FR2932815A1 - Procede de pretraitement de la matiere premiere vegetale pour la production, a partir de ressources sacchariferes et lignocellulosiques, de bioethanol et/ou de sucre, et installation. - Google Patents

Procede de pretraitement de la matiere premiere vegetale pour la production, a partir de ressources sacchariferes et lignocellulosiques, de bioethanol et/ou de sucre, et installation. Download PDF

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Abstract

L'invention propose un procédé de prétraitement de la matière première végétale en vue de la production de bioéthanol et/ou de sucre au moyen d'une chambre commune (12), caractérisé en ce que : - lors d'une période, la matière végétale (MP), introduite dans la chambre commune de prétraitement, est une matière première végétale lignocellulosique dont le prétraitement vise à séparer la cellulose, les hémicelluloses et les lignines pour l'obtention d'une matière végétale prétraitée apte à être hydrolysée et à être fermentée pour la production de bioéthanol ; - lors d'une autre période, la matière végétale (MP), introduite dans la chambre commune de prétraitement, est une matière première végétale saccharifère dont le prétraitement vise à en extraire, par diffusion, un jus sucré pour la production de sucre et/ou de bioéthanol.

Description

2932815 i "Procédé de prétraitement de la matière première végétale pour la production, à partir de ressources saccharifères et lignocellulosiques, de bioéthanol et/ou de sucre, et installation" DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention concerne la valorisation de la biomasse, et notamment l'usage non alimentaire de produits io agricoles. L'invention concerne notamment la production de bioéthanol à partir de la matière végétale. La valorisation des productions végétales agricoles, autres que sous la forme de produits alimentaires quasi-directement consommables par les hommes ou les animaux nécessite des 15 investissements industriels très importants, notamment pour la réalisation d'installations de transformation de la matière première végétale. Ainsi, en vue de la production de sucre à partir de ressources saccharifères, telles que la betterave sucrière ou la 20 canne à sucre, il est nécessaire de disposer d'une sucrerie dont l'utilisation annuelle réelle, en fonction de la matière première végétale utilisée, varie de 2400 à 3600 heures/an. En dehors de ces périodes de production, qui correspondent aux périodes de productions agricoles de la matière 25 première végétale concernée, les installations sont inutilisées. De nombreux procédés de production ont été optimisés afin notamment de réduire les coûts de production et d'augmenter la valorisation industrielle, par exemple dans le cadre de la production de sucre et d'alcool à partir de betteraves ou de 3o cannes à sucre. Qu'il s'agisse de l'utilisation de la betterave ou de la canne à sucre, l'opération visant à en extraire, par diffusion, un jus sucré (pour la production de sucre et/ou de bioéthanol) nécessite 2 de faire circuler, à contre courant de la matière végétale, de l'eau chauffée. De la même manière, lors de l'extraction du jus sucré de canne à sucre, un flux d'eau chaude est injecté afin de faciliter l'extraction du jus sucré. Un exemple en est donné dans le document FR-A-2.605.644 qui propose des améliorations au principe d'extraction par diffusion à partir des cossettes de betteraves pour, à l'issue de ce prétraitement, produire un jus sucré envoyé io en sucrerie, puis à soumettre ensuite les cossettes à une seconde extraction par diffusion pour produire un jus sucré destiné à la fermentation pour son traitement ultérieur dans une distillerie. Toutefois, de tels procédés optimisés n'apportent aucune solution au problème de la faible utilisation annuelle des 15 installations de sucrerie et de distillerie. Par ailleurs, les processus de production d'un jus sucré à partir de la betterave ou de la canne à sucre, qui viennent d'être évoqués ci-dessus, aboutissent à la production de résidus qui, dans le cas de la betterave sont appelés des drèches ou pulpes 20 qui sont des résidus fibreux humides qui sortent de la phase de diffusion et qui contiennent habituellement moins de 10% de matière sèche, leur séchage pouvant notamment les rendre aptes à servir d'aliment pour le bétail qui constitue l'utilisation principale de ces résidus. 