EP3962988A2 - Substrat pulverulent obtenu par vapocraquage d'une biomasse sans auxiliaire chimique et ses utilisations - Google Patents

Substrat pulverulent obtenu par vapocraquage d'une biomasse sans auxiliaire chimique et ses utilisations

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Publication number
EP3962988A2
EP3962988A2 EP20731915.3A EP20731915A EP3962988A2 EP 3962988 A2 EP3962988 A2 EP 3962988A2 EP 20731915 A EP20731915 A EP 20731915A EP 3962988 A2 EP3962988 A2 EP 3962988A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
biomass
pulverulent
chemical
steam cracking
Prior art date
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Pending
Application number
EP20731915.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-baptiste Marin
Thomas Habas
Adriana QUINTERO-MARQUEZ
Frédéric MARTEL
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Europeenne de Biomasse SAS
Original Assignee
Europeenne de Biomasse SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
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    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
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    • C12P1/00—Preparation of compounds or compositions, not provided for in groups C12P3/00 - C12P39/00, by using microorganisms or enzymes
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    • C12P19/02—Monosaccharides
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    • C12P19/04—Polysaccharides, i.e. compounds containing more than five saccharide radicals attached to each other by glycosidic bonds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the invention relates to an energetic substrate obtained by steam cracking of a biomass. More specifically, the invention relates to a steam cracked biomass in the form of a dry powder and devoid of any chemical additive, its manufacturing process and its use as a substrate for green chemistry and biotechnological processes such as enzymatic hydrolysis and fermentation. .
  • Biotechnological or green chemistry processes use carbon substrates derived from food plant raw materials, produced intensively, at high cost.
  • the LCA (life cycle analysis) of the substrate as well as food competition and the price of the raw material are obstacles to the development of these biobased products and to the bioeconomy in general.
  • the use of so-called second-generation lignocellulosic biomass - 2G would reduce environmental impacts (fossil CO2 emissions, fertilizers, plant protection products) and competition from use and price of the food sector.
  • Steam cracking differs from hydrothermal pretreatment, also known as aqueous fractionation, solvolysis, hydrothermolysis or hydrothermal treatment, in that the latter involves using water at high temperature and pressure to promote the disintegration and separation of the gas. lignocellulosic matrix.
  • Ethanol is one of the only biotechnological commodities which tries to start to date on a lignocellulosic basis.
  • WO2013 / 018034 A1 relates to a method of producing a substrate for the growth of fungi.
  • the production of the substrate can be carried out by applying various processing methods and in particular that of steam explosion.
  • a spray is applied to the lignocellulosic material which is then placed in a reactor which heats the biomass with steam at temperatures ranging from 160 ° C to 230 ° C. ° C.
  • the reactor reaches a pressure between 12 and 28 atmospheres then atmospheric pressure is immediately reduced to atmospheric pressure, creating a steam explosion.
  • Document WO2013 / 105034 describes a process for treating lignocellulosic biomass to obtain a liquid composition.
  • the treatment of biomass is characterized by a soaking step to obtain a solid fraction and a liquid fraction.
  • part of the liquid fraction is separated, while the other fraction (the solid fraction and part of the liquid fraction) undergo a steam explosion step on the solid fraction to again obtain a solid fraction and liquid.
  • a mixture of the newly obtained liquid fraction with the solid fraction obtained in the first step is described by a soaking step to obtain a solid fraction and a liquid fraction.
  • Document WO2013 / 152771 relates to a process for treating lignocellulosic biomass to produce biofuels such as ethanol, butanol, hydrogen, methanol and biogas. This process uses a technique based on the properties of mechanical steam explosion by diabatic mechanical decomposition and under pressure.
  • the documents FR 2 997 094 A1 and WO 2014/060673 A1 respectively describe: a process for producing so-called “second generation” ethanol from lignocellulosic biomass and a process for producing so-called “second generation” alcohols from of lignocellulosic biomass.
  • These processes include different stages, namely: pretreatment in a reactor by steam explosion followed by a stage of enzymatic hydrolysis of the pretreated substrate then a stage of ethylic fermentation of the solubilized sugars, then an extraction of ethanol or alcohols. fermented effluent and recycling upstream or in the pre-treatment reactor of an aqueous internal stream comprising ethanol or alcohol.
  • EP 3 054050 A describes a process for the continuous treatment of a lignocellulosic feed to produce a dehydrated lignocellulosic feed having a moisture content in the first target range which is 65% to 85%. It describes a process which may involve a steam explosion step at a severity factor between 2.8 and 5.3.
  • auxiliaries ascid or alkali
  • these auxiliaries accentuate the chemical degradation of sugars leading to a loss of yield and the creation of inhibitors of microorganisms and enzymes used in biotechnological or green chemistry processes, requiring an overconsumption of the latter, or of pollutants to be separated from the final product.
  • the solutions proposed by the state of the art involve where the severity factor is not an established parameter.
  • the severity factor is however important since it makes it possible to obtain different compounds according to its intensity.
