Bioraffineries

Bioraffineries
GT BIC, 26 juin 2014, Jean-Luc Wertz
Plan
1. Définitions
2. La biomasse
3. Procédés de conversion de la biomasse
- Plateforme biochimique (prétraitements)
- Plateforme thermochimique
4. Molécules plateformes
1. Définitions
Bioraffinage
• Le bioraffinage est le processus durable de transformation de
la biomasse en produits biobasés (alimentation, produits
chimiques, matériaux) et en bioénergie (biocarburants,
électricité, chaleur)
• Il a pour objectif d’optimiser la valorisation de tous les
composants de la plante
Bioraffineries
• Deux types: celles de 1ère génération et celles de 2ème
génération
• Deux variantes: celles axées sur les molécules et matériaux et
celles axées sur l’énergie
Raffineries de 1ère et 2ème génération
• 1ère génération: raffinage à partir de biomasse alimentaire
(canne à sucre, grains de maïs, huile végétale…)
• 2ème génération: raffinage à partir de biomasse non
alimentaire (résidus agricoles et forestiers, une fraction des
déchets municipaux et industriels…)
• Bioraffineries axées sur les produits: la biomasse est
fractionnée en produits biobasés de valeur ajoutée maximale
et à impact environnemental minimal, les résidus étant
utilisés pour la bioénergie
• Bioraffineries axées sur l’énergie: la biomasse est d’abord
utilisée pour la bioénergie, et les résidus sont vendus comme
alimentation animale ou convertis
Du raffinage pétrolier au raffinage de
la biomasse
Crude oil
Fuels
(Energy)
Building blocks
(Petrochemistry)
Specialties
(e. g. lubricants)
Du raffinage pétrolier au raffinage de
la biomasse
Biomass
Biofuels
(Bioenergy)
Building blocks
(Agro-bio
chemistry)
Specialties
(e. g.
biolubricants)
2. La biomasse
Composition moyenne de la biomasse
lignocellulosique
Structure moléculaire de la cellulose
• Polysaccharide linéaire rectiligne formant des microfibrilles
• Unités glucose reliées par des liaisons glycosidiques β 1-4
• Une extrémité réductrice et l’autre non réductrice
Paroi cellulaire primaire
Hémicelluloses
• Monomères: pentoses et hexoses
• Polysaccharides branchés
• Incluent xyloglucanes (figure), xylanes, mannanes et glucanes
à liaisons mixtes
Hémicelluloses
O
OH
O
HO
O
O
OH
HO
O
HO
HO
HO
HO
OH
OH
OH
OH
Xylose
Mannose
OH
OH
OH
O
O
O
O
HO
HO
HO
OH
OH
OH
Glucose
Galactose
OH
O
OH
H3C
O
HO
HO
OH
OH
Arabinose
Acide glucuronique
OH
O
OH
HO
OH
OH
HO
Fucose
OH
OH
Acide galacturonique
Lignine
Monomères : 3 monolignols différents:
- alcool p- coumarylique (1)→unité p-hydroxyphényle, H
- alcool coniferylique (2)→unité guaïacyle, G
- alcool sinapylique (3)→unité syringyle, S
H: sans groupe méthoxy
G: 1 groupe méthoxy
S: 2 groupes méthoxy
Composition de la lignine
• Gymnospermes (conifères): G
• Angiospermes dicotyledones (arbres feuillus): G + S
• Angiospermes monocotyledones (graminées): H +G + S
Lignine
Polymères réticulés de monolignols
Lignine
Applications à relativement basse valeur ajoutée:
• Combustible
• Formation du syngas
• Additif dans le ciment (agent retardateur de prise)
• Additif dans l’asphalte (propriétés antioxydantes)
• Liant dans les aliments pour animaux
• Additif dans les pellets
Lignine
Applications à haute valeur ajoutée:
• Vanilline
• Composites à base de lignine (en particulier à matrice de lignine)
• Liant pour bois et panneaux à base de bois
• Produits chimiques à base aromatique (tels que les phénols, BTX)
résultant de la dépolymérisation de la lignine
• Molécule plateforme pour la production de fibres de carbone
• Composant pour polyesters et polyuréthane (para-xylène)
3. Procédés de conversion de la
biomasse
Procédés de conversion
• Plateforme biochimique
- Prétraitements
- Hydrolyse acide (dilué ou concentré)
- Hydrolyse enzymatique
