Dépolymérisation catalytique de la cellulose couplée à des techniques d’activation non thermiques

Catalytic depolymerization of cellulose assisted by physical nonthermal pretreatments

• Auteur / Autrice : Maud Benoit
• Direction : François Jérôme, Karine de Oliveira Vigier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie appliquée
• Date : Soutenance le 11/10/2012
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'environnement Gay Lussac (La Rochelle ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers ; 1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Cognet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Jérôme, Karine de Oliveira Vigier, Joël Barrault, Rachida Zerrouki, Michel Philippe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesco Di Renzo, Alain Buléon

Mots clés

Mots clés contrôlés

5-hydroxyméthylfurfural

Ultrasons

Plasmas (gaz ionisés)

Polymères -- Détérioration

Cellulose

Mots clés libres

Dépolymérisation

Plasma

Hydroxyméthylfurfural

Depolymerization

Plasma

Hydroxymethylfurfural

Résumé

Avec la disparition progressive des réserves de carbone fossile, un intérêt tout particulier est aujourd’hui porté sur la valorisation de la biomasse notamment la cellulose. Elle représente une source importante (1,3 Millions de tonnes) et peu onéreuse (< 10 €/kg) de carbone renouvelable. L’utilisation de la cellulose en tant que matière première pour la chimie fine apparait comme une solution attractive tant sur le plan économique qu’environnemental. Néanmoins, la présence de liaisons hydrogène intra et extra réseau lui confère une stabilité élevée (forte cristallinité) la rendant insoluble dans les solvants organiques usuels et dans l’eau. Ainsi, l’hydrolyse de ce polymère en glucose ou oligosaccharides, en présence d’un catalyseur solide est limitée par les interactions catalyseur/cellulose. C’est pourquoi, des prétraitements de la cellulose sont souvent utilisés permettant alors d’augmenter les interactions avec les catalyseurs solides. Toutefois, les méthodes développées dans la littérature sont coûteuses ou néfastes pour l’environnement. L’objectif de cette étude est le développement d’activations physiques de la cellulose, respectueuses de l’environnement, permettant l’hydrolyse de ce polymère en présence d’un catalyseur solide. L’activation de la cellulose est effectuée par ultrasons ou par plasma atmosphérique non thermique. Ces méthodes d’activation permettent d’augmenter considérablement le rendement en glucose en modifiant i) la taille des particules et/ou ii) le degré de polymérisation et/ou iii) la cristallinité de la cellulose. Enfin, à partir des sucres issus de la dépolymérisation de la cellulose, le 5- hydroxyméthylfurfural (molécule plateforme) peut être obtenu. Cette synthèse sera étudiée et plus particulièrement la nature du solvant, qui impacte la sélectivité de cette réaction. Lors de ces travaux, un intérêt tout particulier est porté sur l’utilisation de glycérol et de carbonate de glycérol en tant que solvant.

With the depletion of fossil carbon resources, biomass (including cellulose) is widely introduced in the chemical industry, as a renewable source of carbon. Cellulose is a huge reservoir (1,3 Million tons) of cheap (< 10 €/kg) and non-edible carbon. So use cellulose as raw material has many advantages, as much as economic plan than environmental one. However, due to important inter and intra hydrogen bonds network, cellulose is highly crystalline and thus insoluble in common solvents (including water) and recalcitrant to hydrolysis by heterogeneous catalysis, due to solid/solid interactions. A preliminary step consists in the activation of cellulose to enhance the solid/solid interactions. However, the pretreatments used in the literature are limited by the cost, corrosiveness, and toxicity. The aim of this study is to develop physical pretreatments of cellulose in order to be environmentally friendly and promote cellulose/catalyst interactions. In this manuscript, two physical methods of cellulose activation will be explored. The first involves a sonic treatment and the second implies non-thermal atmospheric plasma technology. These methods lead to an increase of the glucose yield due to the change of i) the particle size, or/and ii) the degree of polymerization or/and iii) the cristallinity. From carbohydrate obtained via the depolymerisation of cellulose, 5-hydroxymethylfurfural (platform molecule) is achieved. This synthesis, including dehydration of fructose, will be studied and especially, the nature of the solvent which is a key point ofthis conversion will be discussed. In this work glycerol or glycerol carbonate-based media were studied, as co-solvent from renewable carbon.