FR3136767A1 - Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique, avec la mise en œuvre d’au moins un réacteur (9 ;14) de traitement de ladite biomasse, ledit réacteur (9 ;14) étant équipé d’un dispositif d’alimentation (6 ;11) muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur, tel que- on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation (6 ;11) vers le réacteur (9 ;14), un résidu (8 ;13) par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu étant un mélange de solide et de liquide, - on sépare ledit résidu en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41), - on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32 ;42) dans le dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation. Figure pour l’abrégé : Fig.2
Description
L’invention concerne un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique pour produire des jus sucrés dits de seconde génération (2G). Ces jus sucrés peuvent être utilisés pour produire d’autres produits par voie biochimique (par exemple des alcools comme l‘éthanol, le butanol, ou d’autres molécules, par exemple des solvants tels que l’acétone etc…). Ce procédé comporte généralement trois étapes qui sont la préparation de liqueur, l’imprégnation de la biomasse par cette liqueur et le prétraitement de la biomasse imprégnée, par exemple par cuisson éventuellement couplée à une explosion à la vapeur.
La biomasse lignocellulosique représente une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. Les substrats considérés sont très variés, ils concernent à la fois des substrats ligneux comme différents bois (feuillus et résineux), des coproduits issus de l’agriculture (pailles de blé, rafles de maïs, etc…) ou d’autres industries agroalimentaires, papetières, etc…
Le procédé de transformation biochimique de la biomasse lignocellulosique en jus sucrés 2G comprend notamment une étape de prétraitement et une étape d’hydrolyse enzymatique par un cocktail enzymatique. Ces procédés comportent aussi le plus souvent une étape d’imprégnation avant le prétraitement. Les jus sucrés issus de l’hydrolyse sont ensuite traités, par exemple par fermentation, et le procédé comprend également des étapes de séparation et/ou une étape de purification du produit final.
La biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux polymères : la cellulose (35 à 50% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué d'hexoses ; l'hémicellulose (20 à 30% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué de pentoses ; et la lignine (15 à 25% poids), qui est un polymère de structure complexe et de haut poids moléculaire, composé d'alcools aromatiques reliés par des liaisons éther. Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent en un enchevêtrement complexe.
Parmi les trois polymères de base qui intègrent la biomasse lignocellulosique, la cellulose et l'hémicellulose sont ceux qui permettent la production de jus sucrés 2G.
Le plus souvent, l’hémicellulose est majoritairement décomposée en sucre durant le prétraitement, et la cellulose est convertie en glucose par l’hydrolyse enzymatique. Toutefois, l’accès à la cellulose brute reste difficilement accessible aux enzymes, d’où la nécessité d’un prétraitement. Ce prétraitement permet de modifier les propriétés physico-chimiques de la biomasse lignocellulosique afin d’améliorer l'accessibilité de la cellulose aux enzymes et sa réactivité à l’hydrolyse enzymatique.
De nombreuses technologies intéressant l’invention pour réaliser ce prétraitement existent, qui seront ci-après regroupés sous le terme générique de « cuisson » : cuissons acides, cuissons alcalines, cuisson par auto-hydrolyse, explosion à la vapeur, procédés dits « organosolv pulping » selon le terme anglais connu (ou traitement avec organo-solvent en français). Ce dernier procédé concerne un prétraitement en présence d’un ou plusieurs solvants organiques et généralement d’eau. Le solvant peut être un alcool (éthanol), un acide type acide acétique, acide formique, ou encore l’acétone. Les procédés « organosolv pulping » conduisent à une solubilisation au moins partielle de la lignine, une solubilisation partielle des hémicelluloses. On a alors deux flux en sortie : le substrat prétraité avec cellulose, hémicellulose et lignine résiduels et la phase solvant qui contient la lignine solubilisée et une partie des hémicelluloses. Il y a généralement une étape de régénération du solvant qui permet d’extraire un flux de lignine. Certains traitements « organosolv pulping » (notamment avec de l’éthanol) sont couplés avec l’ajout d’un acide fort (du type H2SO4). On peut envisager également d’avoir une mise en contact de la biomasse avec le solvant via un réacteur d’imprégnation avant la phase de cuisson ou d’avoir une mise en contact de la biomasse avec le catalyseur acide avant d’effectuer une cuisson « organosolv pulping ».
Différentes configurations sont reportées par exemple dans le document «Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review », M. Balat, Energy Conversion and Management 52 (2011) 858–875, ou encore dans le document « Bioethanol production from agricultural wastes : an overview », N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.