  • the solutions of the prior art propose processes which are not carried out continuously, having high humidity levels for the initial biomass. To date, there is no process for preparing biomass for application with high added value which is viable from an industrial and economic point of view.
  • the present invention provides a carbonaceous substrate free from added acidic or alkali compounds, which is "ready to use” for use in biotechnology, chemistry or green chemistry processes.
  • This substrate is prepared using a continuous steam cracking process of a dry lignocellulosic biomass without adding any chemical auxiliary.
  • the objective is also to reduce production costs, for example in parallel with a main use (black granules or "black pellet") by taking an intermediate product from production (powder or "granulettes", that is to say - say granules of medium compression density), and use it as a substrate for hydrolysis (sugars for green chemistry) or hydrolysis and fermentation (sugars for biotechnology).
  • the invention therefore relates to a pulverulent carbonaceous chemical reaction substrate obtained by continuous steam cracking of a lignocellulosic biomass without chemical auxiliary, a composition comprising such a substrate as well as its uses.
  • the process is economically viable for commodities such as energy, and therefore a fortiori viable for products with higher added value.
  • the carbonaceous substrate obtained is stable.
  • Another advantage of the process for preparing the pulverulent substrate according to the invention is that it does not generate effluents because it does not include chemical treatment (especially acid).
  • the substrate is stable, which allows its storage and transport. It can be enzymatically hydrolyzed from 50% to 70%, despite the absence of acid or alkali pretreatment.
  • the product is inexpensive, does not require the use of water or effluent, it is derived from an inexpensive commodity product and can be used to produce products with high added value.
  • the pulverulent carbonaceous substrate according to the invention is advantageously used for the production of sugars and co-products such as lignin.
  • the steam-cracked biomass in powder form can be upgraded to sugars such as xylose by chemical release as well as the pretreated cellulosic part which can be hydrolyzed by cellulolytic enzymes into simple sugars; these sugars can then be transformed by chemistry or by bioconversion / fermentation into molecules with higher added value in the fields of biotechnology and green chemistry.
  • sugars such as xylose by chemical release as well as the pretreated cellulosic part which can be hydrolyzed by cellulolytic enzymes into simple sugars; these sugars can then be transformed by chemistry or by bioconversion / fermentation into molecules with higher added value in the fields of biotechnology and green chemistry.
  • a first object of the invention relates to a pulverulent carbonaceous substrate of chemical or biochemical reaction obtained by continuous steam cracking of a lignocellulosic biomass at a humidity level of between 5% and 27% without chemical auxiliary.
  • the steam cracking is carried out by applying a severity factor of between 3 and 5.
  • chemical reaction within the meaning of the invention, is meant any reaction including biochemical reactions such as fermentations, enzymatic hydrolyses, biotechnological processes in addition to conventional chemical transformations.
  • the notion of chemical reaction does not include a combustion reaction.
  • pulverulent substrate within the meaning of the invention, is meant a substrate in the form of powder or in the form of granules, or weakly compressed granules also called “granules”. These granules correspond to a form of powder compressed so as to give it the shape of a granule but which rapidly releases a powder by soaking (not very advanced granulation). This form can be adopted when packaging the product in order to facilitate handling, but its characteristics are those of a powder when the substrate is impregnated with a solution (enzymatic, acid, etc.).
  • the biomass powder obtained by steam cracking comprises at least 50% of pulverulent compounds with a cross section of less than 0.5 millimeters and at least 10% of fibrous compounds having a length greater than 1 millimeter ”.
  • the granules have a cylindrical shape. Their length can be defined as being 99.9% less than 5 cm, and 99.0% less than 4 cm and less than 10% less than 1 cm. On the other hand, at least 99.0% of the granules have a diameter greater than or equal to the diameter chosen, namely for example 6, 8 or 10 mm. Finally, their bulk density (with a volume cylinder of 5 liters of granules tapped 3 times per drop from height of 20 cm) is between 600 g / L and 700 g / L.
  • the granules have dimensions equivalent to those of the granules but have a density of less than 600 g / L, generally between 300 and 600 g / L.
  • This powdery substrate is particularly suitable for the implementation of biochemical reactions such as enzymatic hydrolysis, fermentation or any other chemical or biochemical reaction.
  • the substrate is in powder form implies that it is in dry form, preferably between 5% and 27% humidity. This characteristic differentiates it from other forms of biomass used for biochemical reactions which are in liquid form. Indeed, the biomasses of the prior art are impregnated, in particular with chemical auxiliaries before treatment and treated in a liquid medium after steam cracking to eliminate these auxiliaries. While presentation in liquid or wet form may be suitable for biochemical applications, this is problematic for the conservation of the biomass which will necessarily ferment.
  • the substrate according to the invention therefore has the advantage of being dry thanks to a preparation process by steam cracking without prior impregnation, that is to say from biomass with a moisture content preferably between 5 and 27% (directly or possibly after drying).
  • the process does not involve the addition of chemical auxiliaries (or additives) which produces a clean substrate.
