16 juin 2014 -
Mécanique des Fluides, Énergétique, Procédés [Thèse en ligne]SujetÉtude des possibilités de production d'éthanol hémicellulosique dans le cadre d'une bioraffinerie papetière.
DirectionChristine CHIRAT, Maître de Conférences, Grenoble INP-Pagora /
LGP2 ♦♦
Dominique LACHENAL, Professeur, Grenoble INP-Pagora /
LGP2RésuméLe bioéthanol est un biocarburant alternatif à l’essence, durable et moins polluant. Il est produit aujourd’hui exclusivement à partir de ressources agricoles alimentaires. Son développement futur ne peut passer que par la mise au point d’une deuxième génération, fabriquée à partir de biomasse lignocellulosique, donc non utilisée pour l’alimentation humaine. Parmi la myriade de procédés possibles, cette thèse s’inscrit dans le cadre spécifique de la production d’éthanol hémicellulosique dans une usine produisant de la pâte kraft à partir de bois de résineux.
Les principales hémicelluloses de résineux sont les galactoglucomannanes (GGM), polymères composés de sucres théoriquement fermentescibles en éthanol quand ils sont sous forme de monomères. Le principe du procédé kraft est d’extraire la lignine du bois pour produire de la pâte contenant alors principalement de la cellulose. La lignine est quant à elle brûlée pour produire de l’énergie. Les GGM sont dégradés et solubilisés lors du procédé kraft. L’objectif de cette thèse est de proposer un procédé complet et réaliste industriellement permettant d’extraire les hémicelluloses en amont du procédé kraft, de les hydrolyser sous forme de monomères puis de les fermenter en éthanol.
L’efficacité de différents procédés d’extraction des GGM a été comparée. Il s’est avéré que les deux procédés effectués en milieu acide, l’autohydrolyse (extraction avec de l’eau à haute température) et l’hydrolyse acide (avec acide sulfurique), permettent une extraction plus efficace des GGM. L’hydrolyse acide permet de récupérer plus de GGM tout en les dépolymérisant. Ils peuvent donc être fermentés directement. L’autohydrolyse, moins sévère, doit être suivie d’une hydrolyse secondaire pour parachever la dépolymérisation des oligomères. Cette hydrolyse est effectuée efficacement avec de l’acide sulfurique comme catalyseur. Ce procédé en deux étapes possède les avantages indéniables de peu endommager la cellulose et de fortement limiter la dégradation des sucres extraits. Or, les produits issus de la dégradation des sucres ont deux inconvénients : ils ne peuvent pas être fermentés en éthanol et ils sont connus pour inhiber les microorganismes utilisés pour la fermentation. Des essais de dépolymérisation des oligomères avec des enzymes ont également été menés, qui ont montré que la transformation de tous les oligomères en monomères nécessite d’être optimisée.
La fermentation directe des hydrolysats par une souche de Saccharomyces cerevisiae (levure de boulangerie) permet d’atteindre de bons rendements après 24 heures. Néanmoins, pour que le procédé global soit rentable, il semble indispensable d’augmenter les concentrations en sucres avant la fermentation. Trois procédés ont été appliqués dans ce sens : l’évaporation d’une partie de l’eau contenue dans l’hydrolysat, la diminution du ratio liqueur sur bois (L/B) et le recyclage de l’hydrolysat. L’évaporation est efficace et permet également d’extraire de l’acide acétique et du furfural, espèces inhibant les fermentations. Cependant, ce procédé est coûteux en énergie. Le recyclage de l’hydrolysat permet bien de concentrer les sucres, mais augmente leur dégradation. Enfin, diminuer le ratio L/B est très efficace mais réduit la quantité de sucres extraits, et donc la production d’éthanol. La fermentation d’un hydrolysat résultant d’une autohydrolyse suivie d’une hydrolyse secondaire puis concentré jusqu’à atteindre 100 g/L d’hexoses n’a pas permis de produire de l’éthanol, du fait des fortes concentrations en espèces inhibitrices. Pour y parvenir, différentes souches de S. cerevisiae ont été acclimatées à cet hydrolysat. La plus prometteuse est parvenue à fermenter un hydrolysat concentré.
Un procédé complet, allant de l’extraction des hémicelluloses jusqu’à la production d’éthanol a pu ainsi être mis au point et optimisé en tenant compte des contraintes industrielles. Cette étude constitue une première étape en vue de l’implémentation dans une usine kraft.
Autres membres du juryAna Paula DUARTE, Professeur,
Université de Beira Interior (Portugal) ♦♦ Carole MOLINA JOUVE, Professeur,
INSA Toulouse ♦♦ Antoine MARGEOT, Ingénieur de Recherche,
IFP Energies nouvelles