Un des prétraitements le plus efficace est l’explosion à la vapeur, notamment en condition acide, qui permet une hydrolyse presque totale de l’hémicellulose et une amélioration importante de l’accessibilité et de la réactivité de la cellulose aux enzymes. Ce prétraitement peut être précédé d’autre(s) traitement(s).
Tous ces prétraitements s’appliquent sur des biomasses qui sont initialement sous forme solide, c’est le but du prétraitement de les déstructurer.
Les brevets US-8057639 et US-8512512 proposent un procédé comprenant une première étape d’hydrolyse de l’hémicellulose en sucres C5 dans des conditions douces les préservant ainsi de leur dégradation. Cette étape est réalisée dans un premier réacteur sous une pression de 1,5 bar (0,15 MPa) ou plus, par injection de vapeur, à une température de 110°C ou plus, et éventuellement en présence d’acide faible. Après cette étape, un lavage est réalisé pour extraire et récupérer les jus de sucres issus de l’hémicellulose (généralement des sucres en C5 et de sucres en C6, dont la proportion relative dépend, notamment, de la nature de la biomasse) avant d’envoyer la biomasse restante, enrichie en cellulose et lignine, dans une seconde étape (second réacteur) où a lieu l’explosion à la vapeur. Ce second réacteur opère à une pression plus élevée que le premier réacteur avec une injection de vapeur à pression élevée qui provoque une détente brutale de la biomasse (explosion à la vapeur).
Dès lors qu’un traitement requiert une étape en pression (imprégnation, prétraitement du type cuisson ou autre), il est nécessaire de faire appel à des moyens d’introduction de biomasse solide compatibles avec ces étapes de pression. C’est par exemple le cas des vis de compression, dont un mode de réalisation est décrit dans le brevet US 4,599,138.
Le brevet FR 3 075 203 décrit un procédé avec imprégnation de la biomasse avec une liqueur acide, puis cuisson et explosion à la vapeur de la biomasse imprégnée, avec un ajustement de l’acidité de la liqueur acide et un recyclage de celle-ci. Le brevet FR 3 075 201 décrit également un procédé de prétraitement de la biomasse par imprégnation acide puis explosion à la vapeur, avec en outre un lavage des moyens d’alimentation des réacteurs et recyclage des eaux de lavage dans le procédé.
L’invention a alors pour but d’améliorer le traitement de biomasse lignocellulosique. Elle a notamment pour but d’améliorer l’introduction de la biomasse dans un réacteur opérant une ou plusieurs des étapes du traitement de la biomasse.
Elle a plus particulièrement pour but d’améliorer les étapes d’imprégnation et/ou de cuisson de type d’explosion à la vapeur de la biomasse telles que décrites dans les documents antérieurs précités. L’invention a aussi pour but de rendre le procédé de traitement, et notamment ces deux étapes, plus performantes, en termes de consommation d’énergie et/ou de fluide de traitement et/ou de rendement de conversion de la biomasse.
Résumé de l’invention
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique comprenant un taux de matière sèche d’au plus 90% en poids, ledit procédé comprenant la mise en œuvre d’au moins un réacteur de traitement de ladite biomasse, ledit réacteur étant équipé d’un dispositif d’alimentation en biomasse qui est muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur. Ce procédé se caractérise par le fait
- qu’on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation vers le réacteur, un résidu par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- en qu’on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide,
- et qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs.
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique comprenant un taux de matière sèche d’au plus 90% en poids, ledit procédé comprenant la mise en œuvre d’au moins un réacteur de traitement de ladite biomasse, ledit réacteur étant équipé d’un dispositif d’alimentation en biomasse qui est muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur. Ce procédé se caractérise par le fait
- qu’on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation vers le réacteur, un résidu par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- en qu’on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide,
- et qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs.
Dans le cadre de l’invention, on comprend par « biomasse lignocellulosique comprenant un taux de matière sèche de X % » soit une biomasse qui comprend naturellement un taux de X % de matière sèche (une biomasse dite native), soit une biomasse qui présente ce taux après une ou plusieurs opérations préalables au procédé selon l’invention. Et ce taux de matière sèche (acronyme "MS") désigne le taux de matière sèche qui est mesuré selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.