25 Dans le cas de production d'un jus sucré à partir de la canne à sucre, le résidu appelé bagasse est un résidu fibreux qui est à ce jour utilisé comme combustible par l'entreprise elle-même de production de sucre, ou bien dans des centrales de production d'énergie dont la bagasse constitue la matière première à brûler 30 (centrale bagasse/charbon). Une telle utilisation comme matière première dans une centrale de production d'énergie nécessite, compte tenu des campagnes saisonnières de récolte de la canne à sucre, de disposer de moyens importants de stockage de la bagasse. 3 La titulaire de la présente demande a par ailleurs conçu et mis au point un procédé de prétraitement d'une matière première végétale lignocellulosique pour l'obtention d'une matière prétraitée qui est apte à être hydrolysée et fermentée pour la production de bioéthanol. Ce procédé permet, dans des conditions particulièrement économiques et efficaces, de produire industriellement du bioéthanol à partir de ressources lignocellulosiques que constituent par exemple les plantes entières ou des parties de ces io plantes (tiges, écorces, etc) ou des co-produits de filières industrielles de production à finalité alimentaire (paille de blé, riz, orge, bagasse de canne à sucre, bagasse de sorgo sucrier, etc). Ce procédé de prétraitement est décrit et représenté dans la demande de brevet français No. 08 50458 déposée le 15 25 janvier 2008. Dans le cadre de ses travaux de recherche et de développement, la titulaire a pu constater qu'il n'existait à ce jour aucune solution permettant de réduire les investissements industriels globaux pour la production de sucre et/ou de 20 bioéthanol à partir des deux catégories principales de matière première végétale que constituent les ressources saccharifères et les ressources lignocellulosiques.
RESUME DE L'INVENTION 25 Dans ce but, l'invention propose un procédé de prétraitement de la matière première végétale en vue de la production de bioéthanol et/ou de sucre au moyen d'une chambre commune de prétraitement de la matière végétale comportant : 30 - au moins une entrée amont pour introduire de la matière végétale à prétraiter dans la chambre commune de prétraitement ; - au moins une sortie aval de déchargement de la matière végétale prétraitée hors de la chambre commune de prétraitement ; 4 - des moyens pour faire circuler la matière végétale d'amont en aval ; - des moyens pour mettre la matière végétale en contact avec un liquide de prétraitement qui circule globalement, d'aval vers l'amont, dans le sens inverse du sens de circulation de la matière végétale à l'intérieur de ladite chambre commune de prétraitement ; - et des moyens pour récupérer, d'une part, la phase solide et, d'autre part, la phase liquide contenant notamment au moins io une partie du liquide de prétraitement ; caractérisé en ce que : - lors d'une période, la matière végétale à prétraiter, introduite dans la chambre commune de prétraitement, est une matière première végétale lignocellulosique (par exemple de la 15 paille) dont ledit prétraitement vise à séparer la cellulose, les hémicelluloses et les lignines contenues dans cette matière première végétale lignocellulosique pour l'obtention d'une matière végétale prétraitée apte à être hydrolysée et fermentée pour la production de bioéthanol ; 20 - lors d'une autre période, la matière végétale à prétraiter, introduite dans la chambre commune de prétraitement, est une matière première végétale saccharifère (par exemple de la betterave ou de la canne à sucre) dont ledit prétraitement vise à en extraire, par diffusion, un jus sucré pour la production de sucre 25 et/ou de bioéthanol. Grâce au procédé selon l'invention, il est ainsi possible, au moyen d'une même installation industrielle, et en fonction de la disponibilité saisonnière d'une catégorie ou l'autre de matière première végétale, c'est-à-dire de ressources saccharifères ou de 30 ressources lignocellulosiques, d'utiliser l'installation correspondante à plein temps, ou quasiment à plein temps, c'est-à-dire de l'ordre de 8000 heures/an. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - lors de ladite une période, le liquide de prétraitement est un mélange contenant de l'acide formique et de l'eau à une température comprise entre 95°C et 110°C ; - lors de ladite autre période, le liquide de prétraitement est de l'eau à une température supérieure à 70°C ; - ladite étape de prétraitement est effectuée à la pression atmosphérique, ou en légère dépression ; - lors de ladite une période, la matière végétale à prétraiter est une partie de la phase solide récupérée à l'issue de ladite io autre période. L'invention propose aussi une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une dite chambre commune de prétraitement et des moyens de préparation de la matière première végétale 15 pour la transformer en de ladite matière végétale à prétraiter, notamment par découpe. En vue de permettre le prétraitement de la matière première végétale lignocellulosique au moyen d'un liquide de prétraitement contenant de l'acide et de l'eau, l'invention propose 20 une installation caractérisée en ce que la chambre commune de prétraitement est une chambre étanche dans laquelle circule la matière végétale à prétraiter.