  • the term “chemical auxiliary” means any compound or any solution capable of remaining in the steam cracked product or in the effluents. These auxiliaries create impurities in the steam cracked product with a view to its uses and pollutants in the effluents to be discharged. Such chemical auxiliaries are for example acids, bases, organic solvents or organic molecules, salts ... Are not considered as chemical auxiliaries products such as lime, carbon dioxide and the dissociated forms of renewable carbon dioxide because they are inert vis-à-vis the intended uses and the environment.
  • the severity factor depends on the pressure, temperature and duration of treatment. In a preferred embodiment of the invention, a severity factor is between 3 and 5. In a particular embodiment of the invention, the severity factor corresponds to treatment for a few minutes (generally between 5 and 5. 30 min).
  • a second subject of the invention relates to a “ready-to-use” dry composition
  • a “ready-to-use” dry composition comprising a pulverulent substrate as defined above and at least one enzyme.
  • the dry composition can be stored and transported, it is stable.
  • the enzymes allow hydrolysis of the biomass once it is impregnated by the user.
  • the enzymes in a dry environment are inactive and their activation is initiated by humidifying, or even by soaking, the composition.
  • the enzymes which can be associated with the biomass in such a composition can for example be chosen from cellulases, a beta-glucosidase, hemicellulases, etc.
  • a third subject of the invention relates to a “ready-to-use” dry composition
  • a “ready-to-use” dry composition comprising a pulverulent substrate as defined above and at least one microorganism.
  • the dry composition can be stored and transported, it is stable.
  • the microorganisms allow the fermentation of the biomass once it has been impregnated by the user.
  • the microorganisms are not active in a dry environment (the biomass in powder form) and their metabolism is activated by humidifying, or even by soaking, the composition.
  • microorganisms associated with the substrate may be of a different nature, in particular a microbial biomass or microalgae.
  • Microbial biomass can contain bacteria, yeasts, fungi or any other type of cell.
  • the invention relates to a “ready to use” dry composition
  • a “ready to use” dry composition comprising a pulverulent substrate, at least one enzyme and at least one microorganism.
  • a third object of the invention relates to the use of a substrate as defined above as a chemical reaction support.
  • the substrate is used as a production support for the culture of microorganisms.
  • a fourth object of the invention relates to a process for obtaining sugars from lignocellulosic biomass consisting in subjecting a pulverulent carbonaceous substrate to enzymatic hydrolysis or in cultivating a “ready-to-use” dry composition comprising a pulverulent substrate. and enzymes.
  • the substrate obtained from biomass can be subjected to enzymatic hydrolysis to produce high added value sugars such as xylose, glucose, etc.
  • the enzymatic and fermentation reactions also generate co-products that must be able to be upgraded, such as the hydrolysis or fermentation residue which contains lignin and fibers with a high PCI, resinous or terpene derivatives, phenolic compounds (coumaric , ferulic), condensates rich in furfuraldehyde (polymerization monomer), acetic and formic acid, etc.
  • Soluble or insoluble lignin co-products can be used as materials (resins, binding agents, fillers).
  • a fifth object of the invention relates to a process for obtaining molecules of interest from lignocellulosic biomass consisting (i) in subjecting a pulverulent carbonaceous substrate to fermentation or (ii) in cultivating a "ready-to-use” dry composition. the use “comprising a pulverulent substrate and at least and a microorganism or (iii) in subjecting a pulverulent substrate to a (conventional) chemical transformation process.
  • the molecules of interest that can be obtained are for example intended for the field of bioenergy (biofuels, biogas ... such as bioethanol, biomethanol, biomethane ”) or bioplastics (biomaterials, biocomposites) or bioproducts ( proteins, solvents, any other chemical molecule .%)
  • the substrate according to the invention can be used in many applications: by manufacturers seeking to produce bioethanol and biobutanol and isobutene and farnesene to make liquid biofuels (especially biofuels, towards light or heavy vehicles such as BP, SHELL, towards aviation like TOTAL); by biotechnologists who want to ferment 2G sugars (cellulosic glucose and xylose) to basic building blocks for industry, bioplastics or bioproducts (methane, methanol, formic acid, formalin, ethanol, ethylene, acetic acid , oxalic acid, ethanal, propanol, propanediol, acetone, popionic acid, lactic acid, maleic acid, malic acid, fumaric acid, succinic acid, butanol, butanediol, isobutene, butyric acid, hydroxybutyric acid, valeric acid, glutaric acid, capric acid , caproic acid, caprylic acid, amino acids, etc.); by the
  • a sixth object relates to a process for the continuous preparation of a pulverulent chemical reaction substrate as defined above by steam cracking of a lignocellulosic biomass, characterized in that the process is implemented:
  • the process allows the preparation of a powdery substrate of chemical reaction except combustion.
