FR3115538A1

FR3115538A1 - Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique

Info

Publication number: FR3115538A1
Application number: FR2010919A
Authority: FR
Inventors: Romain Rousset; Romina Digne; Thomas Plennevaux; Matthieu ARAGONES
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2022-04-29

Abstract

L’ invention concerne un procédé de prétraitement d’une biomasse lignocellulosique, qui comprend :- une étape A d’imprégnation de la biomasse, - une étape B de séparation solide/liquide, afin d’obtenir une biomasse imprégnée séparée, - une étape C de transfert, de la biomasse imprégnée séparée obtenue à l’étape B, - une première étape D de mise sous pression et chauffage en présence de vapeur d’eau de la biomasse transférée à l’étape C,- une étape E de séparation solide/liquide intermédiaire, en maintenant le niveau de pression, de la biomasse obtenue à l’étape D, - une deuxième étape F de chauffage, ou de maintien à température, et de maintien sous pression en présence de vapeur d’eau de la biomasse obtenue à l’étape E,- une étape G de déstructuration/détente de la biomasse obtenue à l’étape F,- une étape H séparation solide/gaz, afin d’obtenir une biomasse prétraitée et une phase gazeuse comprenant de la vapeur d’eau. Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique

La présente invention s’inscrit dans le domaine des procédés de production de sucres à partir de biomasses lignocellulosiques. Elle concerne plus particulièrement un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique pour la production de sucres, qui peuvent être valorisés tels quels et/ou convertis, notamment en alcool ou en solvants utiles comme biocarburants (par exemple comme l'éthanol) ou en molécules diverses bio-sourcées.

La présente invention s’intéresse plus particulièrement au prétraitement de biomasse, qui, de façon connue, est destiné à modifier la qualité de la biomasse, c’est-à-dire à modifier par exemple sa structure sur le plan physique et/ou chimique ou à en modifier sa composition chimique, ceci afin que la biomasse soit apte à subir des traitements postérieurs, par exemple du type hydrolyse enzymatique.

Un type de prétraitement connu consiste à imprégner la biomasse d’une liqueur acide, basique ou oxydante, puis à lui faire subir une cuisson ou une explosion à la vapeur.

De façon plus détaillée, la biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux constituants : la cellulose (35 à 50%), l'hémicellulose (23 à 32%) qui est un polysaccharide essentiellement constitué de pentoses et d'hexoses et la lignine (15 à 25%) qui est une macromolécule de structure complexe et de haut poids moléculaire, provenant de la copolymérisation d'alcools phénylpropénoïques. Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent en un enchevêtrement complexe.

La cellulose, majoritaire dans cette biomasse, est ainsi le polymère le plus abondant sur Terre et celui qui présente le plus grand potentiel pour former des matériaux et des biocarburants. Cependant le potentiel de la cellulose et de ses dérivés n'a pas pu, pour le moment, être complètement exploité, majoritairement en raison de la difficulté d'extraction de la cellulose. En effet, cette étape est rendue difficile par la structure même des plantes. Les difficultés d’extraction et de transformation de la cellulose sont notamment son accessibilité, sa cristallinité, son degré de polymérisation, la présence de l'hémicellulose et de la lignine.

Le principe du procédé de conversion de la biomasse lignocellulosique par des procédés biotechnologiques utilise une étape d'hydrolyse enzymatique de la cellulose contenue dans les matières végétales pour produire du glucose.

Le glucose obtenu peut ensuite être fermenté en différents produits tels que des alcools (éthanol, 1,3-propanediol, 1-butanol, 1,4-butanediol, ...) ou des acides (acide acétique, acide lactique, acide 3-hydroxypropionique, acide fumarique, acide succinique, ...).

La cellulose et éventuellement l’hémicellulose sont les cibles de l’hydrolyse enzymatique mais ne sont pas directement accessibles aux enzymes. C’est la raison pour laquelle les substrats de biomasse lignocellulosique doivent subir un prétraitement précédant l’étape d’hydrolyse enzymatique. Le prétraitement vise à modifier les propriétés physiques et physico-chimiques du matériau lignocellulosique, en vue d'améliorer l'accessibilité de la cellulose emprisonnée au sein de la matrice de lignine et d'hémicellulose. Un des prétraitements les plus efficaces est l’explosion à la vapeur, qui permet, sous certaines conditions, une hydrolyse presque totale de l’hémicellulose et une amélioration importante de l’accessibilité et la réactivité de la cellulose aux enzymes : La biomasse imprégnée d’une solution aqueuse, avec ou sans acide, est traitée en continu avec de la vapeur dans un réacteur sous pression et en température, avec une détente explosive en fin de traitement venant déstructurer principalement la cellulose et la lignine, l’hémicellulose étant quant à elle convertie en sucres. Ce prétraitement peut être précédé d’autre(s) traitement(s) tels qu’une imprégnation acide, basique ou oxydante.

La biomasse prétraitée est alors composée de solide (cellulose et lignine principalement) et de sucres solubles dans l’eau issus de la décomposition de l’hémicellulose. Dans certaines configurations de procédés, une fraction du solide prétraité est envoyée dans une étape d’extraction des sucres solubles pour récupérer un jus sucré. Par example, le document « Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover », Aden et al. NREL/TP-510-32438 enseigne la séparation de la biomasse prétraitée en une fraction solide et une fraction liquide. Ce jus riche en sucres peut ensuite être utilisé comme source de carbone dans les unités de production d’enzymes et de propagation des levures. Le substrat prétraité appauvri en sucres solubles peut être dirigé vers l’étape d’hydrolyse enzymatique conjointement au marc brut sortant de l’unité de prétraitement.

L’hydrolyse enzymatique vise à convertir le substrat prétraité en sucres monomériques. Le cocktail enzymatique utilisé pour cette étape est un mélange d’enzymes cellulolytiques et/ou hémicellulolytiques capables de décomposer la cellulose en solution de sucres, contenant notamment du glucose. Les enzymes du cocktail enzymatique contiennent trois grands types d'enzymes selon leurs activités : les endoglucanases, les exoglucanases et les cellobiases. Le microorganisme le plus utilisé pour la production du cocktail enzymatique est le champignonTrichoderma reesei.Le procédé de production du cocktail enzymatique débute par une phase de propagation dont le but est de multiplier le champignon filamenteuxT. reesei. Une fois la concentration en champignon suffisante pour produire un cocktail enzymatique assez concentré, une phase de production de cocktail enzymatique est induite par un changement de substrat sucré. A l’issue de ce procédé fermentaire, on obtient un moût contenant un mélange d’enzymes et de champignon filamenteuxT. reesei. Ce moût peut être utilisé directement en hydrolyse enzymatique, ou bien les enzymes peuvent être séparées du champignon puis éventuellement concentrées.

La fermentation des sucres issus de l’hydrolyse enzymatique en différents produits tels que des alcools, des solvants ou des acides nécessite l’utilisation de biocatalyseurs (bactéries ou levures commeSaccharomyces cerevisiae).

Ces procédés de production d’alcool, notamment du biocarburant de type éthanol, par voie fermentaire comprennent donc de façon connue la succession d’étapes suivantes : broyage de la biomasse, éventuellement imprégnation de la biomasse, puis prétraitement par explosion à la vapeur ou cuisson en conditions acides, hydrolyse enzymatique pour produire des sucres ou des molécules bio-sourcées et fermentation alcoolique pour produire des alcools biocarburants tel que l’éthanol ou autre type de fermentation pour produire des molécules bio-sourcées, l’éthanol (ou les biocarburants ou molécules bio-sourcées) étant séparé ensuite par exemple par distillation.