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle, on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : 30 - la figure est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'une installation de prétraitement conforme aux enseignements de l'invention et donnée à titre d'exemple non limitatif. 6 DESCRIPTION DETAILLE DES FIGURES
Dans la description qui va suivre, tous les éléments et composants identiques, similaires ou analogues, seront désignés 5 par les mêmes références. On utilisera les termes longitudinal, vertical, et transversal en référence au trièdre L, V, T indiqué sur les figures. On utilisera aussi l'orientation amont-aval pour la circulation longitudinale de la matière végétale à l'intérieur de la io chambre commune, de droite à gauche, en considérant la figure, selon l'axe L. L'installation 10 illustrée schématiquement à la figure 1 comporte une chambre de prétraitement 12 qui se présente sous la forme générale d'une enceinte parallélépipédique rectangle 15 orientée longitudinalement et sensiblement horizontale, par exemple avec une pente faible d'aval en amont comme illustré à la figure 1. La chambre de prétraitement 12 est étanche pour éviter toute dissipation dans l'atmosphère de vapeurs d'acides, lorsque 20 des acides sont mis en oeuvre dans le cadre du procédé selon l'invention. La chambre comporte une entrée amont 14 d'alimentation en matière première et une sortie aval 16 d'évacuation ou de déchargement de la matière première prétraitée hors de la 25 chambre 12. La pression atmosphérique règne à l'intérieur de la chambre de prétraitement 12. A l'intérieur de la chambre 12 est agencé un convoyeur motorisé 18 dont la bande 20, en partie supérieure, défile d'amont 30 en aval de droite à gauche et reçoit, au voisinage de son extrémité amont, la matière première végétale MP à prétraiter pénétrant dans la chambre de prétraitement 12 par l'entrée 14. Le convoyeur 18 à bande 20 permet ainsi de faire circuler la matière première d'amont en aval à l'intérieur de la chambre 12, à vitesse constante ou régulée par des moyens d'entraînement et de commande, ainsi que par des moyens non représentés de régulation de la vitesse de défilement de la matière première MP.
La bande 20 s'étend sur une largeur transversale déterminée et elle est par exemple constituée par une tôle ondulée réalisée en matériaux résistant aux mélanges acides. La matière première MP est, de préférence, répartie le plus uniformément possible, par des moyens non représentés, sur io toute la largeur de la bande 20 du convoyeur 18. La bande 20 est agencée dans la chambre de prétraitement 12 de manière qu'un liquide qui atteint la face supérieure de la bande supérieure 20 puisse s'écouler, par exemple latéralement, de part et d'autre des bords longitudinaux 15 de la bande et/ou, à titre de variante, à travers la bande 20 qui est alors perforée à cet effet. L'installation 10 comporte une trémie 24 d'alimentation de la chambre de prétraitement 12 en matière première MP. La trémie 24 est ici reliée à l'entrée 14 par une vis 26 de 20 propulsion de la matière première dans une conduite 28 reliée à l'entrée 14. Comme illustré à la figure 1, la trémie 24 peut être reliée par une canalisation 30, à un réservoir 32 contenant un mélange d'acides organiques afin, en fonction de la catégorie de matière 25 première végétale à prétraiter, de réaliser dans la trémie 24 un premier prétraitement de la matière première MP par pré-imprégnation de la matière première. Le débit d'alimentation de la trémie 24 en mélange d'acides de pré-imprégnation peut être régulé par une électrovanne 34. 30 Lorsque la matière première MP quitte la bande supérieure 20 du convoyeur 18, elle chute par gravité dans la sortie 16 et elle est évacuée par une conduite d'évacuation 36, cette partie récupérée à l'issue du prétraitement constituant la phase solide au sens de l'invention. 8 Outre la chambre de prétraitement 12 et ses moyens d'alimentation en matière première MP, l'installation 10 comporte ici, successivement d'amont en aval, une série de n postes de prétraitement PTi avec i compris entre 1 et n.