  • the manufacture of a carbonaceous powder substrate according to the invention can be carried out from wood, by implementing the following steps: - obtaining wood from fragments of wood with a dimension of between 0.5 and 14 mm with a moisture content of between 5 and 27%;

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Abstract

L'invention a trait à un substrat énergétique obtenu par vapocraquage d'une biomasse. Plus précisément, l'invention concerne une biomasse vapocraquée sous forme de poudre sèche et dépourvue de tout additif chimique, son procédé de fabrication et son utilisation en tant que substrat pour la chimie verte et les procédés biotechnologiques telles que l'hydrolyse enzymatique et la fermentation.

Description

SUBSTRAT PULVERULENT OBTENU PAR VAPOCRAQUAGE D'UNE BIOMASSE SANS
AUXILIAIRE CHIMIQUE ET SES UTILISATIONS
L'invention a trait à un substrat énergétique obtenu par vapocraquage d'une biomasse. Plus précisément, l'invention concerne une biomasse vapocraquée sous forme de poudre sèche et dépourvue de tout additif chimique, son procédé de fabrication et son utilisation en tant que substrat pour la chimie verte et les procédés biotechnologiques telles que l'hydrolyse enzymatique et la fermentation.
Domaine de l'invention
Les procédés biotechnologiques ou de chimie verte utilisent des substrats carbonés issus des matières premières végétales alimentaires, produite de manière intensive, à coût élevé. L'ACV (analyse de cycle de vie) du substrat ainsi que la concurrence alimentaire et le prix de la matière première sont des freins au développement de ces produits biosourcés et de la bioéconomie en général. L'utilisation de biomasse lignocellulosique dite de seconde génération - 2G (bois, résidus agricoles, coproduits de l'agriculture et de l'agro-industrie) permettrait de réduire les impacts environnementaux (émission CO2 fossile, fertilisants, phytosanitaires) et la concurrence d'usage et de prix du domaine alimentaire.
De nombreux projets ont été lancés depuis 2006 (120 à travers le monde) sur ce sujet. Leur principe est l'explosion à la vapeur d'eau de la biomasse. La plupart rajoute un auxiliaire chimique tel que de l'acide sulfurique ou de l'ammoniaque alcalin. Tous utilisent un procédé « humide » : la biomasse est mouillée de l'ordre de 40 à 70% d'eau. Une fois l'explosion réalisée, la matière est soit détoxifiée, soit directement utilisée en rajoutant des enzymes hydrolysant les polymères de sucres, puis simultanément ou subséquemment des microorganismes pour convertir les sucres libérés en molécule d'intérêt.
Le vapocraquage diffère d'un prétraitement hydrothermique, aussi appelé fractionnement aqueux, solvolyse, hydrothermolyse ou traitement hydrothermique, en ce que ce dernier consiste à utiliser de l'eau à haute température et à haute pression afin de promouvoir la désintégration et la séparation de la matrice lignocellulosique.
Ainsi, rares sont les procédés à taille industrielle de transformation de la biomasse ligno cellulosique ayant une réalité technique à grande échelle et une viabilité économique, ainsi qu'un bon bilan environnemental, sans risques. L'éthanol est une des seules commodités biotechnologiques qui tente de démarrer à ce jour sur base ligno-cellulosique.
Etat de la technique Le document W02013/018034 Al concerne une méthode de production de substrat pour la croissance des champignons. La production du substrat peut s'effectuer en appliquant diverses méthodes de traitement et notamment celle de l'explosion à la vapeur. Lors d'utilisation de la méthode d'explosion à la vapeur, une pulvérisation est appliquée à la matière ligno-cellulosique qui est ensuite placée dans un réacteur qui chauffe la biomasse grâce à de la vapeur à des températures allant de 160°C à 230°C. Le réacteur atteint une pression entre 12 et 28 atmosphères puis la pression atmosphérique est immédiatement réduite à la pression atmosphérique, créant une explosion à la vapeur.
Le document W02013/105034 décrit un procédé de traitement de biomasse ligno- cellulosique pour obtenir une composition liquide. Le traitement de la biomasse se caractérise par une étape de trempage pour obtenir une fraction solide et une fraction liquide. Ensuite, une partie de la fraction liquide est séparée, tandis que l'autre fraction (la faction solide et une partie de la fraction liquide) subit une étape d'explosion à la vapeur sur la fraction solide pour obtenir à nouveau une fraction solide et liquide. Enfin un mélange de la fraction liquide nouvellement obtenue avec la fraction solide obtenu à la première étape.
Le document WO2013/152771 concerne un procédé de traitement d'une biomasse lignocellulosique pour produire des biocarburants tels que l'éthanol, le butanol, l'hydrogène, le méthanol et le biogaz. Ce procédé utilise une technique reposant sur les propriétés de l'explosion mécanique à la vapeur par décomposition mécanique diabatique et sous pression.
