Amélioration rationnelle des processus de bioraffinage pour la production de bioproduits et de bioénergétique

Rational Improvement of Biorefinery Processes to Bioproducts and Bioenergetics Generation

• Auteur / Autrice : Santiago Rodriguez Valderrama
• Direction : Jean-Pierre Magnin, Carlos Escamilla Alvaro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique,
• Date : Soutenance le 01/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universidad autónoma de Nuevo León
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Bultel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José, Julián Amézquita Garcia, José, Julián Cano Gómez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Barbara Ernst, Fabiola León Galván

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Conversion

Biogaz

Déchets organiques -- Recyclage

Mots clés libres

Bioraffinerie

Déchets organiques

Amélioration

Energetic yield

Biorefinery

Rational improvement

Résumé

Ce projet est divisé en 3 étapes principales d'amélioration : i) évaluation du prétraitement de la biomasse, ii) production d'hydrogène par photofermentation, iii) analyse de la bioraffinerie par la méthodologie d'analyse du cycle de vie.i) Prétraitement : Le prétraitement au péroxyde d'hydrogène alcalin (AHP) a été évalué comme prétraitement des co-substrats. Les effets de la concentration initiale de H2O2, de la concentration initiale de solides et du pH initial sur le prétraitement AHP d'un mélange de déchets de fruits et légumes (FL) et de canne de maïs (CM) (ratio 3:1 FL:CM) ont été évalués. Le principal facteur ayant une influence pertinente sur le traitement AHP du mélange de déchets de fruits et légumes et de cannes de maïs est la concentration initiale de H2O2, suivie par la concentration initiale de solides et le pH initial. Les principaux composés obtenus dans la phase liquide après le prétraitement étaient les suivants : Glucose, xylose, lactate, acétate et formate.ii) Photofermentation partie I : la production d'hydrogène par photofermentation a été évaluée en deux parties principales. Tout d'abord, trois aspects liés à la production de biohydrogène par deux souches de bactéries photosynthétiques Rhodobacter capsulatus DSM155 et B10 ont été analysés : la croissance sur un milieu à un seul acide gras volatil (AGV) ou dans un mélange de ceux-ci (milieu mix-AGV), la production d'hydrogène (milieu à deux AGV) et (milieu à trois AGV, noté 3OA), et l'effet de l'intensité lumineuse sur la production de biohydrogène. Les deux souches se sont développées avec succès dans les milieux à un seul AGV et à un mélange de AGV. De plus, les deux souches ont présenté la production d'hydrogène la plus élevée avec le milieu 3OA, 239.2 mL H2 pour DSM155 et 209.6 mL H2 pour B10. En ce qui concerne l'effet de la lumière, DSM155 a effectivement produit de l'hydrogène de plus en plus dans l'ordre 10, 20, et 30 klx.ii) Photofermentation partie II : Dans la deuxième partie, la production de biohydrogène dans des systèmes pressurisés contenant des composés organiques dans un réacteur pressurisé a été évaluée en utilisant R. capsulatus DSM155. Deux milieux différents ont été évalués, un milieu synthétique (composé de lactate, de butyrate et d'acétate) et un milieu réel provenant de la biofermentation à l'obscurité du saccharose (composé de saccharose, de lactate, de butyrate et d'acétate). Avec les deux milieux, R. capsulatus a pu se développer et atteindre des pressions accumulées de 5.57 bars et 2.68 bars pour le milieu synthétique et le milieu réel, respectivement. La production maximale d'hydrogène était de 486.3 mL pour le milieu synthétique, alors que des valeurs plus faibles de production d'hydrogène étaient de 239.2 mL lorsque la production était évaluée avec le milieu réel.iii) Analyse du cycle de vie des bioraffineries : Cette partie s'est concentrée sur l'évaluation de la performance énergétique et environnementale des modèles de bioraffinerie h-2H-M-F et AHP-H-M-F à partir de déchets organiques comme matières premières au moyen de la méthodologie d'analyse du cycle de vie. L'étude montre dans un premier temps la comparaison entre la production d'hydrogène et de méthane, et la transformation de l'hydrogène et du méthane en électricité.Les quatre scénarios de bioraffinage ont présenté des valeurs favorables de production nette d'énergie de 0,173 kWh/FU, 0,310 kWh/FU, 0,092 kWh/FU et 0,200 kWh/FU pour BL1, BL2, BS1, BS2, respectivement. Le déficit thermique des bioraffineries était de 0,144 kWh, 0,039 kWh, 0,172 kWh et 0,0315 kWh, respectivement pour BL1, BS1, BL2 et BS2. Le développement de l'évaluation environnementale a été basé sur l'analyse de 4 catégories d'impacts : le changement climatique, l'acidification terrestre, l'eutrophisation de l'eau douce et l'épuisement des fossiles. Le prétraitement au peroxyde d'hydrogène alcalin est l'opération unitaire qui a contribué positivement dans toutes les catégories d'impacts