Dans l'exemple illustré à la figure 1, le nombre de postes de prétraitement est égal à sept. Ainsi, le premier poste de prétraitement amont est le poste PT1 tandis que le dernier poste aval est le poste PT7. Tous les composants d'un poste PTi seront désignés par io les mêmes références indicées "i". Chaque poste de prétraitement PTi a pour fonction d'assurer la mise en présence ou en mise en contact temporaire de la matière première MP avec un liquide de prétraitement. Sur la figure, les différents postes de prétraitement 15 consécutifs sont délimités par des traits mixtes verticaux. Chaque poste de prétraitement PTi comporte, agencé verticalement au-dessus de la bande supérieure 20 transportant la matière première MP, des moyens d'arrosage par gravité de la matière première en liquide de prétraitement.
20 A titre d'exemple non limitatif, les moyens d'arrosage de la matière première MP sont ici, à chaque poste, constitués par un godet Gi qui, sur les figures, est illustré en position de repos et de remplissage et qui est susceptible de basculer autour de son axe inférieur horizontal pour déverser son contenu verticalement, 25 et sensiblement sur toute la largueur transversale de la bande 20, sur la matière première MP située sur la bande supérieure 20 sensiblement au droit du godet Gi. A titre de variante non représentée, les moyens d'arrosage de la matière première à chaque poste peuvent être constitués 30 par une ou plusieurs rampes d'arrosage ou d'aspersion par gravité de la matière première, toujours de manière à garantir une répartition la plus homogène possible du liquide prétraitement. Chaque poste PTi comporte aussi des moyens pour récupérer le liquide de prétraitement après que ce liquide a traversé la matière première MP, puis se soit écoulé latéralement de part et d'autre du convoyeur à bande 20 et/ou a traversé la bande si cette dernière est perforée ou ajourée à cet effet avec des perforations de dimensions suffisamment réduites pour ne permettre que le passage du liquide à récupérer. Cette partie récupérée à l'issue du prétraitement constitue la phase liquide au sens de l'invention. Les moyens de collecte de la phase liquide après la traversée de la matière première MP sont ici constitués, à chaque io poste, par une auge de collecte Ai qui s'étend transversalement sur toute la largueur de la chambre de prétraitement 12 et longitudinalement sensiblement sur toute la longueur d'un poste de prétraitement PTi. Une installation plus complète et plus détaillée est décrite 15 structurellement et dans son fonctionnement dans la demande de brevet FR-A-2.885.371 au nom de la titulaire qui concerne une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé de production de pâte à papier, de lignines, et de sucres. L'installation de prétraitement qui vient d'être décrite n'est 20 qu'un exemple des différentes conceptions possibles dans le cadre de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Conformément aux enseignements de l'invention, lors d'une période PL ou campagne, la matière première végétale à prétraiter qui est introduite dans la chambre de prétraitement 12, 25 est une matière première végétale lignocellulosique, tandis que, lors d'une autre période PS, la matière première végétale à prétraiter, introduite dans la chambre de prétraitement 12, est une matière première végétale saccharifère. Ainsi, la chambre de prétraitement 12 est une chambre 30 "commune" aux deux types de prétraitement associés aux deux catégories de matière première végétale mentionnées ci-dessus. De la même manière, en fonction de chacune des matières premières végétales à prétraiter, il peut aussi être possible de rendre l'ensemble de l'installation commune si les matières 2932815 i0 premières végétales le permettent, c'est-à-dire de rendre communs les moyens d'alimentation et d'évacuation de la matière première. Lorsque l'étape de prétraitement réalisée dans la chambre 5 commune 12 concerne de la matière première végétale lignocellulosique, le liquide de traitement est un mélange contenant au moins pour partie un ou plusieurs acides et la chambre commune 12 est, à cet effet, une chambre étanche afin d'éviter toute fuite d'acides à l'extérieur. io Lorsque la matière première végétale est une ressource saccharifère, il n'est normalement pas fait appel à des acides et le liquide de prétraitement est de l'eau chauffée, par exemple à une température d'environ 70°C ou supérieure. Lorsque le liquide de prétraitement est un mélange 15 contenant de l'acide, et notamment de l'acide formique et de l'eau, celui-ci est utilisé à une température comprise entre 95°C et 1 10°C. Les opérations de prétraitement sont effectuées de préférence à la pression atmosphérique, ou en légère dépression.