Les documents FR 2 997 094 Al et WO 2014/060673 Al décrivent respectivement : un procédé de production d'éthanol dit de "seconde génération" à partir de biomasse lignocellulosique et un procédé de production d'alcools dit de "seconde génération" à partir de biomasse lignocellulosique. Ces procédés comprennent différentes étapes à savoir : prétraitement dans un réacteur par explosion à la vapeur suivi d'une étape d'hydrolyse enzymatique du substrat prétraité puis une étape de fermentation éthylique des sucres solubilisés, puis une extraction de l'éthanol ou d'alcools de l'effluent fermenté et un recyclage en amont ou dans le réacteur de prétraitement d'un flux interne aqueux comprenant de l'éthanol ou de l'alcool.
Les documents WO2014/204519 Al et WO2013/191897 Al décrivent le traitement de la biomasse en utilisant des méthodes d'explosion à la vapeur en tant que prétraitement avant gazéification ou combustion.
Enfin, le document EP 3 054050 A décrit un procédé de traitement continu d'une charge ligno cellulosique pour produire une charge d'alimentation ligno-cellulosique déshydratée ayant une teneur en humidité dans la première plage cible qui est de 65% à 85%. Il décrit un procédé pouvant impliquer une étape d'explosion à la vapeur à un facteur de sévérité compris entre 2,8 et 5,3.
Inconvénients de l'état de la technique
La majorité des procédés se heurtent à des problèmes techniques et économiques : l'utilisation d'auxiliaires chimiques (acide ou alcalin) a un coût à l'usage ; ceux-ci sont utilisés par exemple pour le prétraitement en augmentant la sévérité, et pour la neutralisation du pH en vue de l'usage d'auxiliaire biologique (enzymes, micro-organismes). De plus, ces auxiliaires accentuent la dégradation chimique des sucres entraînant une perte de rendement et la création d'inhibiteurs des microorganismes et des enzymes utilisés dans les procédés biotechnologiques ou de chimie verte, nécessitant une surconsommation de ces derniers, ou de polluants à séparer du produit final. De plus, même en l'absence d'auxiliaires, la dilution de la biomasse par imprégnation entraîne une augmentation des coûts énergétiques de traitement thermique, et un titre en substrat plus faible dont la dilution coûte lors des procédés de purification (comme l'extraction ou la distillation). Au final, ces procédés sont chers en dépenses d'investissement (corporel et incorporel) consacrées à l'achat d'équipement professionnel (CAPEX) et en dépenses d'exploitation (OPEX).
De plus, les solutions proposées par l'état de la technique mettent en jeu dans lesquels le facteur de sévérité n'est pas un paramètre établi. Le facteur de sévérité est pourtant important puisqu'il permet d'obtenir des composés différents selon son intensité. De plus, les solutions de l'art antérieur proposent des procédés qui ne s'effectuent pas en continu, ayant des taux d'humidité pour la biomasse initiale élevés. Il n'existe pas à ce jour de procédé de préparation de biomasse pour application à haute valeur ajoutée qui soit viable d'un point de vue industriel et économique.
Exposé de l'invention
La présente invention fournit un substrat carboné dépourvu de composés acides ou alcalins ajoutés, qui est « prêt-à-l'emploi » pour une mise en œuvre dans des procédés biotechnologiques, de chimie ou de chimie verte. Ce substrat est préparé grâce à un procédé en continu de vapocraquage d'une biomasse ligno-cellulosique sèche et sans ajout d'auxiliaire chimique.
L'objectif est aussi de réduire les coûts de production, par exemple en parallèle d'un usage principal (granulés noirs ou « black pellet ») en prélevant un produit intermédiaire de la production (poudre ou « granulettes », c'est-à-dire des granulés de moyenne densité de compression), et de l'employer comme substrat d'hydrolyse (sucres pour chimie verte) ou d'hydrolyse et fermentation (sucres pour biotechnologie). L'invention concerne donc un substrat carboné pulvérulent de réaction chimique obtenu par vapocraquage en continu d'une biomasse ligno-cellulosique sans auxiliaire chimique, une composition comprenant un tel substrat ainsi que ses utilisations.
Avantages de l'invention
Le procédé est viable économiquement pour des commodités comme l'énergie, donc a fortiori viable pour des produits à plus haute valeur ajoutée. Le substrat carboné obtenu est stable.
L'aspect économique est primordial : le travail en continu et à sec permet de réduire les tailles des équipements (flux continu) et leur volume à traiter (flux sec), donc le CAPEX ; l'absence d'auxiliaires technologiques chimiques limite les pertes par dégradation et coûte moins cher en charges d'achat et en charge de neutralisation, et en pollution à traiter (OPEX) ; cela préserve aussi les équipements de la corrosion (CAPEX). La biomasse entrante a subi une modification seulement thermique et mécanique, et n'est donc pas adjuvantée. Elle conserve donc sa qualité primaire « naturelle » ; par ailleurs, elle est moins coûteuse à produire qu'avec des procédés humides (40% à 70% d'humidité) et chimique en traitement thermique. Enfin, elle est issue d'un procédé industriel viable et robuste, installé, ce qui permet d'avoir accès à une biomasse préparée par vapocraquage à des volumes permettant l'économie d'échelle, donc les réductions d'OPEX et de CAPEX.
