Design Methodology for Integrated Downstream Separation Systems in an Ethanol Biorefinery

Les enjeux de sécurité d'approvisionnement énergétique et de protection de l'environnement ont mené à une augmentation significative de production de biocarburants. La réussite de ce choix stratégique dépend, entre autres, de la rentabilité et de la viabilité à long terme des unités de production. Les biocarburants de seconde génération, par exemple l'éthanol, sont souvent produits à partir de matière ligno-cellulosique. Ils sont plus difficiles à produire que ceux de première génération car (1) des étapes coûteuses supplémentaires sont nécessaires pour la séparation des différents constituants de la biomasse avant fermentation, (2) et la concentration en produit quittant le réacteur de fermentation est plus faible, ce qui augmente les difficultés pour la purification. Dans une bio-raffinerie produisant de l'éthanol, les coûts relatifs à la purification du produit quittant le réacteur de fermentation sont significatifs. L'opération classique de purification inclut un ensemble de colonnes de distillation. Cependant, la nature non-idéale du mélange eau-éthanol, qui forme un azéotrope à 95 % en poids d'éthanol, complique cette opération. Une étape additionnelle de déshydratation est ainsi nécessaire afin d'obtenir de l'éthanol pur à 99.5 % en poids. Plusieurs techniques ont été proposées afin de résoudre les difficultés inhérentes aux équilibres liquide-vapeur des mélanges éthanol-eau. Ces techniques, telles que l'utilisation de membranes ou l'extraction par solvant organique, visent non seulement à obtenir de l'éthanol pur mais aussi à réduire la consommation d'énergie. Réduire la consommation d'énergie lors de la production est de première importance pour la viabilité de l'industrie des biocarburants. L'intégration de procédé, telle que définie par Ressources Naturelles Canada, est une approche système pour l'analyse et la synthèse de procédés afin de minimiser la consommation en énergie, eau et matières premières. L'utilisation de cet outil peut permettre aux bio-raffineries d'économiser de l'énergie et augmenter leur rentabilité. Les techniques d'intégration de procédé ont été adoptées avec succès par plusieurs industries ; elles sont basées sur l'utilisation optimale des sources en énergie, eau et matières premières disponibles dans le procédé afin de satisfaire les demandes et ainsi réduire la consommation externe. Du point de vue de l'industrie papetière, qui doit faire face à une demande en produit déclinant avec le temps, à une compétition globale et à des prix de vente peu élevés, l'intégration de technologies de bio-raffinage dans des usines de production de pâte kraft peut être une option intéressante, leur permettant de diversifier le portfolio de produits et d'entrer sur de nouveaux marchés. Les systèmes d'utilités existants, le savoir-faire en génie et en gestion de la chaîne logistique, ainsi que des opportunités d'intégration énergie et matière entre une usine de pâte et une unité de bio-raffinage peuvent offrir des avantages compétitifs et améliorer la performance économique de l'industrie papetière. Par conséquent, l'intégration énergie est une possibilité qui doit être considérée par l'industrie du bio-raffinage forestier. L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour la conception de systèmes de purification du produit de bio-raffinage et de la tester sur une étude de cas, une unité de bio-raffinage produisant de l'éthanol. Plusieurs techniques de purification ont été évaluées selon trois scenarii : (1) sans intégration énergie, (2) avec intégration énergie à l'intérieur du système de purification et (3) avec intégration énergie entre le système de purification et une usine de pâte kraft. Les consommations en énergie, les coûts d'investissement ainsi que les performances économiques ont été évalués pour chaque technique de purification et chaque scénario d'intégration. La meilleure des options a finalement été identifiée selon des critères technico-économiques. Les possibilités d'intégrations ont été identifiées avec la méthode de pincement pour le deuxième scénario, et avec la méthode pontale pour le troisième scénario car ce dernier requiert une analyse pour la rétro-installation du réseau d'échangeur de chaleur du procédé kraft. Les résultats révèlent l'importance de l'intégration énergie pour réduire la consommation énergétique et améliorer la performance des unités de production de bio-raffinage. Ils montrent également que le système classique de purification d'éthanol conduit à de meilleurs résultats après intégration énergie que les autres techniques de purification. Les techniques alternatives peuvent impliquer des risques technologiques supplémentaires et ne mènent à aucun avantage de consommation énergétique lorsque l'intégration interne ou externe avec une usine de pâte kraft est incorporée dans le modèle d'affaires. Il est important de souligner que la méthodologie développée dans le cadre de cette maîtrise peut être étendue pour évaluer les performances énergétiques et économiques de l'ensemble d'un procédé de bio-raffinage.