• Plateforme thermochimique
- Combustion
- Gazéification
- Pyrolyse & traitement hydrothermique
Voie biochimique
Vue schématique du rôle du
prétraitement
Source: P. Kumar et al., 2009
Différentes catégories de
prétraitement
• Procédés physiques: broyage et radiations de haute énergie
• Procédés chimiques faisant intervenir:
- l’eau chaude liquide (traitement hydrothermique)
- des acides
- des bases
- des solvants organiques (organosolv)
- des agents oxydants
- des liquides ioniques
• Procédés thermochimiques:
- explosion à la vapeur
- prétraitements à l’ammoniac
- explosion au CO2
- prétraitement mécanique/alcalin
• Procédés biologiques
Résumé des principaux prétraitements
Elimination
d’hémicelluloses
Elimination de
lignine
Formation
d’inhibiteurs
Hydrothermique
XX
altération
X
Acide dilué
XX
altération
X
Alcalin
X
XX
Organosolv
X
XX
Prétraitement
Décristallisation
de la cellulose
Oxydation
X
X
XX
Liquides ioniques
dissolution
dissolution
dissolution
XX
altération
XX
Explosion à la vapeur
Explosion à
l’ammoniac (AFEX)
X
X
Explosion au CO2
X
X
Mécanique/alcalin
X
XX
Biologique
X
X
X=effet XX=effet majeur
X
Résumé des principaux prétraitements
1. Tous les principaux prétraitements éliminent partiellement ou
totalement les hémicelluloses
2. L’oxydation, l’explosion à l’ammoniac et l’explosion au CO2
réduisent la cristallinité de la cellulose
3. Les prétraitements alcalins, organosolv, oxydants,
mécaniques/oxydants et biologiques éliminent partiellement
ou totalement la lignine
4. Des inhibiteurs de fermentation sont formés lors du
prétraitement hydrothermique, de l’hydrolyse à l’acide et de
l’explosion à la vapeur
Lignine-voie biochimique
Exemples représentatifs:
•
•
•
•
•
•
CIMV
Lignol
Wageningen
DOE
Borregaard
Virent
Lignine-Borregaard (sulfite, Norvège)
Voie thermochimique
Lignine-voie thermochimique
Exemples représentatifs:
• Avello
• Dynomotive
• Anellotech
4. Molécules plateformes
Molécules plateformes biobasées
issues de glucides
• Identification de 30 molécules plateformes biobasées
prometteuses conduisant principalement à des polymères et
à des produits à haute valeur ajoutée
• Une synthèse liée aux dernières innovations dans le domaine
des produits biobasés
• Un outil pour le développement d’une économie biobasée
• Les molécules plateformes biobasées seront produites dans
des bioraffineries qui remplaceront progressivement les
raffineries de pétrole
• Exemple d’un plasique biobasé: le PET pour Coca-Cola
• Dans une bioraffinerie de deuxième génération, le glucose est
présent dans la lignocellulose mais de manière moins
accessible que dans les plantes alimentaires
Molécules plateformes biobasées: cas
du PET
• Polycondensation de l’éthylène glycol et de l’acide
téréphtalique
• Ethylène glycol biobasé:
CH3CH2-OH→CH2=CH2 + H2O
CH2=CH2 + ½ O2→CH2CH2O
CH2CH2O + H2O→HO-CH2CH2-OH
Molécules plateformes biobasées: cas
du PET
Molécules
Procédé de fabrication
Applications
Acide 2,5-furane
dicarboxylique
Oxydation sélective du
5-hydroxyméthylfurfural
(Avantium)
Substitut à l’acide
téréphtalique dans la
synthèse de polyesters
tels que le PET
C6H4O5
Partenariat avec CocaCola (PEF 100%
biobasé)
Molécules plateformes biobasées: cas
du PET
Molécules
Procédé de fabrication
Applications
Isobutanol
Fermentation de sucres
par des levures (Gevo)
Carburants et produits
chimiques
C4H10O
Partenariat avec CocaCola (PET 100%
biobasé) via le
paraxylene
Hydrocarbures
CnHm
Transformation
catalytique de sucres
(Virent)
Essence, diesel et
kérosène
Partenariat avec CocaCola (PET 100%
biobasé) via le
paraxylene
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Jean-Luc Wertz
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081/627 189