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.