Accueil Recherche | Plan Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base
dossier cerig.efpg.inpg.fr 
Vous êtes ici : Accueil > La technique > Procédés > Rapport d'activité scientifique du LGP2 > Chimie des procédés > Bioraffinerie dans une usine de production de fibres cellulosiques           Révision : 30 mai 2011
Page précédente Rapport d'activité scientifique du LGP2 (2006-2009) Page suivante
Page précédente Page suivante
Chercheurs du LGP2
(Mai 2011)
 
Grenoble INP-Pagora, Ecole internationale du papier, de la communication imprimée et des biomatériaux
Rejoignez-nous
Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2)

II - Chimie des Procédés

II - 5 - Bioraffinerie dans une usine de production de fibres cellulosiques

Cette thématique a démarré en Novembre 2007 et rentre dans les nouvelles thématiques de recherche du laboratoire et d’enseignement de l’école. Elle comporte pour le moment trois projets :

Production de bioéthanol de deuxième génération

Le bois et les plantes annuelles (constitués de cellulose, lignine et hémicelluloses) sont les matières premières utilisées pour la fabrication des pâtes à papier cellulosiques. La quantité de matière cellulosique traitée au niveau mondial est voisine de 400 millions de tonnes, quantité équivalente à la quantité de pétrole utilisée pour la pétrochimie. L’analogie porte aussi sur le fait que dans les usines de pâte à papier, les constituants des végétaux sont séparés de la même façon que les hydrocarbures sont séparés en différentes fractions dans une raffinerie de pétrole : la cellulose est en effet isolée pratiquement pure et valorisée principalement sous forme de papier. La lignine et les hémicelluloses se retrouvent dégradées et solubilisées ; n’étant pas valorisées chimiquement compte tenu de la complexité du mélange, elles sont brûlées, ce qui couvre très largement les besoins énergétiques de l’usine.

Grenoble INP est le coordinateur du projet Carnot Énergies du Futur dans lequel le LGP2 intervient pour la production de bioéthanol dans les usines de pâte (Octobre 2007-Mars 2011). Le projet consiste à retirer les hémicelluloses des bois résineux (principalement des hexoses) avant la transformation du bois en pâte à papier par le procédé kraft. La fraction des hémicelluloses ainsi récupérée est relativement pure (non plus mélangée à la lignine dont elle n’est pas séparable) et la cellulose continue à être obtenue sous forme fibreuse [Figure 1]. Les matières lignocellulosiques contiennent en moyenne 25% à 30% d’hémicelluloses. Le gisement est donc considérable, la photosynthèse produisant chaque année des dizaines de milliards de tonnes d’hémicelluloses dans le bois et les plantes annuelles. La lignine se retrouve seule dans l’effluent et continue à être valorisée thermiquement dans l’usine. La fraction des hémicelluloses est alors fermentée en bioéthanol. Ce dernier est qualifié de deuxième génération par opposition au bioéthanol de première génération produit aujourd’hui à partir de matières premières alimentaires (saccharose, blé, maïs).

L’usine de production de fibres cellulosiques de demain
Figure 1 - L’usine de production de fibres cellulosiques de demain

L’étude depuis 2007 s’effectue à travers le travail d’un post-doctorant et d’un doctorant, incluant une coopération avec Scion (institut forestier de Nouvelle-Zélande) et un financement EGIDE d’échange de chercheurs. Des essais d’extraction d’hémicelluloses à 160°C de copeaux de bois résineux ont été réalisés par autohydrolyse et par hydrolyse acide. L’autohydrolyse sans ajout d’acide fait baisser le pH naturellement par suite de la formation d’acide acétique issus des groupements acétyles des hémicelluloses. Ces conditions sont suffisantes pour hydrolyser une partie des hémicelluloses du bois. L’ajout d’acide sulfurique pendant le traitement (hydrolyse acide) permet d’obtenir une majorité de monomères directement prêts pour fermentation [Figures 2 et 3].