Un autre avantage du procédé de préparation du substrat pulvérulent selon l'invention est qu'il ne génère pas d'effluents car il ne comprend pas de traitement chimique (acide notamment). Le substrat est stable, ce qui permet son stockage et son transport. Il peut être hydrolysé enzymatiquement de 50% à 70%, malgré l'absence de prétraitement acide ou alcalin. Enfin, le produit est peu cher, ne nécessite pas d'emploi d'eau ni d'effluent, il est dérivé d'un produit de commodité peu cher et est utilisable pour produire des produits à haute valeur ajoutée.
Le substrat carboné pulvérulent selon l'invention est avantageusement utilisé pour la production de sucres et de coproduits comme la lignine.
La biomasse vapocraquée sous forme de poudre peut être valorisée en sucres comme le xylose par libération chimique ainsi que la partie cellulosique prétraitée qui peut être hydrolysée par des enzymes cellulolytiques en sucres simples ; ces sucres peuvent ensuite être transformés par chimie ou par bioconversion / fermentation en molécules à plus haute valeur ajoutée dans les domaines de la biotechnologie et de la chimie verte.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Un premier objet de l'invention concerne un substrat carboné pulvérulent de réaction chimique ou biochimique obtenu par vapocraquage en continu d'une biomasse ligno- cellulosique à un taux d'humidité compris entre 5% et 27% sans auxiliaire chimique.
Dans un mode de réalisation préféré, le vapocraquage est réalisé en appliquant un facteur de sévérité compris entre 3 et 5.
Par « réaction chimique » au sens de l'invention, on entend toute réaction incluant les réactions biochimiques comme les fermentations, les hydrolyses enzymatiques, les procédés biotechnologiques en plus des transformations chimiques classiques. La notion de réaction chimique n'inclut pas une réaction de combustion.
Par « substrat pulvérulent » au sens de l'invention, on entend un substrat sous forme de poudre ou sous une forme de granulés, ou granulés faiblement compressés aussi appelés « granulettes ». Ces granulettes correspondent à une forme de poudre compressée de sorte à donner à celle-ci la forme d'un granulé mais qui libère rapidement une poudre par trempage (granulation peu avancée). Cette forme peut être adoptée lors du conditionnement du produit afin d'en faciliter la manipulation mais ses caractéristiques sont celles d'une poudre dès lors que le substrat est imprégné d'une solution (enzymatique, acide...).
La poudre de biomasse obtenue par vapocraquage comprend au moins 50% de composés pulvérulents de section inférieure à 0,5 millimètres et au moins 10% de des composés fibreux présentant une longueur supérieure à 1 millimètre » .
Les granulés ont une forme cylindrique. Leur longueur peut être définie comme étant à 99,9% inférieure à 5 cm, et à 99,0% inférieure à 4 cm et à moins de 10% inférieure à 1 cm. D'autre part, au moins 99,0% des granulés ont un diamètre supérieur ou égal au diamètre choisi, à savoir par exemple 6, 8 ou 10 mm. Enfin, leur densité en vrac (avec un cylindre de volume de 5 litres de granulés tapé 3 fois par chute de hauteur de 20 cm) est comprise entre 600 g/L et 700 g/L.
Les granulettes ont des dimensions équivalentes à celles des granulés mais ont une densité inférieure à 600 g/L, généralement comprise entre 300 et 600 g/L.
Ce substrat pulvérulent est particulièrement adapté à la mise en œuvre de réactions biochimiques telles que l'hydrolyse enzymatique, la fermentation ou toute autre réaction chimique ou biochimique.
Le fait que le substrat se présente sous forme de poudre implique qu'il est sous forme sèche, de préférence entre 5% et 27% d'humidité. Cette caractéristique le différencie des autres formes de biomasse utilisées pour des réactions biochimiques qui sont sous forme liquide. En effet, les biomasses de l'art antérieur sont imprégnées, notamment avec des auxiliaires chimiques avant traitement et traitées en milieu liquide après vapocraquage pour éliminer ces auxiliaires. Si une présentation sous forme liquide ou humide peut convenir pour les applications biochimiques, cela est problématique pour la conservation de la biomasse qui va nécessairement fermenter.
Le substrat selon l'invention présente donc l'avantage d'être sec grâce à un procédé de préparation par vapocraquage sans imprégnation préalable, c'est-à-dire à partir de biomasse avec un taux d'humidité de préférence compris entre 5 et 27 % (directement ou éventuellement après séchage). De plus, le procédé n'implique pas l'ajout d'auxiliaires (ou additifs) chimiques ce qui produit un substrat propre.
Par « auxiliaire chimique » au sens de l'invention, on entend tout composé ou toute solution susceptible de rester dans le produit vapocraqué ou dans les effluents. Ces auxiliaires créent des impuretés dans le produit vapocraqué en vue de ses utilisations et des polluants dans les effluents à rejeter. De tels auxiliaires chimiques sont par exemple des acides, des bases, des solvants organiques ou des molécules organiques, des sels ... Ne sont pas considérés comme des auxiliaires chimiques des produits tels que la chaux, le dioxyde de carbone et les formes dissociées du dioxyde de carbone renouvelables car ils sont inertes vis-à-vis des utilisations envisagées et de l'environnement.