Il est connu un procédé de prétraitement de biomasse par imprégnation acide puis explosion à la vapeur qui prévoit les étapes suivantes :
- une étape d’imprégnation, opérant à une température de 10-95°C, ladite étape d’imprégnation permettant :
- le contact intime de la biomasse broyée avec une liqueur d’imprégnation acide à pH compris entre 0,1 et 7,
- l’égouttage de la biomasse imprégnée de manière à produire une biomasse humide résultante ayant une teneur en matière sèche comprise entre 15% pds et 40% pds, et une liqueur séparée
- une étape de transfert de la biomasse égouttée à l’étape d’explosion à la vapeur, par une vis de compression permettant une étanchéité en formant un bouchon de biomasse et une augmentation de la teneur en matière sèche à 30-50% tout en produisant de la liqueur résultante.
- une étape d’explosion à la vapeur comportant une zone de cuisson de la biomasse par injection de vapeur, puis une zone de détente de la biomasse issue de la zone de cuisson, puis une zone de séparation de la vapeur de la biomasse,
- une étape de préparation de la liqueur de façon à maintenir le pH en entrée de la première zone d’imprégnation à une valeur comprise donnée, ladite liqueur préparée est introduite dans la première zone d’imprégnation.

Ce type de procédé de prétraitement est performant, mais il est cependant susceptible d’être amélioré, notamment en ce qui concerne le rendement du prétraitement lui-même, et/ou en ce qui concerne le rendement final quand la biomasse prétraitée poursuit un traitement de type conversion par hydrolyse/fermentation, rendement final qui est lié à la qualité de la biomasse prétraitée.

Le but de l’invention est alors de mettre au point un procédé de prétraitement de biomasse lignocellulosique amélioré, notamment en termes de rendement du prétraitement et/ou en termes de rendement de conversion de la biomasse en post-prétraitement.

L’invention a pour objet un procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique en vue de produire un/des jus sucrés et/ou un ou/des alcools et/ou une/des molécules bio-sourcées, et visant à modifier la structure et/ou la composition chimique de ladite biomasse, et qui comprend, notamment successivement :
- une étape A d’imprégnation de la biomasse avec une solution d’imprégnation, de préférence aqueuse, acide ou basique ou oxydante, ou sous forme d’un solvant organique, afin d’obtenir une biomasse imprégnée,
- une étape B de séparation solide/liquide, afin d’obtenir d’une part une biomasse imprégnée séparée, et d’autre part une phase liquide,
- une étape C de transfert, notamment avec augmentation de la pression, par exemple de type mécanique ou de type gravitaire, de la biomasse imprégnée et séparée obtenue à l’étape B
- une première étape D de mise ou maintien sous pression et chauffage en présence de vapeur d’eau de la biomasse transférée à l’étape C, l’ordre des étapes B et C étant éventuellement inversé. - une étape E de séparation solide/liquide intermédiaire, en maintenant le niveau de pression, de la biomasse chauffée obtenue à l’étape D, afin d’obtenir d’une part une phase liquide sous forme d’un jus sucré, et d’autre part une biomasse solide séparée,
- une deuxième étape F de chauffage ou de maintien en température en présence de vapeur d’eau de la biomasse séparée obtenue à l’étape E (le maintien en température pouvant être réalisé par injection de vapeur par exemple),
- une étape G de déstructuration/détente de la biomasse obtenue à l’étape F,
- une étape H de séparation solide/gaz, afin d’obtenir d’une part une biomasse prétraitée et d’autre part une phase gazeuse comprenant de la vapeur d’eau.
Lors de l’étape D, une injection de liqueur acide/basique/oxydante ou au contraire, d’un diluant tel que l’eau peut être réalisée dans cette étape dans le but de faire varier la sévérité (pH par exemple) du milieu réactionnel.

Le procédé selon l’invention peut comprendre d’autres étapes, avant l’étape A, après l’étape H, ou entre deux des étapes A à F.
Il peut aussi prévoir d’itérer certaines des étapes ou des séquences d’étapes A à H. Ainsi, l’invention peut prévoir que la séquence d’étapes EF comprenant l’étape E de séparation solide/liquide intermédiaire suivie de la deuxième étape F de chauffage, ou de maintien à température soit répétée n fois, notamment au moins deux ou trois fois, (2, 3, 4 fois ou plus), avant de procéder à l’étape G.

Dans la présente invention, le traitement selon l’invention est avantageusement un procédé de prétraitement dans son acception dans le domaine de la conversion de biomasse lignocellulosique, qui peut ensuite être suivi d’autres opérations de type hydrolyse enzymatique une fois la biomasse prétraitée.

L’étape B de séparation solide/liquide se fait de préférence par égouttage.

Si l’ordre des étapes B et C est inversé, c’est alors la biomasse d’abord transférée puis séparée qui est introduite à l’étape D.

L’étape C de transfert peut donc s’accompagner d’une compression mécanique de la biomasse, et va conduire la biomasse dans une zone, à l’étape D suivante, où il y aura le chauffage de la biomasse et un maintien ou mise sous pression de la phase fluide dans laquelle/ au contact de laquelle elle se trouve (dans un réacteur notamment).

La montée en pression de la biomasse peut être réalisée dans l’étape C de transfert, et, dans ce cas, l’étape D assure un maintien en pression. La montée en pression peut aussi être réalisée uniquement lors de l’étape D. Enfin, il est également possible que l’augmentation de pression de la biomasse soit en partie assurée lors de l’étape C et poursuivie lors de l’étape D.

Le procédé selon l’invention peut également comprendre d’autres étapes, préliminaires, et/ou insérées entre deux des étapes prémentionnées, et/ou après l’étape H de séparation. On peut ainsi prévoir également une étape préliminaire de conditionnement de la biomasse, pouvant comporter un broyage pour obtenir des tailles de particules adéquates, un dépoussiérage, un épierrage ou encore une élimination d’éléments étrangers autres, du type objets métalliques, et éventuellement une étape de séchage ou d’ajout d’eau pour ajuster sa teneur en eau. On peut aussi prévoir une étape de lavage à l’eau ou par un autre solvant pour enlever des composés solubles.

L’invention a modifié la façon d’opérer des prétraitements de biomasse, en choisissant de procéder à deux étapes de chauffage/maintien en température successives de la biomasse (deux « cuissons » selon le terme généralement utilisé dans le domaine) entre lesquelles on insère une étape intermédiaire de séparation solide/liquide, notamment par pressage, de celle-ci, tout en maintenant son niveau de pression, sans détente intermédiaire donc. De manière surprenante, une série d’avantages a découlé de ce choix de double cuisson avec pressage intermédiaire :

Pour le procédé de prétraitement stricto sensu, il s’est avéré qu’on améliorait le rendement de production de jus sucrés, de type monomères et/ou oligomères, avec notamment une augmentation de la quantité de sucres en C5 produites, de type xylose (monomérique ou oligomérique), provenant majoritairement de la conversion de l’hémicellulose de la biomasse.

