Couplage raffinage, traitements chimiques et enzymatiques pour une meilleure purification et dissolution de la cellulose

Coupling refining, chemical and enzymatic treatments for improved purification and dissolution of cellulose

• Auteur / Autrice : Gloria Ifunanya Ngene
• Direction : Jean-Claude Roux, Dominique Lachenal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 11/03/2022
• 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 : Gérard Mortha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Grelier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Angels Pèlach Serra, Pierre-Yves Pontalier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hémicellulose

Pâte à papier -- Raffinage

Fibres cellulosiques

Énergie

Mots clés libres

Énergie

Cellulose fibres

Raffinage

Chimie de la pâte

Xylane

Enzymes

Enzymes

Pulp chemistry

Energy

Xylan

Cellulose fibere

Mechanical refining

Résumé

Dans cette étude, le raffinage mécanique a été utilisé en association avec une extraction caustique à froid et des traitements à la xylanase. Cela a été fait pour augmenter l'accessibilité des agents chimiques et enzymatiques dans les régions difficiles à atteindre de la fibre pour une extraction plus complète du xylane et améliorer la réactivité de la pâte pour sa dissolution. La première partie a examiné les changements morphologiques résultant du raffinage mécanique avec trois technologies différentes (pile Valley, PFI et raffineur à disques pilote) et l'impact sur l'élimination des hémicelluloses lors de la réalisation des traitements CCE et xylanase. Nous avons trouvé une corrélation entre la modification des fibres induite par le raffinage, soit l'augmentation de la valeur de rétention d'eau (WRV), l’accroissement de la surface spécifique, le raccourcissement des fibres, la génération de fines et les performances CCE. À une concentration de soude de 100 g/L, l'élimination du xylane pour pâte raffinée dans la pile Valley, le PFI et le raffineur à disques était de 84 %, 82 % et 79 %, respectivement. Ceci correspond à 3,3 %, 3,6 % et 4,3 % de xylane résiduel dans la pâte extraite, à partir de 20 % dans la pâte à papier de référence. Environ 50 % de plus de xylane pourrait être extrait de la pâte raffinée par rapport à la pâte non raffinée. En termes de mise à l'échelle, il a été montré que, bien que les performances des raffineurs de laboratoire soient supérieures à celles des raffineurs industriels, la différence était marginale. Par conséquent, les risques associés à la mise à l'échelle seraient minimes dans ce processus. Afin d'améliorer encore les performances d'extraction du CCE, certaines stratégies ont donc été examinées dans la deuxième partie de cette étude. La première consistait à réaliser un raffinage/CCE simultané sur la pile Valley et les raffineurs PFI. La réponse du xylane résiduel dans la pâte au raffinage simultané / CCE était déjà élevée à 60 g/L NaOH, en particulier pour la pile Valley avec une réduction du xylane de 79% et une de 61% pour le PFI contre 68% lorsque le raffinage était effectué avant le CCE. Dans la troisième partie de cette thèse, nous avons étudié l'influence du traitement d'élimination des hémicelluloses sur la réactivité de la pâte résultante.La réactivité des pâtes extraites a été évaluée sur la base du degré de gonflement dans NaOH et d'une solution diluée de cupriéthylène diamine (CUEN), la solubilité dans 8 % de NaOH à -10 °C et la réactivité de Fock. Le résultat obtenu a montré que les stratégies d'élimination des hémicelluloses qui incluaient le raffinage mécanique conduisaient à une meilleure réactivité de la pâte que la pâte non raffinée. Le meilleur résultat a été obtenu avec une pâte raffinée extraite à la soude 6% (pas de cellulose II). De plus, nous avons obtenu une réactivité de Fock allant de 60 à 70 % qui dépassait celle obtenue pour le kraft de préhydrolyse. Les bonnes corrélations trouvées entre le gonflement de la pâte, la solubilité dans la soude caustique et la réactivité de Fock suggèrent que le fastidieux test de Fock pourrait être remplacé par des mesures beaucoup plus simples de gonflement et de solubilité. Dans la dernière partie de cette étude, les xylanes ont été récupérés du traitement des pâtes brutes et raffinées après CCE à des concentrations de 6 % et 10. Le DPn moyen variait de 70 à 177. Le DP du xylane extrait de la pâte à papier après raffinage présentait une valeur plus élevée que pour la pâte non raffinée. Enfin, les résultats montrent que la production de pâte à dissoudre à partir de pâte kraft blanchie de feuillus conventionnelle est réalisable avec l'utilisation des technologies existantes. Cela représente un avantage majeur puisqu'une usine de pâte kraft peut choisir de passer facilement de la pâte à papier à la production de pâte à dissoudre et vice versa, selon les conditions du marché.

