Mechanical Pretreatment of Lignocellulosic Biomass to Increase the Yield of Enzymatic Hydrolysis

Le sucre est une matière première importante qui est issue d'opérations de bioraffinage. Sa conversion en biocarburants ou en produits chimiques représente une alternative aux produits dérivés de ressources fossiles. Cependant, la biomasse lignocellulosique fait preuve de résistance à l'hydrolyse enzymatique, ce qui rend difficile sa conversion en sucres. Le développement d'un procédé de prétraitement efficace préalable à cette opération de saccharification représente un défi pour d'en augmenter l'efficacité. Le raffineur à disques qui'était utilisée dans les usines de pâtes mécaniques, la baisse de la demande en la matière en a provoqué l'inactivité forcée. La technologie de raffinage à disques serait intéressante pour le prétraitement de la biomasse lignocellulosique car elle permet d'en augmenter la digestibilité enzymatique grâce à la réduction de la taille de ses particules et à l'augmentation de la surface de ses fibres. Son application dans des bioraffineries permettrait de diminuer considérablement les coûts d'investissement et les risques associés. Un système de raffinage à disques (à échelle pilote) a été modifié dans le cadre de ce projet en vue d'obtenir de hauts rendements en sucres et de faibles consommations énergétiques lors de la saccharification de différents types de biomasse lignocellulosique par hydrolyse enzymatique. La première étape de ce projet vise à étudier un traitement thermique avec ajout de NaOH (5% massique par-rapport à la biomasse) sur de copeaux de bois. Les résidus issus de cette étape sont assujettis à différentes étapes de raffinage à disques (leur consistance varie alors de 5 à 15%, l'écart entre les disques de 0.15 à 1.00 mm) et subissent une hydrolyse enzymatique. Les résultats alors obtenus sont les suivants : - Le traitement thermique à 140°C avec ajout de NaOH permet l'extraction partielle de la lignine et l'augmentation significative des rendements en sucres lors de l'étape de saccharification tout en diminuant la quantité d'énergie consommée lors du prétraitement mécanique. - Le raffinage à faible consistance permet de réduire les coûts en énergie tout en diminuant le rendement en sucres de l'hydrolyse; un faible écart entre les disques augmente le rendement en sucres mais provoque une augmentation significative des coûts d'énergie. - Le procédé de prétraitement à disques est constitué de deux étapes : un prétraitement thermochimique (TCP) suivie d'un prétraitement de raffinage à disques (DRP). Les conditions optimales déterminées consistent en l'ajout de 5% massique (par-rapport à la biomasse) de NaOH, d'un traitement à la vapeur à 140°C pendant 30 minutes, d'une consistance de raffinage de 8% et d'un écart de 0.80 mm entre les disques. - Le procédé TCDR a un rendement en sucres 35% plus importants qu'un procédé de mise en pâte mécanique non-modifié et consomme 62% moins d'énergie. La seconde phase de ce projet est une étude de l'application du traitement TCDR à différents types de biomasse lignocellulosique (bouleau, pin noir, tiges de maïs et luzerne). Les compositions chimiques et structures physiques sont déterminées pour chacune d'entre-elles, ainsi que les courants de sucres et les quantités d'énergies associées à leur passage dans le procédé de traitement. Les résultats alors obtenus sont les suivants: - Le procédé de prétraitement à la vapeur permet d'extraire la lignine et les hémicelluloses pour tous les types de biomasse. Parmi tous les types de biomasses prétraitées, les tiges de maïs sont celles contenant la plus faible quantité de lignine. - Parmi tous les types de biomasses prétraitées, pour un même écart entre les disques, les fibres issues du pin noir sont les plus longues alors que celles des tiges de maïs sont les plus courtes. - L'opération de prétraitement a un effet plus important sur les tiges de maïs et sur la luzerne que sur le bouleau et le pin noir. Plus particulièrement, les rendements en sucres pour les tiges de maïs prétraitées sont les plus importants (97.3%), et sa consommation énergétique est de 196 kWh par tonne de biomasse.

Abstract

Sugar is a core transitional biofeedstock produced in a biorefinery process that can be further converted into biofuels or chemicals thus offering a sustainable alternative to fossil fuel-based chemicals. However, one challenge of sugar production from lignocellulosic biomass is to develop an efficient pretreatment process to improve the efficiency of enzymatic hydrolysis, due to its unique lignocellulosic biomass recalcitrances. Disk refiners usually used in mechanical pulping mills might have become idled industrial machines because of the low demand for traditional products. The disk refining technology has attracted attention for the lignocellulosic biomass pretreatment in a biochemical conversion process, since it can improve enzymatic digestibility by removing biomass recalcitrances. Also, using existing highly commercialized disk refining equipment into a biorefinery mill would significantly lower investment cost and reduce associated risks. In this thesis, an existing disk refining system (pilot plant scale) utilized as a pretreatment process has been modified to obtain a high sugar yield by enzymatic hydrolysis with a low energy consumption for different lignocellulosic biomasses. In the first phase, a thermal treatment with NaOH addition (5% w/w biomass) before disk refining was studied for hardwood chips. The residues were the feedstocks of the disk refining system at various disk refining gap sizes from 0.15 mm to 1.00 mm and consistency from 5% to 15%. The solid residues then were used for enzymatic hydrolysis. - The results showed that the thermal treatment (140˚C) with NaOH addition can partially remove lignin and significantly increase sugar yield. It also reduces energy consumption of mechanical pretreatment. - Low consistency refining can reduce energy cost and slightly decrease sugar yield. Small refining gap size increases sugar yield while results in significantly higher energy cost. - The strategy of the thermochemical disk refining pretreatment (TCDRP) process consists of a two-step treatment: a thermochemical pretreatment (TCP) and a disk refining pretreatment (DRP). The optimum condition of TCDRP is NaOH addition of 5% (w/w dry biomass), steaming at 140˚C for 30 minutes, refining consistency at 8% and refining gap at 0.80 mm. - Compared to a non-modified typical mechanical pulping process, the TCDRP pretreatment has higher sugar yield by 35% with an energy saving of 62%. The second phase of this work focused on the investigation of the TCDRP on different lignocellulosic biomasses including white birch, black spruce, corn stover and alfalfa. It consists of the characterizations of chemical composition and physical structure, and analysis of energy consumption and sugar streams. - The results revealed that there is a removal of lignin and hemicelluloses by the TCDRP for all biomasses. The corn stover pretreated by the TCDRP had the lowest lignin content versus the other biomasses pretreated by the TCDRP. - At the same refining gap size, the TCPRP treated corn stover had the lowest fiber length while the TCDRP treated black spruce had the highest fiber length. According to energy consumption and sugar yield, this TCDRP had more effect on corn stover and alfalfa than on white birch and black spruce. In particular, the sugar yield of the TCDRP treated corn stover is the highest (97.3%) compared to other biomasses; its energy consumption is 196 kWh/ton.