De façon concomitante, il a aussi été observé qu’on produisait moins de produits de dégradation, qui tendent à encrasser les réacteurs de cuisson, produits de dégradation qu’on désigne parfois sous le terme de « coke », et qui nécessitent des nettoyages réguliers des réacteurs en question. On peut ainsi espacer les nettoyages de réacteurs, qu’ils soient effectués de façon continu ou à l’arrêt.

En outre, il a été constaté que la biomasse ainsi prétraitée, qu’on peut aussi désigner de façon connue sous le nom de « marc » prétraité, était de meilleure qualité : dans son traitement « aval » du type hydrolyse enzymatique/fermentation, elle présente un taux de conversion plus élevé, toutes choses égales par ailleurs. L’explication en serait que ce marc contient moins de produits de dégradation, qui peuvent avoir un effet négatif, notamment un effet inhibiteur sur les enzymes et/ou les levures, ou tout autre microorganisme impliqué, dans la conversion, en sucres puis en alcool notamment, du marc en question.

L’invention inclut également tout procédé tel que décrit où l’on procède non pas à une étape de pressage intermédiaire E, mais à deux, trois ou n étapes de pressage intermédiaires E, chacune étant opérée entre deux étapes de chauffage/maintien en température D/F, sans détente intermédiaire . Dans ce cas, au lieu d’avoir une séquence d’étapes DEF, on a une séquence DEFEF avec deux pressages intermédiaires, DEFEFEF avec trois pressages intermédiaires, etc …

Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape I de lavage de la biomasse mise sous pression obtenue à l’étape D et précédant l’étape E de séparation solide/liquide, le lavage étant opéré notamment avec une solution aqueuse à pH neutre, acide ou basique ou un solvant de type solvant alcoolique. Ce lavage optionnel permet d’augmenter la quantité de sucres extraites dans le jus sucré à l’étape E, mais au prix d’une certaine dilution des jus sucrés. Avantageusement, le lavage est réalisé en courant croisé.

De préférence, l’étape A d’imprégnation est opérée sur une biomasse présentant un taux de matière sèche MS initial (c’est-à-dire le taux qu’elle présente au démarrage de l’imprégnation) compris entre 30 et 90%, à une température d’au plus 80°C, la solution comprenant une solution aqueuse avec un acide fort ou un acide faible ou une base forte ou un solvant de type alcool ou de type solvant ionique. Avantageusement, est privilégié une solution aqueuse, avec une base seule ou en mélange (préférentiellement NaOH ou KOH), ou un acide seul ou en mélange (préférentiellement un acide fort, comme l’acide sulfurique, l’acide chlorhydrique ou l’acide phosphorique ou un acide faible comme l’acide oxalique ou l’acide levulinique). La solution d’imprégnation peut aussi être un solvant non aqueux, notamment de l’éthanol ou un solvant ionique. Le pH lors de cette étape peut ainsi être acide, basique ou neutre. Cette solution d’imprégnation est de préférence à base d’acide sulfurique dans de l’eau avec un pH d’au plus 2, notamment compris entre 0,1 et 2.

De préférence, l’étape B de séparation solide/liquide s’opère par égouttage de la biomasse imprégnée, qui, après égouttage, présentant un taux de matière sèche MS compris entre (5 et 50%), de préférence entre15 et 25 %, la phase liquide obtenue par la séparation étant optionnellement recyclée à l’étape A en tant que solution d’imprégnation. Cette étape a pour but principal d’augmenter la teneur en matière sèche MS de la biomasse une fois imprégnée.

L’étape C concerne le transfert de la biomasse de l’étape B imprégnée vers l’étape D qui possède une pression élevée (10 à 20 bars) tout en maintenant une teneur en matière sèche MS de préférence entre 15 à 25%. Par l’exemple, l’étape C peut être effectuée en pseudo continu grâce à des « lock hopper » ( un ou plusieurs sas opérant ainsi : remplissage, pressurisation, vidange, dépressurisation) ou en continu via une vanne rotative permettant d’être hermétique dans le transfert de biomasse imprégnée.

Avantageusement, l’étape C de transfert peut aussi être réalisée sur une biomasse imprégnée à un taux de matière sèche compris entre 10 et 55% avec une extraction liquide, la phase liquide résultant étant optionnellement recyclée à l’étape A en tant que solution d’imprégnation

Les étapes A, B et C utilisent des outillages d’imprégnation qui peuvent être rassemblés dans un ensemble utilisant un seul réacteur avec une séquence d’étapes.

Il est à noter que l’étape B peut aussi être opérée après, et non avant, l’étape C de transfert vers l’étape D.

De préférence, l’étape D et/ou l’étape F de chauffage ou de maintien en température est opérée à une température d’au moins 100°C, notamment d’au plus 250°C, de préférence à une température comprise entre 150 et 230°C, encore préférentiellement entre 180 et 220°C, et à une pression comprise entre 1 et 20 bars, de préférence entre 5 et 17 bars. Le temps de séjour de la biomasse lors de chacune de ces étapes peut être compris entre 1 et 30 minutes, de préférence entre 1 et 10 minutes. Les étapes peuvent être réalisées à la même pression et à la même température, ce qui autorise l’utilisation d’un seul réacteur, avec des temps de séjour identiques ou différents. Chacune des deux étapes peut aussi avoir sa température et/ou sa pression propres, mais en conservant la biomasse à température et pression supérieures à l’ambiante dans les deux étapes. Et dans ce cas de figure, on préfère alors employer deux réacteurs distincts avec des réglages différents.

Ces deux étapes de cuisson successives vont modifier la biomasse, en convertissant par hydrolyse tout ou partie de l’hémicellulose au moins en sucres de types sucres monomères et oligomères, ces produits d’intérêt se retrouvant dans la phase liquide du mélange solide/liquide constitué par la biomasse et le liquide d’imprégnation qu’elle contient encore.

De préférence, l’étape E de séparation solide/liquide est opérée sous forme d’un pressage de la biomasse. Ce pressage intermédiaire permet d’évacuer une partie du liquide libre au contact de la charge de biomasse qui a réagi, et augmente ainsi la teneur en matière sèche de la biomasse. Le flux liquide évacué pendant cette étape contient les produits de réaction solubles (sucres oligomères, sucres monomères, éventuellement des produits de dégradation également). Ces produits auraient en partie au moins pu réagir lors de la deuxième étape F de chauffage, pour se transformer en produits de dégradation non valorisables. Comme évoqué précédemment, ils peuvent éventuellement en plus, pour au moins une partie d’entre eux, se présenter sous formes de dépôts solides encrassant les réacteurs. Qu’il se présentent sous forme solide ou non, en tout état de cause, ils viendraient diminuer le rendement de cette deuxième étape de chauffage, et du chauffage plus globalement.

De préférence, l’étape F de chauffage est opérée sur une biomasse à taux de matière sèche compris entre 20 et 60%, par exemple vers 30% et qui est supérieur au taux de matière sèche dans l’étape D de chauffage, qui est plutôt compris entre 10 et 50%, par exemple vers 20%, la biomasse ayant été pressée dans l’étape E. Comme dans l’étape D, une partie au moins de l’hémicellulose va continuer dans l’étape F à réagir pour former des produits d’intérêt sous forme de sucres oligomères et de sucres monomères solubles, qui passent donc dans la phase liquide.