In this study, mechanical refining was used in conjunction with cold caustic extraction and xylanase treatments. This was done to increase the accessibility of chemical and enzymatic agents in the hard-to-reach regions of the fiber for more complete xylan extraction and to improve the reactivity of the pulp to dissolution. The first part examined the morphological changes resulting from mechanical refining with three different technologies (Valley beater, PFI and pilot disc refiner) and the impact on the elimination of hemicelluloses when performing CCE and xylanase treatments. We found a correlation between the modification of fibers induced by refining, namely the increase in the water retention value (WRV), the increase in the specific surface, the shortening of fibers, the generation of fines and the CCE performance. At a soda concentration of 100 g/L, the xylan removal for the Valley beater, PFI, and disc refined pulp were 84%, 82%, and 79%, respectively. This corresponds to 3.3%, 3.6%, and 4.3% residual xylan in the extracted pulp, starting from 20% in the reference paper pulp. Roughly, 50% more xylan could be extracted from the refined pulp compared to the unrefined pulp. In terms of upscaling, it was determined that though the laboratory refiners performed slightly better than the industrial-like refiner, the difference was marginal. Therefore, the risks associated with upscaling would be minimal in this process. In order to further improve the CCE extraction performance, certain strategies were therefore examined in the second part of this study. The first was to perform simultaneous refining / CCE on the Valley beater and the PFI refiners. The response of residual xylan in the pulp to simultaneous refining / CCE was already high at 60 g /L NaOH, especially for the Valley beater with a xylan reduction of 79% and a reduction of 61% for the PFI versus 68% when the refining was carried out before the CCE. In the third part of this thesis, we studied the influence of the hemicellulose elimination treatment on the reactivity of the resulting pulp. The idea was to develop treatment strategies consisting of mechanical refining, chemical treatment (CCE) and xylanase treatment that allowed both quantitative xylan removal as well as good reactivity to dissolution without the need for additional post-extraction treatments (which means additional production costs). The reactivity of the extracted pulp was evaluated on the basis of the degree of swelling in NaOH and dilute cupriethylene diamine solution (CUEN), the solubility in 8% NaOH at -10 ° C and the Fock reactivity. The result obtained showed that hemicellulose removal strategies that included mechanical refining led to better pulp reactivity than unrefined pulp. The best result was obtained with refined pulp extracted with 6% soda (no cellulose II). In addition, we obtained a Fock reactivity ranging from 60 to 70% which exceeded that obtained for the prehydrolysis kraft. The good correlations found between swelling measurements, solubility in caustic soda, and Fock reactivity suggest that the tedious Fock test could be substituted by the much simpler swelling and solubility measurements. In the last part of this study, the xylans content of the pulp recovered from the CCE treatment of unrefined and refined pulps at 6% and 10% concentrations was characterized. The average DPn ranged from 70 to 177. The DP of xylan extracted from the pulp after refining was higher than that of unrefined pulp. Finally, the results obtained in this study show that the production of dissolving grade pulp from conventional hardwood kraft pulp is feasible with the use of existing technologies. This represents a major advantage since a kraft pulp mill may choose to easily shift from paper pulp to dissolving pulp production and vice versa, depending on the market conditions.