20 Le fait d'utiliser une chambre de traitement commune permet très aisément, avec une interruption très courte du fonctionnement de l'installation (par exemple de l'ordre de une ou deux journées) de passer d'une période de traitement à l'autre période de traitement, en fonction des saisons et/ou des 25 disponibilités des matières premières végétales lignocellulosiques ou saccharifères. Lorsque la matière première végétale prétraitée est du type saccharifère, la phase solide récupérée à l'issue du prétraitement en vue de la production du jus sucré, peut, en toute ou partie et 30 notamment en fonction du végétal utilisé, être réutilisée en tant que matière première végétale de type lignocellulosique à l'intérieur de la chambre commune 12 pour subir une étape de prétraitement pour l'obtention d'une matière végétale prétraitée Il apte à être hydrolysée et fermentée pour la production de bioéthanol. Ainsi, au moyen d'une même installation, et par exemple dans le cas de l'utilisation de canne à sucre, la bagasse - au lieu d'être stockée en vue de son utilisation comme combustible - est réutilisée et valorisée sous la forme d'une matière première végétale lignocellulosique. Une telle valorisation supplémentaire de la phase solide issue du prétraitement d'une matière première saccharifère est io possible, quel que soit le végétal utilisé, et son rendement est fonction de la teneur en lignocellulose de la phase solide récupérée. Bien entendu, par exemple dans le cas de la canne à sucre, une partie de la bagasse peut, de manière connue, être 15 utilisée directement dans le cadre de l'installation, notamment comme combustible de chauffage des liquides.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de prétraitement de la matière première végétale en vue de la production de bioéthanol et/ou de sucre au moyen d'une chambre commune (12) de prétraitement de la matière végétale comportant : - au moins une entrée amont (14) pour introduire de la matière végétale (MP) à prétraiter dans la chambre commune de prétraitement - au moins une sortie aval (16) de déchargement de la 10 matière végétale prétraitée hors de la chambre commune (12) de prétraitement - des moyens (20) pour faire circuler la matière végétale d'amont en aval ; - des moyens (Gi) pour mettre la matière végétale en 15 contact avec un liquide de prétraitement qui circule globalement, d'aval vers l'amont, dans le sens inverse du sens de circulation de la matière végétale à l'intérieur de ladite chambre commune de prétraitement - et des moyens pour récupérer, d'une part, la phase solide 20 et, d'autre part, la phase liquide contenant notamment au moins une partie du liquide de prétraitement ; caractérisé en ce que : - lors d'une période (PL), la matière végétale (MP) à prétraiter, introduite dans la chambre commune (12) de 25 prétraitement, est une matière première végétale lignocellulosique dont ledit prétraitement vise à séparer la cellulose, les hémicelluloses et les lignines contenues dans cette matière première végétale lignocellulosique pour l'obtention d'une matière végétale prétraitée apte à être hydrolysée et à être fermentée 30 pour la production de bioéthanol ; - lors d'une autre période (PS), la matière végétale (MP) à prétraiter, introduite dans la chambre commune de prétraitement, est une matière première végétale saccharifère dont ledit 13 prétraitement vise à en extraire, par diffusion, un jus sucré pour la production de sucre et/ou de bioéthanol.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de ladite une période (PL), le liquide de prétraitement est un mélange contenant de l'acide formique et de l'eau à une température comprise entre 95°C et 110°C.
  3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de ladite autre période (PS), le liquide de prétraitement est de l'eau à une température supérieure à 70°C.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite étape de prétraitement est effectuée à la pression atmosphérique, ou en légère dépression.
  5. 5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lors de ladite une période (PL), la matière végétale à prétraiter est une partie de la phase solide récupérée à l'issue de ladite autre période.
  6. 6. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une dite chambre commune (12) de prétraitement et des moyens de préparation de la matière première végétale pour la transformer en de ladite matière végétale à prétraiter, notamment par découpe.
  7. 7. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 6, caractérisée en ce que la chambre commune de prétraitement (12) est une chambre étanche dans laquelle circule la matière végétale à prétraiter.
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