On peut prévoir un outillage intégrant les dispositifs mettant en œuvre les étapes D, E et F, ou prévoir un outillage externe dédié à l’étape E de séparation seule. On peut prévoir, pour les deux étapes de chauffage, un seul réacteur ou plusieurs réacteurs dédiés à l’une ou l’autre des étapes de chauffage.

De préférence, l’étape G est opérée par une détente explosive ou par traitement mécanique , du type broyage, en une ou plusieurs étapes. Cette étape permet d’extraire le marc solide issu de l’étape F, qui a une teneur en matière sèche de l’ordre de 20 à 60%. Son objectif est de rendre le produit solide, composé au moins de lignine, compatible avec sa conversion prévue dans une ou des étapes aval, du type hydrolyse enzymatique et/ou fermentation.

Cette déstructuration peut donc être réalisée via une détente explosive (explosion vapeur), via un broyeur ou par d’autres moyens connus.

En termes d’équipements pour mettre en œuvre ces différentes étapes, différents choix sont possibles, des exemples non limitatifs en seront cités ci-dessous :
Ainsi, la séparation gaz/solide H peut être opérée par un cyclone, un ballon ou un moyen de filtrage.

L’étape A peut être opérée en discontinu, notamment dans un ballon, ou en continu, notamment dans un réacteur à vis ou par pulvérisation de la solution d’imprégnation sur la biomasse.
L’étape B de séparation peut être opérée en discontinu, notamment dans un ballon, ou dans une trémie munie d’une évacuation pour le liquide, ou en continu, notamment dans un convoyer à vis muni d’une grille pour évacuer le liquide.
L’étape C de transfert peut être opérée par un équipement à vis conique ou à pas variables, ou dans une trémie à sas ou dans un ballon, ou dans une presse, ou dans un ensemble de trémies en parallèle opérant en discontinu.
L’étape D et/ou l’étape F de chauffage/maintien en température (et en pression) peut être opérée en continu, notamment dans un réacteur muni d’une vis de transport.
L’étape E de séparation solide/liquide intermédiaire peut être opérée dans un convoyeur à vis avec réduction de section de passage et muni d’une grille pour évacuer le liquide.
L’étape G de déstructuration/détente peut être opérée dans un système de détente explosive (à travers un enchaînement orifice/cyclone, ou vanne/cyclone), dans un broyeur mécanique ou dans un outil papetier de déstructuration type raffineur ou défibreur.

Avantageusement, on règle le ratio de la teneur en matière sèche MS de la biomasse pendant la deuxième étape F de chauffage sur la teneur en matière sèche de la biomasse pendant la première étape D de chauffage à au moins 1,1, notamment à au moins 1,3 ou au moins 1,4 (et de préférence d’au plus de 1,8). On obtient cette augmentation de teneur en MS essentiellement par l’étape E de pressage intermédiaire, dont on contrôle l’intensité/la durée pour obtenir ce ratio.

Selon un mode de réalisation préféré, l’étape D est une cuisson à la vapeur de la biomasse, l’étape E est un pressage de la biomasse, l’étape F est une cuisson à la vapeur de la biomasse, et l’étape G est une détente par explosion à la vapeur.

Selon un mode de réalisation, les étapes D et F de chauffage à la vapeur sont opérées dans la même section réactionnelle, notamment dans le même réacteur, avec de préférence l’étape E de pressage intégrée à ladite section réactionnelle.

Selon un mode de réalisation, les étapes D et F de chauffage sont opérées avec une pression et une température identiques. Cette variante autorise alors plus facilement l’utilisation d’un seul réacteur pour les deux étapes.

Selon un mode de réalisation, les étapes A d’imprégnation, B de séparation et C de transfert peuvent être opérées dans un même réacteur.

Le procédé selon l’invention peut aussi comprendre une étape aval, ou une succession d’étapes aval après l’étape H. Il peut notamment s’agir :
- d’une étape J d’hydrolyse enzymatique de la biomasse prétraitée obtenue à l’étape H, pour obtenir un jus sucré,
- éventuellement suivie de ou concomitante à une étape F de fermentation pour une conversion des sucres contenu dans le jus sucré en alcool, notamment en éthanol, ou en d’autres molécules organiques biosourcées.

L’invention sera détaillée ci-après à l’aide de figures et d’exemples non limitatifs :

Liste des figures

La représente sous forme d’un schéma blocs un procédé de prétraitement de biomasse lignocellulosique conventionnelle

La représente sous forme d’un schéma blocs un procédé de prétraitement de biomasse lignocellulosique selon une première variante de l’invention.

La représente sous forme d’un schéma blocs un procédé de prétraitement de biomasse lignocellulosique selon une deuxième variante de l’invention.

Définitions

L'acronyme "MS" désigne le taux (ou la teneur, terme équivalent) de matière sèche qui est mesurée selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass ».

La présente invention est relative au prétraitement d’une charge lignocellulosique en vue de son injection dans un procédé aval (qui peut être, par exemple, un procédé de production de sucre(s) et/ou d’éthanol dit de seconde génération).

On ne rentrera pas ici dans le détail des étapes préliminaires dites « préparatoires » au prétraitement, étapes préliminaires visant à conditionner la biomasse en vue de son exploitation dans le procédé de l’invention. Ces étapes de préparation initiales peuvent comporter par exemple un broyage grossier, un dépierrage, une étape d’élimination des éléments métalliques. En sortie de cette étape de préparation, la biomasse présente généralement une taille de particules inférieure ou égale à 50 mm, avec une géométrie variable suivant que la biomasse est du type paille, résidus agricoles ou résidus de feuillus de type peuplier ou Miscanthus notamment.

L’invention porte sur une technologie innovante de prétraitement de la biomasse, composé des étapes suivantes :

> Une étape A dite d’imprégnation où la biomasse lignocellulosique ainsi préparée (30 à 90% MS initiale selon la biomasse) est mise en contact avec un flux liquide. Ce flux liquide peut être composé d’eau, d’une base seule ou en mélange (préférentiellement NaOH ou KOH), d’acide seul ou en mélange (préférentiellement de l’acide fort : sulfurique, chlorhydrique ou phosphorique ou faible : oxalique, levulinique) ou d’un autre solvant (préférentiellement éthanol, solvant ionique). Le pH de cette solution chimique est compris entre 0,1 et 12,0, de préférence entre 0,1 et 7,0, de préférence entre 0,1 et 2,0. Dans cette première étape, la température est modérée, inférieure à 100°C, préférentiellement inférieure à 95°C.

Cette étape peut s’effectuer dans au moins un des outils suivants par exemple :
- Dans un ballon (dispositif batch)
- Dans un réacteur muni d’une vis (dispositif continu)
- Par pulvérisation de la solution d’imprégnation
- Par immersion
- Ou par une combinaison de deux de ces outils au moins, l’imprégnation par immersion de la biomasse dans la solution d’imprégnation étant particulièrement intéressante.

> Une étape B d’égouttage a pour but d’augmenter le taux en matière sèche de la biomasse lignocellulosique imprégnée (5 à 50%MS, ces teneurs dépendant du type de biomasse). Cette étape peut être effectuée dans le même équipement que celui de l’étape d’imprégnation A ou dans le même équipement que celui mettant en œuvre l’étape aval de réaction par chauffage D. Le flux liquide résultant de cette étape peut être recyclé, en tout ou partie, vers l’étape A d’imprégnation, en appoint pour la solution d’imprégnation.

