Étude expérimentale sur le potentiel de différents matière première pour la production de bioéthanol de seconde génération : définition d'une méthodologie

Experimental study on the potential of different feedstock on second generation bioethanol production : setting a methodology

• Auteur / Autrice : Chidiebere Millicent Igwebuike
• Direction : Sary Awad, Yves Andres
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et Bioprocédés
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Agence nationale : CampusFrance
• Partenaire(s) de recherche : Fondation : Petroleum Technology Development Fund (PTDF) (Abuja, Nigéria)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Valorisation Energie-matière des Résidus et Traitement des Emissions - Département Systèmes Energétiques et Environnement - Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Abdeltif Amrane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sary Awad, Yves Andres, Ramla Gheith, Talib Dbouk
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ramla Gheith, Talib Dbouk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioéthanol

Fermentation

Betterave

Ulva lactuca

Manioc

Hydrolyse

Biomasse -- Conversion

Mots clés libres

Déchets de biomasse

Hydrolyse acide diluée

Glucides

Fermentation

Bioéthanol

Waste biomass

Dilute acid hydrolysis

Carbohydrates

Fermentation

Bioethanol

Résumé

Les biocarburants sont des ressources énergétiques propres et renouvelables qui suscitent une attention croissante en tant que remplacement potentiel des carburants non renouvelables à base de pétrole. Elle est ainsi appelée car elle est issue d'une biomasse qui peut être soit d'origine animale, soit appartenir à l'une des trois générations de biomasse végétale (cultures agricoles, matières lignocellulosiques ou algues). Différentes méthodes et techniques ont été testées par les scientifiques et chercheurs dans ce domaine, et les conditions les plus optimales ont été adoptées pour la génération de biocarburants à partir de la biomasse. Cela a finalement conduit à une intensification ultérieure des procédures et à la création d’usines/bioraffineries pilotes, de démonstration et à grande échelle dans certaines régions du monde. Néanmoins, cette biomasse n’a pas été pleinement exploitée dans de nombreuses régions du monde pour la production de biocarburants, en particulier dans les pays en développement, et de ce fait, peu ou pas d’importance a été accordée aux résidus et déchets agricoles et forestiers à cet égard. Il reste donc encore beaucoup à faire pour remplacer en grande partie les combustibles fossiles par des biocarburants issus de la biomasse. La biomasse des déchets lignocellulosiques tels que les pelures de manioc, la pulpe de betterave sucrière et l'Ulva lactuca sont des matériaux appropriés pour la synthèse du bioéthanol. Leurs compositions sont présentées dans cette étude. Les glucides solubles totaux et le rendement en glucides ont été évalués par hydrolyse acide diluée de la biomasse et de matériaux de référence (amidon et cellulose) dans différentes conditions. Pour explorer les interactions à deux facteurs, le plan d'expériences Plackett-Burman a été utilisé dans le criblage statistique des variables, puis transformé en un plan entièrement factoriel basé sur les variables significatives. Selon les résultats expérimentaux, l’hydrolyse acide diluée peut produire une quantité considérable de glucides solubles. La qualité de l'ajustement du modèle a été évaluée à l'aide du coefficient de détermination. Les rendements optimisés en glucides de la biomasse étaient de 0,76 g/g d'écorces de manioc, 0,35 g/g de pulpe de betterave sucrière et 0,36 g/g d'Ulva lactuca. Les valeurs réelles des points optimisés étaient proches des valeurs prédites. La production de bioéthanol à partir de conditions d'hydrolyse optimisées en utilisant Saccharomyces cerevisiae et Scheffersomyces stipitis DSM 3651 a conduit à un rendement maximal en éthanol de 0,286 g/g à partir de pelures de manioc et de 0,033 g/g à partir de pulpe de betterave sucrière, tandis que l'utilisation de Neurospora intermedia DSM 1265 a conduit à un rendement maximal en éthanol. de 0,076 g/g d'Ulva lactuca. Par conséquent, les écorces de manioc, la pulpe de betterave sucrière et l’Ulva lactuca sont considérées comme des matières premières précieuses pour la production de bioéthanol de deuxième génération, les écorces de manioc ayant le potentiel le plus élevé.

Biofuels are clean and renewable energy resources that are gaining increased attention as a potential replacement for non-renewable petroleum-based fuels. It is so-called because it is derived from biomass which could either be animal-based or belong to any of the three generations of plant biomass (agricultural crops, lignocellulosic materials, or algae). Different methods and techniques have been tested by scientists and researchers in this field, and the most optimal conditions adopted for the generation of biofuels from biomass. This has ultimately led to subsequent scale-up of procedures and the establishment of a pilot, demo, and large-scale plants/biorefineries in some regions of the world. Nevertheless, this biomass has not been fully exploited in many parts of the world for biofuel production, especially in developing countries, and as such little or no relevance has been attached to agricultural and forest residues and waste in this regard. Hence, there is still much work to be done in largely replacing fossil fuels with biofuels from biomass. Lignocellulosic waste biomass such as cassava peels, sugar beet pulp, and Ulva lactuca are suitable materials for bioethanol synthesis. Their compositions are presented in this study. Total soluble carbohydrates and carbohydrate yield were evaluated using dilute acid hydrolysis of biomass and reference materials (starch and cellulose) under different conditions. To explore two-factor interactions, the Plackett-Burman design of experiments was used in the statistical screening of variables and then transformed to a full-factorial design based on the significant variables. According to the experimental findings, dilute acid hydrolysis can yield a considerable amount of soluble carbohydrates. The goodness of fit of the model was evaluated using the coefficient of determination. The optimized carbohydrate yields of the biomass were 0.76 g/g cassava peels, 0.35 g/g sugar beet pulp, and 0.36 g/g Ulva lactuca. The actual values of the optimized points were close to the predicted values. Bioethanol production from optimized hydrolysis conditions using Saccharomyces cerevisiae and Scheffersomyces stipitis DSM 3651, led to a maximum ethanol yield of 0.286 g/g from cassava peels and 0.033 g/g from sugar beet pulp while using Neurospora intermedia DSM 1265 led to a maximum ethanol yield of 0.076 g/g from Ulva lactuca. Hence, cassava peels, sugar beet pulp, and Ulva lactuca are considered valuable feedstock for the production of second-generation bioethanol with cassava peels having the highest potential.