Development of Hemicelluloses Biorefineries for Integration Into Kraft Pulp Mills

Le développement des installations de production de biocarburants, de produits biochimiques et de biomatériaux est une condition importante pour réduire la dépendance aux ressources fossiles limitées et permet une transition vers une bioéconomie mondiale. L'industrie des pâtes et papiers en Amérique du Nord est confrontée à une consommation importante d'énergie coûteuse entrainant des coûts de production élevés. D'autre part, elle doit faire face à une concurrence intense de la part des économies émergentes. Les Bioraffineries Forestières Intégrées (IFBR) ont été proposés comme un moyen de diversifier la production, d'accroître les revenus des industries des pâtes et papiers et d'atteindre un aspect durable. Cette intégration est réalisable car elle utilise la biomasse forestière comme source d'alimentation après la transformation du bois. De plus, l'intégration d'un processus de bioraffinerie partageant des infrastructures existantes et des services publics sur le site de l'usine de pâtes permettrait de diminuer les coûts d'investissement et les risques associés. Les usines de fabrication de pâte par le procédé Kraft présente une possibilité d'intégration de bioraffinerie prometteuse car elles possèdent une étape de pré-hydrolyse pour extraire les sucres d'hémicelluloses avant la mise en pâte du bois ou encore lors du procédé de la mise en pâte. Les hémicelluloses extraites peuvent ensuite être transformées en une vaste gamme de produits à valeur ajoutée, ce qui élargirait la gamme de produits de l'usine réceptrice. Pour un bon fonctionnement d'une bioraffinerie utilisant les hémicelluloses, de nouveaux procédés qui sont techniquement et économiquement implantables sont nécessaires. Il est indispensable d'identifier les produits qui seraient rentables et d'imaginer des processus économes en énergie, qui permettront aux industries de pâte réceptrice de produire de l'énergie et des produits chimiques et de répondre aux exigences matérielles de l'unité de bioraffinerie. L'objectif de cette thèse est de développer les bioraffineries ciblant les hémicelluloses pour leur intégration dans un procédé de mise en pâte Kraft. Une usine de pâte à papier était l'étude de cas de référence. La transformation des sucres hémicellulosiques par conversion chimique et biochimique en furfural et en l'éthanol comme produits représentatifs pour chaque voie a été étudiée. En tant que première partie du travail, la faisabilité de la concentration d'un préhydrolysat grâce à une membrane d'osmose inverse a été étudiée. L'étape de concentration est nécessaire afin de vi réduire le besoin en énergie pour les opérations de conversion ultérieures et permet de réduire la taille des équipements de traitement. Des solutions reconstituées de préhydrolysat contenant différentes concentrations de glucose, xylose de l'acide acétique, le furfural et syringaldéhyde ont été utilisées pour déterminer la faisabilité de leurs concentrations avec une membrane d'osmose inverse. Les effets de la composition de la solution et des conditions de fonctionnement (vitesse d'écoulement transversale, température et pression) sur la sélectivité de la membrane et le flux de perméat ont été étudiés. Les résultats ont révélé que, indépendamment de la composition de pré-hydrolysat, la pression d'alimentation et la température présentent l'effet le plus important sur le flux de perméat. Une baisse de flux de perméat a été observée dans toutes les expériences et les mécanismes responsables de cette baisse de flux ont été expliqués. Il a également été confirmé que l'encrassement de la membrane est réversible et que sa régénération peut être réalisée avec succès grâce à un nettoyage avec une solution d'hydroxyde de sodium. La deuxième partie du travail a été consacrée à la conversion chimique lors de la production de furfural. Une solution de préhydrolysat a été générée en utilisant des copeaux de bois similaires à ceux utilisés par l'usine de référence. Ce pré-hydrolysat a été utilisé pour évaluer la concentration par membrane nécessaire pour une bonne production de furfural. Le taux de rétention et les caractéristiques de flux de six membranes organiques commerciales fabriqués à partir de différents polymères (polyamide, acétate de cellulose et