Cette étape B peut s’effectuer dans les outils suivants par exemple :
- Dans un ballon (dispositif batch)
- Dans une trémie munie d’une évacuation pour le liquide (dispositif continu)
- Dans une vis de transport munie d’une cage perforée

> Une étape C est un transfert avec éventuelle montée en pression, mécanique, de préférence de la charge égouttée (10 à 55%MS) provenant de l’étape d’égouttage B. Cette étape C peut être réalisée dans le même équipement que l’étape A ou dans un équipement dédié. S’il existe, le flux liquide résultant de cette étape peut être recyclé vers l’étape A d’imprégnation, tout comme le flux résultant de l’étape B, comme appoint de solution d’imprégnation.

Cette étape C peut s’effectuer dans les outils suivants par exemple :
- Dans un dispositif continu, comme une vis d’alimentation de type « plug screw » ou une vanne rotative (dispositif continu)
- Dans un système de trémies à sas (« lock-hopper » selon la terminologie anglo-saxonne), permettant une montée en pression de la charge par paliers de pression, il s’agit donc d’un dispositif pseudo-continu
- Dans un ballon (éventuellement le même que celui de l’étape B quand l’étape B y a recours).

Les étapes A à C concernent l’équipement d’imprégnation, et peuvent constituer un ensemble réuni dans un seul réacteur.

Selon une variante alternative du procédé selon l’invention, l’étape d’égouttage B peut être placée en aval, et non en amont, de l’étape de transfert C, .

> Une première étape de réaction D, où la charge imprégnée, égouttée et en pression (10 à 55%MS) réagit dans un réacteur chauffé par de la vapeur. Les produits des réactions (sucres oligomères, sucres monomères, produits de dégradation) se trouvent dans la phase liquide. Cette étape D de réaction peut avantageusement être mise en œuvre dans un réacteur axial à vis de transport. Cette étape se déroule avec un temps de séjour préférentiellement compris entre 1 et 30 minutes, de préférence entre 1 et 10 minutes. La pression opératoire est comprise entre 1 et 20 bar, préférentiellement entre 5 et 17 bar. La température est comprise entre 100 et 250°C, préférentiellement 150 et 230°C, préférentiellement 180 et 220°C.

> Une étape E de pressage intermédiaire permet d’évacuer une partie du liquide libre (flux 10) au contact de la charge ayant réagi (flux 9, 10 à 45%MS). Cette étape E de pressage permet d’augmenter le taux de matière sèche de la biomasse et de récupérer un jus sucré.

Cette étape de pressage peut être précédé d’une étape I de lavage de la biomasse par un flux liquide (eau, eau + acide, eau + base, solvant type éthanol). De manière préférée, dans le cas d’une étape de lavage, le réacteur est en courant croisé. Un lavage permet d’augmenter le taux de récupération des sucres, mais avec une dilution de leur concentration dans la phase liquide.

L’étape E utilise un équipement permettant d’augmenter la teneur en matière sèche du milieu, et d’un équipement de type filtre (préférentiellement une grille qui peut être munie d’une toile) dans lequel est située la vis (filtre et vis sont coaxiales). Ce filtre permet de récupérer le fluide en périphérie de la vis sans laisser passer la charge de biomasse convoyée par la vis. Le flux liquide ainsi évacué contient les produits des réactions solubles (sucres oligomères, sucres monomères, produits de dégradation). Ces produits auraient en partie réagi dans la seconde étape de réaction par chauffage) pour se transformer en produits de dégradation (non valorisés), diminuant ainsi le rendement de l’opération.

Cette étape de pressage E permet donc d’améliorer le rendement de prétraitement en diminuant la part des produits de dégradation des sucres, et en augmentant la part des sucres oligomères et monomères (produits d’intérêt).

Cette étape E peut s’effectuer dans les outils suivants par exemple :
- Dans une vis avec une réduction de section de passage, munie d’une grille pour évacuer le liquide (dispositif continu)
- Dans une presse.

Cet outil de pressage peut être intégré dans le même outil que les deux sections réactionnelles, dans lesquelles sont réalisées les étapes de chauffage à la vapeur D et F, ou être un outil externe aux deux sections réactionnelles. Alternativement, on peut prévoir trois équipements distincts, respectivement pour les étapes D, E et F.

Le mélange ne subit pas une baisse de pression durant cette étape de pressage : il n’y a pas de détente entre les deux étapes de réaction par chauffage/maintien en température, ou alors de façon négligeable, ce qui évite de prévoir une étape de mise en pression qui suivrait une détente intermédiaire.

> Une seconde étape F de réaction par chauffage à la vapeur, où réagit la biomasse pressée (20 à 60%MS). La biomasse pressée a un taux de matière sèche plus élevé que lors de la première étape de réaction. Les produits d’intérêt des réactions (sucres oligomères, sucres monomères) se trouvent dans la phase liquide. Cette étape s’effectue dans un réacteur muni d’une vis de transport. Le chauffage dans cette étape F peut être un simple maintien en température, éventuellement à l’aide d’un apport de vapeur.

Les étapes D à F concernent « l’équipement de réaction » avec séparation intégrée par pressage, et peuvent constituer un ensemble réuni dans un seul réacteur.

> Une étape de déstructuration/détente G permet d’extraire le marc solide issu du réacteur de l’étape F (flux à 60% MS par exemple). Cette déstructuration peut être réalisée via une détente explosive (explosion vapeur), via un broyeur mécanique ou par tout autre moyen connu de l’homme du métier. L’objectif de cette étape est de rendre le produit solide, composé au moins de lignine, et de le rendre compatible avec sa conversion dans les étapes aval qui peuvent être une hydrolyse enzymatique (précédée d’une étape de passivation) et/ou une fermentation, par exemple.

Cette étape G peut s’effectuer dans les outils suivants par exemple :
- Dans un système de détente explosive (via un orifice, une vanne)
- Dans un broyeur mécanique
- Des outils papetiers de déstructuration (raffineur, défibreur)

> Une étape de séparation H permet de séparer le produit de la réaction (flux à 60%MS par exemple) en un flux vapeur et en un flux solide (flux par exemple à 65%MS) qui est la biomasse prétraitée. Cette étape H peut s’effectuer dans les outils suivants par exemple :
- Dans un cyclone
- Dans un ballon
- Dans un filtre

La représente un prétraitement conventionnel, sans l’étape de séparation solide/liquide intermédiaire E, la correspond au prétraitement avec cette étape de pressage intermédiaire E, et la correspond à la variante de l’invention avec, en outre, l’étape I de lavage.
On y retrouve les étapes et les flux mentionnés plus haut, avec les références qu’on récapitule ci-dessous pour en faciliter la lecture. Chaque référence correspond à la même étape, au même type de flux, d’une figure à l’autre.