This project was divided in 3 main improvement stages: i) biomass pretreatment evaluation, ii) hydrogen production by photofermentation, iii) biorefinery analysis through life cycle assessment methodology.i) Pretreatment: The Alkaline hydrogen peroxide (AHP) pretreatment was evaluated as co-substratres pretreatment. The effects of the initial H2O2 concentration, the initial solids concentration, and initial pH on the AHP pretreatment of a mixture of fruits and vegetables wastes (FVW) and corn stover (CS) (ratio 3:1 FVW:CS) were evaluated. The main factor with relevant influence on AHP treatment of FVW and CS mixture was the initial H2O2 concentration, followed by the initial solids concentration and the initial pH. The main compounds obtained in the liquid phase after pretreatment were as follows: Glucose, xylose, lactate, acetate and formate.ii) Photofermentation part I: In this section, the hydrogen production by photofermentation was evaluate in two main sections. First, three aspects related to the biohydrogen production by two strains of the photosynthetic bacteria Rhodobacter capsulatus DSM155 and B10 were analyzed (the growth on single-volatile fatty acid (VFA) medium or in a mixture of them (mix-VFA medium), the hydrogen production (two VFA medium) and (three VFA medium), and the light intensity effect on biohydrogen production.Both strains grew successfully in single-VFA and mix-VFA media. During the growth stage to single-VFA carbon sources, the highest cell growth for B10 (1.49 g/L) occurred when the medium contained acetic acid (30 mM), followed by butyric acid; whereas for DSM155, the highest cell growth (1.29 g/L) was also presented for acetic acid medium. In addition, both strains presented the highest hydrogen production with the 3OA medium, 239.2 mL H2 for DSM155 and 209.6 mL H2 for B10. Regarding the light effect, DSM155 effectively produced hydrogen increasingly in the order 10, 20, and 30 klx.ii)Photofermentation part IIIn the second part, the biohydrogen production in pressurized systems containing organic compounds in pressurized reactor was evaluated using R. capsulatus DSM155. Two different media were evaluated, a synthetic one (composed by lactate, butyrate and acetate) and a real one from dark fermentation of sucrose (composed by sucrose, lactate, butyrate and acetate). With the two media, R. capsulatus was able to grow and achieve accumulated pressures of 5.57 bar and 2.68 bar for the synthetic medium and the real medium, respectively. The maximum hydrogen production was 486.3 mL for synthetic medium, whereas lower values of hydrogen production was 239.2 mL was found when production was evaluated with real medium.iii) Biorefinery life cycle assessment: This part was focused on the evaluation the energy and environmental performance of the h·2H·M·F and AHP·H·M·F biorefinery models from organic wastes as raw materials by means of life cycle analysis methodology. The study initially shows the comparison of hydrogen and methane production, and the transformation of hydrogen and methane into electricity and the waste disposal scenario characteristic of Mexico (landfill).The four biorefinery scenarios presented favorable net energy production values of 0.173 kWh/FU, 0.310 kWh/FU, 0.092 kWh/FU, and 0.200 kWh/FU for BL1, BL2, BS1, BS2, respectively. The biorefineries heat deficit were 0.144 kWh, 0.039 kWh, 0.172 kWh, and 0.0315 kWh, for BL1, BS1, BL2, and BS2, respectively. The development of the environmental assessment was based on the analysis of 4 categories of impacts: climate change, terrestrial acidification, freshwater eutrophication and fossil depletion. Alkaline hydrogen peroxide pretreatment was the unit operation that contributed positively in all categories of impacts.