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Qu’est-ce que le bioraffinage?

Jean-Luc Wertz

26.07.2015

Plan

1. Définitions

2. Analogie avec raffinerie classique

3. La biomasse: 3 composants majeurs

4. Procédés de conversion de la biomasse

- Plateforme biochimique dont prétraitements

- Plateforme thermochimique

5. Lignine

6. Molécules plateformes

La bioéconomie: un enjeu pour demain

Ensemble d’activités économiques liées àl’innovation, au développement, à laproduction et à l’utilisation de produits etprocédés biologiquesIl s’agit de parvenir à une économie plus innovante et à faiblesémissions, à même de concilier les impératifs d’une agriculture etd’une pêche durables, de la sécurité alimentaire et de l’utilisationdurable de ressources biologiques renouvelables à des finsindustrielles, tout en assurant la protection de l’environnement et dela biodiversité. Elle doit assurer le passage à une économie del’après pétrole.

Définition 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

Bioraffineries

• Deux modèles basés sur la

localisation:

Gand: approvisionnement

en biomasse portuaire

(import)

Bazancourt:

approvisionnement en

biomasse rural (production

locale)

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…)

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)

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

Principales formes cristallines

• Cellulose I:

- quasi toutes les celluloses natives

- composite de formes Iα et Iβ

• Cellulose II

- les celluloses régénérées (ex: viscose) et mercerisées

La cellulose II est thermodynamiquement plus stable que la cellulose I et, donc, la transformation de la cellulose I en cellulose II est irréversible

Hémicelluloses

• Monomères: pentoses et hexoses

• Polysaccharides branchés

• Incluent xyloglucanes (figure), xylanes,

mannanes et glucanes à liaisons mixtes

Hémicelluloses

OOH

OHOH

OH

OOH

OH

OH

OH

OH

Xylose

Glucose

O

OHOH

OH

OH

Arabinose

OOH

OH

OH

OH

OH

Mannose

O

OHOH

OH

OHOH

Galactose

O

CH3

OH

OH

OH OH

Fucose

OOH

OHOH

OH

O

O

Acide glucuronique

O

OHOH

OH

O

OOH

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 cimemt (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)

Procédés de conversion

• Plateforme biochimique

- Prétraitements

- Hydrolyse acide (dilué ou concentré)

- Hydrolyse enzymatique

• Plateforme thermochimique

- Combustion

- Gazéification

- Pyrolyse & traitement hydrothermique

Vue schématique du rôle du

prétraitement

Source: P. Kumar et al., 2009

Différentes catégories de

prétraitementProcédés 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

PrétraitementDécristallisation

de la cellulose

Elimination

d’hémicelluloses

Elimination de

lignine

Formation

d’inhibiteurs

Hydrothermique XX altération X

Acide dilué XX altération X

Alcalin X XX

Organosolv X XX

Oxydation X X XX

Liquides ioniques dissolution dissolution dissolution

Explosion à la

vapeurXX altération X

Explosion à

l’ammoniac (AFEX)X X XX

Explosion au CO2 X X

Mécanique/alcalin X XX

Biologique X X

X=effet XX=effet majeur

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 biochimiqueLignine: CIMV

Lignine-voie biochimiqueLignine: Lignol

Lignine-Borregaard (NO)

Voie thermochimique

Identification de 30 molécules plateformes prometteuses

(conduisant à des polymères et à des produits à haute

valeur ajoutée

Un outil pour le développement d’une économie

biobasée

Les molecules plateformes biobasées seront produites

dans une bioraffinerie

Exemple de plastique biobasé: PET pour Coca-Cola

Dans les bioraffineries 2G, le glucose est présent dans

la lignocellulose de manière moins accessible que dans

la partie alimentaire des plantes (1G)

Molécules plateformes issues de

glucides

Molécules plateformes biobasées:

cas du PET

• Polycondensation de l’éthylène glycol et de l’acide téréphtalique

• Production de l’éthylène 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

dicarboxyliqueC6H4O5

Oxydation sélective

du 5-hydroxyméthyl-

furfural

(Avantium)

Substitut à l’acide

téréphtalique dans la

synthèse de

polyesters tels que le

PET

Partenariat avec

Coca-Cola (PEF

100% biobasé)

Molécules plateformes biobasées:

cas du PET Molécules Procédé de

fabrication

Applications

IsobutanolC4H10O

Fermentation de

sucres par des

levures (Gevo)

Carburants et produits

chimiques

Partenariat avec

Coca-Cola (PET

100% biobasé) via le

paraxylene

Hydrocarbures CnHm

Transformation

catalytique de sucres

(Virent)

Essence, diesel et

kérosène

Partenariat avec

Coca-Cola (PET

100% biobasé) via le

paraxylene

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