Liste des étapes

A : Etape d’imprégnation

B : Etape d’égouttage

C : Etape de transfert

D : Première étape de réaction

E : Etape de séparation solide/liquide intermédiaire (pressage)

F : Deuxième étape de réaction

G : Déstructuration du marc

H : Séparation
I : Lavage

Liste des flux

1 : Biomasse broyée

2 : Eau + acide (liquide d’imprégnation)

3 : Biomasse imprégnée

4 : Egouttât de l’égouttage (peut être recyclé optionnellement)

5 : Biomasse imprégnée et égouttée

6 : Egouttât de la montée en pression (peut être recyclé optionnellement)

7 : Biomasse imprégnée, égouttée et éventuellement en pression (par exemple 20%MS)

8 : Vapeur de chauffe

9 : Marc issu de la première étape de réaction

10 : Jus sucré issu de l’étape de pressage

11 : Marc entrant dans la deuxième étape de réaction, pressé (par exemple 30%MS)

12 : Vapeur de chauffe

13 : Marc issu de la deuxième étape de réaction

14 : Marc déstructuré

15 : Vapeur issu de la séparation

16 : Marc prétraité (par exemple 34%MS)

Par rapport au cas conventionnel de la (imprégnation, cuisson, explosion), les prétraitements selon l’invention selon les figures 2 et 3 (imprégnation, première étape de cuisson, étape de séparation solide/liquide de type pressage, seconde étape de cuisson, explosion) permettent d’améliorer le rendement en sucres du procédé en :
- soutirant des sucres oligomères et monomères qui auraient réagi en produits de dégradation lors de la seconde étape F de réaction
- améliorant la réactivité de la cellulose en limitant le dépôt de produits de dégradation solides dans les réacteurs de cuisson/réaction,
- cette diminution de la quantité des produits de dégradation entrainant un ralentissement de l’encrassement du ou des réacteurs de cuisson, sur leurs parois et sur la vis de transport s’ils en sont munis, et de fait un allongement de la durée opérationnelle des réacteurs (avant arrêt pour nettoyage).

A noter en outre que le choix de l’outillage pour les phases réactives peut apporter des avantages additionnels : en utilisant des technologies fonctionnant en courant transverse (ou courant croisé), on peut augmenter la surface d’échange de matière et de chaleur, ce qui permet de limiter la taille des équipements, ce qui est avantageux en termes d’investissements et de taille d’implantation pour un site industriel, et ce qui tend aussi à diminuer leur consommation énergétique.
Comme illustration de ce type de réacteur à contre-courant/courant croisé, on peut se reporter par exemple à celui décrit
- dans le brevet WO 2020/126310, qui décrit un réacteur tubulaire destiné à une charge solide de type biomasse et qui est muni d’un distributeur de fluide qui est entouré d’un filtre confinant la charge dans l’espace entre le distributeur et le filtre en question,
- ou, de préférence, dans le brevet WO 2020/126311, qui décrit également un réacteur tubulaire avec une entrée de charge solide type biomasse et qui est muni d’une vis convoyeuse présentant un âme creuse permettant de distribuer un fluide dans le réacteur, avec un filtre entourant la vis et venant confiner la charge solide dans l’espace entre la vis et le filtre.

Les exemples suivants sont donnés à titre illustratif et non limitatif.

Exemple 1 (comparatif)
Cet exemple se rapporte à un prétraitement comme représenté à la . Il s’agit du prétraitement de paille de blé.
Les caractéristiques de la charge d’alimentation sont les suivantes :

Taux de Matière sèche (MS) : 89,7%poids

Teneur en cellulose : 38,1%MS

Teneur en xylane : 25,7%MS

Teneur en lignine (+ autres) : 36,2%MS

Débit : 586 kgMS/h

Un lot de paille de blé broyé à 50 mm (flux 1) est introduit dans une étape d’imprégnation A pour être contacté avec une liqueur acide (flux 2). Après avoir été pressé dans une vis d’alimentation en compression C, la biomasse imprégnée est pressée à 40%MS (flux 7) et réagit dans le réacteur d’explosion vapeur D.
Les conditions opératoires de l’étape d’imprégnation et de réaction sont les suivantes :
- Imprégnation
Débit d’acide concentré (H₂SO₄à 96%poids) : 13 kg/h

Débit d’eau : 833 kg/h
- Explosion Vapeur

Taux de matière sèche en entrée du réacteur : 40%poids
Température : 180°C

Temps de séjour : 5 min

Après avoir subi une détente explosive G et une séparation cyclonique H, le marc prétraité présente la structure de rendement suivante :
- Rendement de conversion du xylane

Xylane non converti : 13,9%poids

Xylane converti en produits de dégradation : 15,6%poids

Xylane converti en oligomères et monomères de xylose : 70,5%poids

Exemples 2 à 5 (selon l’invention)
Ces 4 exemples correspondent au prétraitement de l’invention selon la , identique à l’exemple 1, sauf en ce qu’on ajoute une étape de pressage intermédiaire E, entre une première étape de chauffe D et une seconde étape de chauffe/maintien en température F.

Exemple 2 (invention)
Cet exemple concerne le prétraitement de paille de blé dans deux zones réactionnelles séparées par une zone de pressage. La biomasse entre dans le premier réacteur à 20%MS (étape D), puis subit un pressage à 30%MS (étape E) avant d’entrer dans un second réacteur (étape F).

- Les caractéristiques de la charge d’alimentation sont les suivantes :
taux de Matière sèche (MS) : 89,7%poids
Teneur en cellulose : 38,1%MS
Teneur en xylane : 25,7%MS
Teneur en lignine (+ autres) : 36,2%MS
Débit : 586 kgMS/h
Un lot de paille de blé broyé à 50 mm (flux 1) est introduit dans une étape d’imprégnation A pour être contacté avec une liqueur acide (flux 2). Après avoir été égouttée et montée en pression, la biomasse imprégnée est introduite à 20%MS dans un premier réacteur de cuisson acide D. Le milieu est ensuite pressé à 30%MS dans une étape de pressage E avant d’être introduit dans un second réacteur de cuisson acide F.

Les conditions opératoires de ces étapes sont les suivantes :
- Imprégnation
Débit d’acide concentré (H₂SO₄à 96%poids) : 37 kg/h
Débit d’eau : 2421 kg/h
Premier réacteur de cuisson acide
Température : 180°C
Temps de séjour : 5 min
Taux de matière sèche en entrée du réacteur : 20 %poids
- Pressage
Matière sèche après pressage : 30%poids
- Second réacteur de cuisson acide
Temps de séjour : 5 min
Taux de matière sèche en entrée du réacteur : 30%poids

Après avoir subi une détente explosive G et une séparation cyclonique H, le marc prétraité présente la structure de rendement suivante :
-Rendement de conversion du xylane
Xylane non converti : 13,7%poids
Xylane converti en produits de dégradation : 9,5%poids
Xylane converti en oligomères et monomères de xylose : 76,8%poids

Exemple 3 (invention)

Cet exemple concerne le prétraitement de paille de blé dans deux zones réactionnelles séparées par une zone de pressage, avec une entrée de la biomasse dans le premier réacteur à 15%MS, puis un pressage à 30%MS, puis une entrée de la biomasse dans le deuxième réacteur à 30%MS.