Le facteur de sévérité dépend de la pression, de la température et de la durée du traitement. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un facteur de sévérité est compris entre 3 et 5. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le facteur de sévérité correspond à un traitement pendant quelques minutes (généralement comprise entre 5 et 30 min).
Un deuxième objet de l'invention concerne une composition sèche « prêt à l'emploi » comprenant un substrat pulvérulent tel que défini précédemment et au moins une enzyme.
La composition sèche peut être conservée et transportée, elle est stable.
Les enzymes permettent une hydrolyse de la biomasse une fois que celle-ci est imprégnée, par l'utilisateur. En effet, les enzymes en milieu sec (la biomasse sous forme de poudre) sont inactives et leur activation est initiée en humidifiant, voire en trempant la composition.
Les enzymes qui peuvent être associées à la biomasse dans une telle composition peuvent être par exemple choisies parmi des cellulases, une béta-glucosidase, des hémicellulases...
Un troisième objet de l'invention concerne une composition sèche « prêt à l'emploi » comprenant un substrat pulvérulent tel que défini précédemment et au moins un micro organisme.
La composition sèche peut être conservée et transportée, elle est stable. Les micro-organismes permettent la fermentation de la biomasse une fois que celle-ci est imprégnée, par l'utilisateur. En effet, les microorganismes ne sont pas actifs en milieu sec (la biomasse sous forme de poudre) et leur métabolisme est activé en humidifiant, voire en trempant la composition.
Les microorganismes associés au substrat peuvent être de nature différente notamment une biomasse microbienne ou des micro-algues. La biomasse microbienne peut contenir des bactéries, des levures, des champignons ou tout autre type de cellule.
Dans un mode de réalisation particulier, l'invention concerne une composition sèche « prêt à l'emploi » comprenant un substrat pulvérulent, au moins une enzyme et au moins un micro organisme.
Un troisième objet de l'invention concerne l'utilisation d'un substrat tel que défini précédemment en tant que support de réaction chimique.
Dans un mode de réalisation particulier, le substrat est utilisé comme support de production pour la culture de micro-organismes.
Il s'agit d'utiliser le substrat pour apporter aux microorganismes qui constituent la biomasse les nutriments nécessaires à leur multiplication. Il suffit de mélanger un échantillon de biomasse avec le substrat dans des conditions appropriées (humidité, température...) pour faire croître les microorganismes.
Un quatrième objet de l'invention concerne un procédé d'obtention de sucres à partir de biomasse ligno-cellulosique consistant à soumettre un substrat carboné pulvérulent à une hydrolyse enzymatique ou à cultiver une composition sèche « prêt à l'emploi » comprenant un substrat pulvérulent et des enzymes.
Le substrat obtenu à partir de biomasse peut être soumis à une hydrolyse enzymatique pour produire des sucres à haute valeur ajoutée tels que le xylose, glucose...
Les réactions enzymatiques et de fermentation génèrent par ailleurs des coproduits qui doivent pouvoir être valorisés, comme par exemple le résidu d'hydrolyse ou de fermentation qui contient de la lignine et fibres à fort PCI, des dérivés résineux ou terpéniques, des composés phénoliques (coumarique, férulique), des condensats riches en furfuraldéhyde (monomère de polymérisation), en acide acétique et formique... Les coproduits de la lignine soluble ou insoluble peuvent être utilisés en tant que matériaux (résines, agents liants, charges). Un cinquième objet de l'invention concerne un procédé d'obtention de molécules d'intérêt à partir de biomasse ligno-cellulosique consistant (i) à soumettre un substrat carboné pulvérulent à une fermentation ou (ii) à cultiver une composition sèche « prêt à l'emploi » comprenant un substrat pulvérulent et au moins et un micro-organisme ou (iii) à soumettre un substrat pulvérulent à un procédé de transformation chimique (classique).
Les molécules d'intérêt qui peuvent être obtenues sont par exemple destinées au domaine des bioénergies (biocarburants, biogaz... tels que le bioéthanol, le biométhanol, le biométhane...) ou des bioplastiques (biomatériaux, biocomposites) ou des bioproduits (protéines, solvants, toute autre molécule chimique....)
