuO/TiO2

Résumé

Ce travail est basé sur la dépolymérisation de la lignine dans des conditions oxydants. La réaction a été optimisée par catalyse hétérogène en employant un catalyseur à base de cuivre (CuO/TiO2). Au cours du développement de ce projet, plusieurs aspects de la réaction non-catalytique et catalytique ont été étudiés dans un réacteur batch et dans un réacteur continu. Les études en réacteur batch ont montré l'influence de plusieurs limitations qui peuvent affecter les rendements en composés aromatiques et la conversion de la lignine, comme la suroxydation des composés aromatiques, les réactions de condensation et la solubilité de la lignine en milieu basique. De plus, il a été démontré que la catalyse de cette réaction peut être affectée par des limitations de diffusion interne de la lignine et les composés aromatiques dans le catalyseur. L'influence des différents bois d'origine et de la méthode d’extraction de la pâte à papier sur la structure de la lignine a été analysée, ainsi que l'influence de ces aspects structurels sur la performance de l'oxydation. Il a été observé que les lignines Hardwood et Herbacés présentent un poids moléculaire significativement plus faible, ce qui la rend plus réactive à l'oxydation. D'autre part, le fait que les lignines des bois résineux (Softwoods) présentent une teneur plus élevée en liaisons β-O-4 augmente les rendements en aromatiques. Finalement, le développement de la réaction en réacteur continu a montré que la production optimale de composés aromatiques était obtenue avec des valeurs de temps de séjour faibles, tout en maximisant le temps de contact. Un tel réacteur a montré l'avantage de réduire l'effet des réactions de condensation, mais augmente de manière importante la dégradation des composés aromatiques.

This work is based in the lignin depolymerization under oxidative conditions. The reaction was optimized with heterogeneous catalysis by employing a non-noble metal catalyst (CuO/TiO2). During the development of this project, several aspects of the non-catalytic and catalytic reaction were elucidated in batch and continuous reactor. The studies in batch reactor showed the influence of several limitations that can affect the yields in aromatic compounds and the conversion of lignin, like the over-oxidation of the aromatic compounds, the condensation reactions and the solubility of lignin in basic medium. Additionally, it was showed that the catalysis of this reaction can be affected by the limitations in the internal diffusion of lignin and the aromatic compounds into the catalyst. The influence of the different woods of origin and pulping method in the structure of lignin were elucidated, and the influence of this structural aspects in the performance of the oxidation. It was observed that hardwood and herbaceous lignin present a significantly lower molecular weight, what makes then more reactive to the oxidation. On the other hand, the fact that that softwood lignins present higher content in β-O-4 increases the aromatics yields. Finally the development of the reaction in continuous reactor showed that the optimal production of aromatic compounds were obtained at low residence time values, while maximizing the contact time. Such reactor showed the advantage of reducing the effect of the condensation reactions, but increases in an important way the degradation of the aromatic compounds.