- Les caractéristiques de la charge d’alimentation sont les suivantes :

Taux de matière sèche (MS) : 89,7%poids
Teneur en cellulose : 38,1%MS
Teneur en xylane : 25,7%MS
Teneur en lignine (+ autres) : 36,2%MS
Débit : 586 kgMS/h

Un lot de paille de blé broyé à 50 mm (flux 1) est introduit dans une étape d’imprégnation A pour être contacté avec une liqueur acide (flux 2). Après avoir été égouttée et montée en pression, la biomasse imprégnée est introduite à 15%MS dans un premier réacteur de cuisson acide D. Le milieu est ensuite pressé à 30%MS dans une étape de pressage E avant d’être introduit dans un second réacteur de cuisson acide F. Les conditions opératoires de ces étapes sont les suivantes :
- Imprégnation
Débit d’acide concentré (H₂SO₄à 96%poids) : 53 kg/h
Débit d’eau : 3556 kg/h
- Premier réacteur de cuisson acide
Température : 180°C
Temps de séjour : 5 min
Taux de matière sèche (MS) en entrée du réacteur : 15 %poids
- Pressage
Matière sèche après pressage : 30%poids
- Second réacteur de cuisson acide
Température : 180°C
Temps de séjour : 5 min
Taux de matière sèche en entrée du réacteur : 30%poids

Après avoir subi une détente explosive G et une séparation cyclonique H, le marc prétraité présente la structure de rendement suivante :
- Rendement de conversion du xylane
Xylane non converti : 13,8%poids
Xylane converti en produits de dégradation : 7,9%poids
Xylane converti en oligomères et monomères de xylose : 78,3%poids

Exemple 4 (invention)

Cet exemple concerne le prétraitement de paille de blé dans deux zones réactionnelles séparées par une zone de pressage, avec entrée de la biomasse dans le premier réacteur à 25% %S, pressage à 30%MS puis entrée à 30%MS dans le deuxième réacteur.

- Les caractéristiques de la charge d’alimentation sont les suivantes :
Matière sèche (MS) : 89,7%poids
Teneur en cellulose : 38,1%MS
Teneur en xylane : 25,7%MS
Teneur en lignine (+ autres) : 36,2%MS
Débit : 586 kgMS/h

Un lot de paille de blé broyé à 50 mm (flux 1) est introduit dans une étape d’imprégnation A pour être contacté avec une liqueur acide (flux 2). Après avoir été égouttée et montée en pression, la biomasse imprégnée est introduite à 25%MS dans un premier réacteur de cuisson acide D. Le milieu est ensuite pressé à 30%MS dans une étape de pressage E avant d’être introduit dans un second réacteur de cuisson acide F. Les conditions opératoires de ces étapes sont les suivantes :

- Imprégnation
Débit d’acide concentré (H₂SO₄à 96%poids) : 27 kg/h
Débit d’eau : 1773 kg/h
- Premier réacteur de cuisson acide
Température : 180°C
Temps de séjour : 5 min
Taux de matière sèche en entrée du réacteur : 25 %poids
- Pressage
Matière sèche après pressage : 30%poids
- Second réacteur de cuisson acide
Température : 180°C
Temps de séjour : 5 min
Taux de matière sèche en entrée du réacteur : 30%poids

Après avoir subi une détente explosive G et une séparation cyclonique H, le marc prétraité présente la structure de rendement suivante :
- Rendement de conversion du xylane
Xylane non converti : 13,4%poids
Xylane converti en produits de dégradation : 11,6%poids
Xylane converti en oligomères et monomères de xylose : 75,0%poids

Exemple 5 (invention)

Cet exemple concerne le prétraitement de paille de blé dans deux zones réactionnelles séparées par une zone de pressage, avec entrée de la biomasse dans le premier réacteur à 25% %S, pressage à 35%MS puis entrée à 35%MS dans le deuxième réacteur.

Un lot de paille de blé broyé à 50 mm (flux 1) est introduit dans une étape d’imprégnation A pour être contacté avec une liqueur acide (flux 2). Après avoir été égouttée et montée en pression, la biomasse imprégnée est introduite à 20%MS dans un premier réacteur de cuisson acide D. Le milieu est ensuite pressé à 35%MS dans une étape de pressage E avant d’être introduit dans un second réacteur de cuisson acide F. Les conditions opératoires de ces étapes sont les suivantes :

- Imprégnation
Débit d’acide concentré (H₂SO₄à 96%poids) : 37 kg/h
Débit d’eau : 2423 kg/h

-Premier réacteur de cuisson acide
Température : 180°C
Temps de séjour : 5 min
Taux de matière sèche en entrée du réacteur : 20 %poids
-Pressage
Matière sèche après pressage : 35%poids
- Second réacteur de cuisson acide
Température : 180°C
Temps de séjour : 5 min
Taux de matière sèche en entrée du réacteur : 35%poids

Après avoir subi une détente explosive G et une séparation cyclonique H, le marc prétraité présente la structure de rendement suivante :

- Rendement de conversion du xylane
Xylane non converti : 13,7%poids
Xylane converti en produits de dégradation : 8,4%poids
Xylane converti en oligomères et monomères de xylose : 77,8%poids

Le tableau 1 ci-dessous regroupe pour chacun des 5 exemples : le type de biomasse, les conditions opératoires, l’évolution de la teneur en MS de la biomasse et les rendements.
Le rendement de conversion du xylane en monomères ou oligomères de xylose a été considéré comme un indicateur pertinent de la qualité du prétraitement, puisqu’il est le principal composant de l’hémicellulose ciblée lors du prétraitement des biomasses lignocellulosiques.
Le rendement de conversion du xylane vers des produits de dégradation (de type furfural et/ou autres produits de dégradation de type humine) permet de vérifier d’une autre manière l’impact du pressage intermédiaire de l’invention sur la biomasse. Il a été évalué en calculant la différence entre la quantité de sucres qu’on aurait obtenue avec un taux de conversion de 100% de la biomasse en sucres et la quantité de sucres effectivement récupérée.

Exemple		Exemple 1 conventionnel	Exemple 2 selon l’invention	Exemple 3 selon l’invention	Exemple 4 selon l’invention	Exemple 5 selon l’invention
Domaine		Art antérieur	Gamme préférée	Entrée réacteur « plus dilué »	Entrée réacteur « plus sec »	Pressage plus important
Biomasse : paille de blé
Teneur en MS	%pds	89,7%	89,7%	89,7%	89,7%	89,7%
Teneur en cellulose dans la MS	%MS	38,1%	38,1%	38,1%	38,1%	38,1%
Teneur en xylane	%MS	25,7%	25,7%	25,7%	25,7%	25,7%
Teneur en lignine (+ autres)	%MS	36,2%	36,2%	36,2%	36,2%	36,2%
Conditions opératoires
Débit de biomasse	kgMS/h	586	586	586	586	586
Température	°C	180	180	180	180	180
Temps de séjour	minutes	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0
Teneur H₂SO₄dans liqueur (pressât)	%pds	1,5%	1,5%	1,5%	1,5%	1,5%
MS avant imprégnation	%pds	89 ,7%	89,7%	89,7%	89,7%	89,7%
MS entrant dans le réacteur	%pds	40%	20%	15%	25%	20%
MS après pressage interne	%pds	-	30%	30%	30%	35%
Structure de rendement
Xylane restant	%pds	13,9%	13,7%	13,8%	13,4%	13,7%
Conversion xylane en produits de dégradation	%pds	15,6%	9,5%	7,9%	11,6%	8,4%
Conversion xylane en xylose	%poids	70,5%	76,8%	78,3%	75,0%	77,8%
MS du marc brut produit ;	%poids	38,6%	33,1%	33,7%	32,8%	33,7%

De ce tableau, on peut vérifier que l’ajout d’une séparation solide/liquide (pressage) intermédiaire permet une augmentation significative de la conversion du xylane en xylose, d’au moins 4,5 % et même jusqu’à 7% et plus, ce qui, ramené à 100%, fait une augmentation de production de xylose de de 6 à 10%.