Le substrat selon l'invention peut être utilisé dans de nombreuses applications : par les industriels qui cherchent à produire du bioéthanol et biobutanol et isobutène et farnésène pour faire des biocombustibles liquides (biocarburants notamment, vers véhicules légers ou lourds comme BP, SHELL, vers aviation comme TOTAL) ; par les biotechnologistes qui souhaitent fermenter des sucres 2G (glucose cellulosique et xylose) vers les synthons (building blocks) de base de l'industrie, des bioplastiques ou des bioproduits (méthane, méthanol, acide formique, formol, éthanol, éthylène, acide acétique, acide oxalique, éthanal, propanol, propanediol, acétone, acide popionique, acide lactique, acide maléique, acide malique, acide fumarique, acide succinique, butanol, butanediol, isobutène, acide butyrique, acide hydroxybutyrique, acide valérique, acide glutarique, acide caprique, acide caproïque, acide caprylique, acides aminés, etc...) ; par les producteurs de microorganismes (start-up ou spin- off) qui projettent de fabriquer de la biomasse microbienne d'origine non alimentaire (levures riches en protéines, ou en huiles, ou microalgues hétérotrophes sans lumière.
Un sixième objet concerne un procédé de préparation en continu d'un substrat pulvérulent de réaction chimique tel que défini précédemment par vapocraquage d'une biomasse ligno- cellulosique caractérisé en ce que le procédé est mis en œuvre :
- à un taux d'humidité compris entre 5 et 27 % et
- sans auxiliaire chimique.
Dans un mode de réalisation préféré, le procédé permet la préparation d'un substrat pulvérulent de réaction chimique à l'exception d'une combustion.
EXEMPLES
EXEMPLE 1 : Mise en œuvre d'un procédé de vapocraquage permettant d'obtenir un substrat pulvérulent carboné
La fabrication d'un substrat pulvérulent carboné selon l'invention peut être réalisée partir de bois, en mettant en œuvre les étapes suivantes : - obtention de bois de fragments de bois de dimension comprise entre 0,5 et 14 mm présentant un taux d'humidité compris entre 5 et 27% ;
- introduction en continu d'un volume prédéterminée par minute desdits fragments de bois obtenus dans un réacteur sous pression, ledit réacteur étant alimenté en vapeur d'eau sensiblement saturée dont la pression est comprise entre 10 et 25 bars et la température est comprise entre 180 et 220°C ;
- exposition des fragments de bois introduits dans ledit réacteur à ladite vapeur d'eau pendant une durée suffisante pour obtenir un vapocraquage comprise entre 5 et 30 minutes, la valeur de ladite durée d'exposition et la valeur de la température de ladite vapeur sensiblement saturée étant sélectionnées de sorte que le facteur de sévérité soit compris entre 3 et 5, de préférence entre 3,5 et 4;
- extraction en continu dudit réacteur d'un même volume prédéterminé de fragments de bois par minute, au travers d'une pluralité d'orifices débouchant dans un conduit sensiblement à la pression atmosphérique, de sorte à provoquer une décompression explosive desdits fragments de bois extraits dudit réacteur dans ledit conduit ;
- séparation de la poudre vapocraquée et de la vapeur résiduelle extraite dudit réacteur, ladite poudre vapocraquée de bois obtenue après séparation formant ledit substrat pulvérulent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Substrat carboné pulvérulent de réaction chimique ou biochimique obtenu par vapocraquage en continu d'une biomasse ligno-cellulosique à un taux d'humidité compris entre 5% et 27% sans auxiliaire chimique en appliquant un facteur de sévérité compris entre 3 et 5 .
2. Composition sèche « prêt à l'emploi » comprenant un substrat pulvérulent tel que défini à la revendication 1 et au moins une enzyme.
3. Composition sèche « prêt à l'emploi » comprenant un substrat pulvérulent tel que défini à la revendication 1 et au moins un micro-organisme.
4. Composition sèche « prêt à l'emploi » comprenant un substrat pulvérulent tel que défini à la revendication 1 et au moins une enzyme et au moins un microorganisme.
5. Composition selon l'une des revendications 2 à 4 dans laquelle lesdits micro organismes sont une biomasse microbienne.
6. Composition selon l'une des revendications 2 à 4, dans laquelle lesdits micro organismes sont des micro-algues.
7. Utilisation d'un substrat tel que défini à la revendication 1 en tant que support de réaction chimique.
8. Utilisation d'un substrat tel que défini à la revendication 1 en tant que support de production pour la culture de microorganismes.
9. Procédé d'obtention de sucres à partir de biomasse ligno-cellulosique consistant (i) à soumettre un substrat carboné pulvérulent tel que défini à la revendication 1 à une hydrolyse enzymatique ou (ii) à cultiver une composition selon l'une des revendications 3 à 6.
10. Procédé de production de molécules d'intérêt consistant (i) à soumettre un substrat carboné pulvérulent tel que défini à la revendication 1 à une fermentation ou (ii) à cultiver une composition selon l'une de revendications 3 à 6 ou (iii) à un procédé de transformation chimique classique.
11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel lesdites molécules d'intérêt sont destinées au domaine des bioénergies ou des bioplastiques ou des bioproduits.
12. Procédé de préparation en continu d'un substrat pulvérulent de réaction chimique à l'exception d'une combustion tel que défini à la revendication 1 par vapocraquage d'une biomasse ligno-cellulosique caractérisé en ce que le procédé est mis en œuvre :
- à un taux d'humidité compris entre 5 et 27 % et
- sans auxiliaire chimique.
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