polypiperazine amide) et avec des seuils de coupure différents (poids moléculaires coupées (MWCO) compris entre 100 et 500 Da ont été comparés. Une membrane présentant une rétention totale des sucres de 99% et un MWCO d'environ 200 Da a été mise en avant pour être la plus appropriée pour un processus de production de furfural à partir des critères suivants: une faible consommation d'énergie pour la concentration et un faible degré de colmatage et des rétentions importantes des composés désirés (sucres, l'acide acétique et du furfural). Le facteur de concentration volumique maximale a été déterminé égale à 4, le dépassement de cette limite entraîne une augmentation de l'encrassement de la membrane. Le nettoyage de la membrane est réalisé avec de l'hydroxyde de sodium par flux inverse, le flux de perméat à 75%, par rapport à une membrane vierge. Un modèle de réponse de surafce de surface est développé pour minimiser la baisse de flux lors de la concentration. La troisième partie de ce travail traite la conversion biochimique lors de la production d'éthanol. Les composés organiques du préhydrolysat qui sont capables d'inhiber la fermentation des sucres en éthanol en provoquant la mort des micro-organismes de fermentation doivent être éliminés. vii Les membranes appropriées qui pourraient être appliquées pour la détoxification ont été identifiées lors d'un test de différentes membranes. L'efficacité d'élimination des composés inhibiteurs suivants ont été obtenus: composés phénoliques (20%), furfural (80%), acide acétique (94%) et hydroxymethlyfurfural (89%). La filtration sur membrane peut être utilisée pour la concentration et l'élimination de la plupart des inhibiteurs, elle ne présente cependant pas d'efficacité sur l'abattement des composés phénoliques. L'identification d'une étape de détoxification secondaire avec une haute spécificité pour l'élimination des composés phénoliques a été nécessaire. Des expériences visant à évaluer l'utilisation de l'adsorption sur charbon actif et la floculation avec du sulfate ferrique, de l'aluminium ou de la chitine ont montré que le sulfate ferrique réduit de façon significative la concentration en composés phénoliques en évitant une perte trop importante de sucres. L'élimination des composés phénoliques optimale tout en conservant une quantité importante des sucres a été déterminée en présence d'un rapport des ions fer/phénols: [Fe] / [Phénols] = 1 g/g et pour une opération réalisée à un pH compris entre 6,5 et 7,7. Une stratégie de détoxication pouvant être utilisé pour le préhydrolysat a donc été déterminée en combinant la nanofiltration membranaire et la floculation au sulfate ferrique. Les modèles de simulation pour la production de furfural et d'éthanol à partir des hémicelluloses présentes dans le préhydrolysat ont été développés avec la contribution des résultats expérimentaux. La bioraffinerie pour la production de furfural est composée de 3 étapes : la concentration de préhydrolysat, la transformation des sucres et la valorisation des produits. Un réseau d'échangeurs de chaleur optimisé et une pompe absorbant la chaleur ont été avancés pour réduire la consommation d'énergie. La faisabilité de l'intégration d'énergie et du matériel pour l'intégration de la bioraffinerie a été justifiée et les demandes en électricité peuvent être égalées par la production de l'usine de référence. Une évaluation technico-économique du procédé développé a montré qu'il est économiquement viable et un retour sur les dépenses en capital (ROCE) atteignant 36% peut être obtenu. Le processus de bioraffinerie d'éthanol a présenté un besoin en énergie thermique plus faible que le processus furfural et peut également être intégrée avec succès à l'industrie réceptrice. Dans la dernière phase de cette recherche, les stratégies pour la mise en oeuvre des bioraffineries hémicellulosiques sont proposées pour les usines de pâtes et papiers canadiennes. Une analyse des modifications requises pour les différents types de procédés de fabrication de pâte Kraft, l'optimisation énergétique des approches pour répondre à la demande accrue d'énergie après viii intégration, les facteurs à considérer lors de la sélection des bioproduits et les types de collaboration pouvant être utilisés pour réduire les risques et les coûts d'investissement plus faibles ont été approchés.