Effet du type d’hydrolyse sur les quantités de monomères récupérées   Formation de monomères et d’oligomères pendant l’hydrolyse acide
Figure 2 - Effet du type d’hydrolyse sur les quantités de monomères récupérées   Figure 3 - Formation de monomères et d’oligomères pendant l’hydrolyse acide

Dans le cas de l’autohydrolyse, la majorité des hydrates de carbone est récupérée sous forme d’oligomères, qu’il faut alors hydrolyser plus fortement dans une deuxième étape, ce qui complique le procédé. Des essais de fermentation des hydrolysats acides, obtenus dans les conditions de la Figure 3, ont ensuite été réalisés. Des rendements en éthanol assez proches de la théorie ont été obtenus, montrant que la formation d’éventuels inhibiteurs pendant l’hydrolyse n’est pas significative. Une production d’éthanol comprise entre 77 et 89 litres par tonne de bois pourraient ainsi être obtenue dans le cadre de notre procédé de bioraffinerie [Figure 4]. La suite des essais porte sur l’effet de l’hydrolyse acide sur les procédés de cuisson et de blanchiment et sur la caractérisation du bois préhydrolysé et des fibres cellulosiques obtenues.

Fermentation des hydrolysats en éthanol
Figure 4 - Fermentation des hydrolysats en éthanol

Production de cellulose pure à usage chimique

Le blanchiment des pâtes cellulosiques chimiques, dont l’usage est principalement papetier, vise à éliminer les restes de lignine fortement colorés. Une faible proportion de ces pâtes est destinée, après traitement chimique supplémentaire, à la production de cellulose pure pour usages chimiques. Cette dernière application offre une bien meilleure valeur ajoutée. Elle suscite aujourd’hui un intérêt croissant du fait du potentiel offert par la cellulose pour la synthèse de polymères et de produits divers issus de la biomasse, matière première renouvelable. Un des obstacles à une utilisation chimique plus importante des pâtes conventionnelles est leur contamination par des hémicelluloses, leur manque de réactivité en raison de sa structure fibreuse, et le degré de polymérisation trop élevé de la cellulose. On souhaite au contraire disposer d’une cellulose pure, réactive et de masse moléculaire modulable. L’opération préalable de blanchiment nécessaire pour toutes ces applications est difficile. La combinaison de traitements à l’oxygène et au peroxyde d’hydrogène ne permet malheureusement pas d’obtenir un blanchiment complet de sorte que les papetiers continuent à faire appel à des agents chlorés.

L’objectif du projet CAPROCELL (ANR) est de développer un procédé catalytique de blanchiment à base de peroxyde d’hydrogène visant les caractéristiques de pâte précitées. Ce procédé propre serait installé en parallèle de la ligne de production de pâte papetière conventionnelle. Un partenariat est en place entre deux laboratoires universitaires grenoblois, le LGP2 (Grenoble INP) et le Département de Chimie Moléculaire (UJF), et un industriel.

Production de bioproduits

Un nouveau projet a démarré en octobre 2009, complémentaire au projet (1) décrit précédemment. Contrairement aux résineux, les bois feuillus sont très riches en pentoses, dont la fermentation en éthanol n’est pas facile mais pour lesquels une valorisation purement chimique est envisageable. Il s’agit donc de développer un procédé d’extraction de ces pentoses, suffisamment performant et sélectif ne dégradant pas la cellulose. Le rendement d’extraction devra être compatible avec une valorisation chimique (estimée à au moins 50% de la quantité présente dans le végétal), sous la forme de monomères ou d’oligomères. Les pentoses sont recherchés principalement pour la synthèse d’agents tensio-actifs verts. Le LGP2 ne travaillera pas sur ces synthèses qui intéressent par contre des entreprises avec lesquelles un partenariat s’est établi.

Page précédente Sommaire Page suivante
Page précédente Sommaire Page suivante
Accueil | Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base  
Copyright © Cerig/Grenoble INP-Pagora
Mise en page : A. Pandolfi