Valorisation des déchets de posidonie pour l'obtention de matériaux biosourcés à forte valeur ajoutée

Posidonia waste valorisation for the production of high added-value bio-based materials

• Auteur / Autrice : Malek Khadraoui
• Direction : Evelyne Mauret, Ramzi Khiari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 17/06/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Université de Carthage (Tunisie)
• 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 : Mohamed Naceur Belgacem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Younes Moussaoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gabriel Paës, Sami Boufi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Conversion

Nanocellulose

Fibres cellulosiques

Mots clés libres

Fibres cellulosiques

Nanocellulose

Valorisation de la biomasse

Explosion à la vapeur

Modification de lignine

Cellulosic fibres

Nanocellulose

Biomass valorisation

Steam explosion

Lignin modification

Résumé

Le projet de thèse a visé la valorisation des déchets de Posidonia oceanica par la production de nanomatériaux biosourcés à haute valeur ajoutée. Dans ce contexte, l'accent a été mis sur les micro/nanofibrilles de cellulose (M/NFC) qui sont prometteuses, en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, optiques et rhéologiques. L’inconvenient majeur de la production de M/NFC est la consommation energétique elevée des procédés mécaniques de fibrillation et de microfibrillation.Ainsi, l'objectif de ce travail est la production de micro/nanofibrilles de cellulose avec un impact environnemental réduit. Tout d'abord, l'utilisation de l'explosion à la vapeur, un procédé écologique, pour l'étape de microfibrillation a été étudiée, combinée (ou non) avec l'oxydation médiée par TEMPO comme prétraitement chimique. Cette voie proposée a été comparée au broyage conventionnel pour la production de micro/nanofibrilles de cellulose blanchies de haute qualité. Ensuite, l'étape de blanchiment et les prétraitements chimiques ont été éliminés de la voie de production de M/NFC. Au cours de cette deuxième stratégie, l'utilisation de l'explosion à la vapeur et de l'extrusion à double vis pour la fibrillation a été élucidée (processus alternatif de raffinage) pour produire des micro/nanofibrilles de cellulose contenant de la lignine (LM/NFC). Enfin, pour améliorer la qualité des M/NFC produites (en raison du caractère hydrophobe de la lignine), l'application de la sulfonation de la lignine a été étudiée (explosion à la vapeur in situ et comme prétraitement chimique doux après explosion à la vapeur). Par rapport aux méthodes conventionnelles de production de M/NFC, le blanchiment et les prétraitements chimiques ou enzymatiques ont pu être éliminés. Par conséquent, on a assumé que la qualité du produit est différente, fournissant différentes propriétés permettant leur utilisation dans divers domaines. Cette stratégie a permis de produire un matériau économique et écologique tout en tenant compte du rendement élevé des procédés, de l’utilisation limitée des produits chimiques et de la faible consommation énergétique lors de la production des LM/NFC.

The PhD project was dedicated to the Posidonia oceanica waste valorisation by the production of bio-based nanomaterials with high added value. In this context, the focus was oriented toward cellulose micro/nanofibrils (CM/NF) which are promising, due to their good mechanical, optical, and rheological properties. The bottleneck of CM/NF production is its high energy consumption during the mechanical fibrillation and microfibrillation processes.The purpose of this work is the production of cellulose micro/nanofibrils with a reduced environmental impact. First, the use of steam explosion, as an ecofriendly process, for microfibillation step was studied combined (or not) with TEMPO-mediated oxidation as chemical pretreatment and was compared to conventional grinding for the production of a bleached high-quality cellulose micro/nanofibrils. Then bleaching step and chemical pretreatments were eliminated in the CM/NF pathway production. During this second strategy the use of steam explosion and twin-screw extrusion for fibrillation was elucidated (processes for alternative refining) to produce lignin-containing cellulose micro/nanofibrils (LCM/NF). Finally, to improve the quality of the produced LCM/NF (due to the hydrophobic character of lignin), the application of lignin sulfonation was investigated (in situ steam explosion and as soft chemical pretreatment after the steam explosion). Compared to the conventional methods of CM/NF production, bleaching and chemical or enzymatic pretreatments could be successfully eliminated. Therefore, it is assumed that the quality of the product is different, providing different properties allowing their use in various fields. This strategy enabled the production of economical and ecological materials taking into account the high yield, low use of chemicals and low mechanical energy consumption during LCNM/F production.