Ceci est corroboré par les valeurs obtenues pour le rendement de conversion du xylane vers des produits de dégradation : on a donc une baisse significative de la quantité de produits de dégradation produite (baisse d’au moins 4% en valeurs absolues).

Ces résultats confirment bien qu’avec cette séparation solide/liquide intermédiaire, l’invention peut « sortir » une plus grande proportion de sucres avant qu’ils n’aient le temps de se dégrader, et qu’elle améliore ainsi notablement le rendement de conversion de biomasse en sucres.

Cette séparation intermédiaire, illustrée ici par une opération de pressage, est modulable, notamment selon le type de biomasse utilisée (paille, miscanthus..) : On peut jouer sur la teneur en matière sèche MS de la biomasse avant d’opérer ce pressage. Ainsi, avec une MS plus basse, d’au plus 20%, notamment d’au plus 18% (ex 3 : 15%MS en entrée de réacteur) donne un meilleur rendement qu’une MS plus élevée, supérieure à 20%, notamment d’au plus 22% (ex 4 : 25%MS en entrée de réacteur), mais au prix d’une consommation d’eau et d’acide plus élevée et d’une concentration des sucres plus diluée dans le flux liquide récupéré (A noter que le niveau attendu de dilution des sucres peut cependant varier d’une application à l’autre, une dilution plus importante des sucres n’étant donc pas nécessairement un inconvénient).

A noter également que dans les exemples, est visée en sortir une teneur en MS aux environs de 35% (gamme de 30 à 40%MS) pour le marc brut produit, mais que l’on peut choisir d’autres teneurs en MS également, selon la mise en œuvre de l’invention.

On peut jouer sur l’intensité de la séparation solide/liquide, ici par pressage, selon l’outillage choisi pour réaliser cette séparation: ainsi, si on utilise une vis de compression, on peut modifier la taille et la géométrie de la vis ; si on utilise une presse intermittente, on peut jouer sur le niveau de pression appliqué et la durée du pressage ; et si on utilise une presse par différence de pression, on peut jouer sur la différence de pression appliquée et sur la durée de pressage également.

Claims

Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique en vue de produire un/des jus sucrés et/ou un ou/des alcools et/ou une/des molécules bio-sourcées, et visant à modifier la structure et/ou la composition chimique de ladite biomasse, caractérisé en ce qu’il comprend, notamment successivement, :
- une étape A d’imprégnation de la biomasse avec une solution d’imprégnation, de préférence aqueuse, acide ou basique ou oxydante, ou sous forme d’un solvant organique, afin d’obtenir une biomasse imprégnée,
- une étape B de séparation solide/liquide, afin d’obtenir d’une part une biomasse imprégnée séparée, et d’autre part une phase liquide,
- une étape C de transfert, notamment avec augmentation de la pression, de la biomasse imprégnée séparée obtenue à l’étape B, l’ordre des étapes B et C étant éventuellement inversé,
- une première étape D de mise ou maintien sous pression et chauffage en présence de vapeur d’eau de la biomasse transférée à l’étape C,
- une étape E de séparation solide/liquide intermédiaire, en maintenant le niveau de pression, de la biomasse chauffée obtenue à l’étape D, afin d’obtenir d’une part une phase liquide sous forme d’un jus sucré, et d’autre part une biomasse solide séparée,
- une deuxième étape F de chauffage, ou de maintien à température, et de maintien sous pression en présence de vapeur d’eau de la biomasse séparée obtenue à l’étape E,
- une étape G de déstructuration/détente de la biomasse obtenue à l’étape F,
- une étape H de séparation solide/gaz, afin d’obtenir d’une part une biomasse prétraitée et d’autre part une phase gazeuse comprenant de la vapeur d’eau.
Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend également une étape I de lavage de la biomasse mise sous pression obtenue à l’étape D et précédant l’étape E de séparation solide/liquide, le lavage étant notamment opéré avec une solution aqueuse à pH neutre, acide ou basique ou un solvant de type solvant alcoolique.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape A d’imprégnation est opérée sur une biomasse présentant un taux de matière sèche MS initial compris entre 30 et 90%, à une température d’au plus 95°C, la solution étant choisie parmi une solution aqueuse avec un acide fort ou une solution aqueuse avec un acide faible ou une solution aqueuse avec une base forte ou une solution aqueuse avec un solvant de type alcool ou de type solvant ionique.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape B de séparation solide/liquide s’opère par égouttage de la biomasse imprégnée, la phase liquide obtenue par la séparation étant optionnellement recyclée à l’étape A en tant que solution d’imprégnation.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape C de transfert est réalisée sur une biomasse imprégnée à un taux de matière sèche compris entre 10 et 55% avec une extraction liquide, la phase liquide résultant étant optionnellement recyclée à l’étape A en tant que solution d’imprégnation.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape D et/ou l’étape F de chauffage ou maintien en température est opérée à une température d’au moins 100°C, notamment d’au plus 250°C, de préférence à une température comprise entre 150 et 230°C, et à une pression comprise entre 1 et 20 bars, de préférence entre 5 et 17 bars.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en que l’étape E de séparation solide/liquide est opérée par pressage de la biomasse.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape F de chauffage est opérée sur une biomasse à taux de matière sèche compris entre 20 et 60%.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape G est opérée par une détente explosive ou par traitement mécanique type broyage.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la séquence d’étapes EF comprenant l’étape E de séparation solide/liquide intermédiaire suivie de la deuxième étape F de chauffage, ou de maintien à température est répétée n fois, notamment au moins deux ou trois fois, avant de procéder à l’étape G.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape A est opérée en discontinu, notamment dans un ballon, ou en continu, notamment dans un réacteur à vis ou par pulvérisation de la solution d’imprégnation sur la biomasse, et en ce que l’étape B de séparation est opérée en discontinu, notamment dans un ballon, ou dans une trémie munie d’une évacuation pour le liquide, ou en continu, notamment dans un convoyeur à vis muni d’une grille pour évacuer le liquide.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape C de transfert est opérée par un réacteur à vis conique, ou dans une trémie à sas ou dans un ballon.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape D et/ou l’étape F de chauffage/maintien en température est opérée en continu, notamment dans un réacteur muni d’une vis de transport, et en ce que l’étape E de séparation solide/liquide intermédiaire est opérée dans un convoyeur à vis avec réduction de section de passage muni d’une grille pour évacuer le liquide.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape G de déstructuration/détente est opérée dans un système de détente explosive, dans un broyeur mécanique ou dans un outil papetier de déstructuration type raffineur ou défibreur.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on règle le ratio de la teneur en matière sèche MS de la biomasse pendant la deuxième étape F de chauffage sur la teneur en matière sèche de la biomasse pendant la première étape D de chauffage à au moins 1,1, notamment à au moins 1,3 ou au moins 1,4.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend aussi :
- une étape J d’hydrolyse enzymatique de la biomasse prétraitée obtenue à l’étape H, pour obtenir un jus sucré, éventuellement suivie de ou concomitante à une étape F de fermentation pour une conversion des sucres contenu dans le jus sucré en alcool, notamment en éthanol, ou en d’autres molécules organiques biosourcées.