Dans le cadre de l’invention, on comprend par « résidu solide-liquide » un liquide contenant du solide (des particules solides) en suspension. On comprend par « résidu solide » un résidu qui comprend au moins 20% poids de solide, (notamment au moins 30 ou 40%, voire même au moins 50% poids de solide selon le mode de séparation envisagé) et qui présente une consistance solide de type boue ou celle de fragments de biomasse imprégnés d’acide On comprend par « résidu liquide » un résidu qui comprend au moins 50% poids de liquide, notamment au moins 80% poids de liquide et qui a la consistance d’un liquide dépourvu ou substantiellement dépourvu de particules solides en suspension.
L’invention, comme cela sera détaillé plus loin, peut avantageusement s’appliquer à tout type de réacteur utilisé dans un procédé de conversion de biomasse, et plus particulièrement à des réacteurs d’imprégnation de la biomasse (quand une imprégnation est prévue, que ce soit par une liqueur comprenant un composé chimique comme un acide, une base ou un agent oxydant ou par une liqueur à base d’eau, avec autolyse de la biomasse libérant naturellement un acide, notamment de l’acide acétique) et/ou à des réacteurs de traitement thermique type cuisson ou explosion à la vapeur.
L’invention a consisté à proposer d’extraire de la biomasse avant son entrée dans le réacteur un résidu qui est pour partie solide et pour partie liquide, et d’en tirer parti de manière optimale.
En fait, il était déjà connu d’extraire/récupérer un résidu liquide (aqueux) / une eau de lavage liquide des moyens d’alimentation des réacteurs en question, pour ajuster la teneur en matière sèche de la biomasse, pour laver l’équipement qui permet d’alimenter le réacteur en biomasse, etc. … Il s’agissait alors de récupérer ce résidu pour le réutiliser « tel quel », en appoint de liquide aqueux dans le procédé, en considérant que c’était simplement un liquide, à récupérer pour baisser la consommation en eau et/ou en produit chimique (acide de la liqueur d’imprégnation par exemple) du procédé.
Or ce résidu extrait, s’il pouvait effectivement comprendre une proportion élevée de liquide (d’eau), comprenait également de la matière solide (ne serait-ce qu’en cas de lavage à l’eau des équipements d’alimentation pour éviter leur encrassement) : on a affaire à un liquide chargé en particules solides.
Et il a été mis en avant par les inventeurs que, une fois séparé du reste du résidu extrait, ce résidu solide (ces particules) avait une composition très intéressante et valorisable :
Ainsi, un résidu solide, issu d’un résidu solide-liquide extrait d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur d’imprégnation contient des polymères de sucres, de la lignine et présente une formulation très proche de celle de la biomasse qui est entrée dans le dispositif d’alimentation, qui peut être soit de la biomasse native, soit de la biomasse ayant déjà subi un ou plusieurs traitements (traitement mécanique de type broyage, déferraillage, ou chimique, du type ajout d’eau pour ajuster le taux de matière sèche de la biomasse avant imprégnation ou autre traitement).
Un résidu solide, issu d’un résidu solide-liquide extrait d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson a une formulation qui peut différer de la biomasse native, notamment si celle-ci a au préalable été imprégnée d’une liqueur acide, basique, oxydante et/ou a subi d’autres traitements préalables : dans le cas d’une imprégnation par une liqueur, par exemple acide, le résidu peut contenir des traces de cette liqueur (par exemple il peut contenir un acide qui est dans la formulation de la liqueur), il peut contenir aussi moins d’hémicellulose, dont une partie a pu être convertie en sucres sous l’action de la liqueur d’imprégnation, il peut contenir moins de cellulose et de lignine aussi. Ce résidu peut également contenir moins d’espèces dites extractibles (sucres monomères, cendres etc.) que la biomasse puisque l’imprégnation agit sur ces espèces solubles.
Ainsi, un résidu solide, issu d’un résidu solide-liquide extrait d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur d’imprégnation contient des polymères de sucres, de la lignine et présente une formulation très proche de celle de la biomasse qui est entrée dans le dispositif d’alimentation, qui peut être soit de la biomasse native, soit de la biomasse ayant déjà subi un ou plusieurs traitements (traitement mécanique de type broyage, déferraillage, ou chimique, du type ajout d’eau pour ajuster le taux de matière sèche de la biomasse avant imprégnation ou autre traitement).
Un résidu solide, issu d’un résidu solide-liquide extrait d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson a une formulation qui peut différer de la biomasse native, notamment si celle-ci a au préalable été imprégnée d’une liqueur acide, basique, oxydante et/ou a subi d’autres traitements préalables : dans le cas d’une imprégnation par une liqueur, par exemple acide, le résidu peut contenir des traces de cette liqueur (par exemple il peut contenir un acide qui est dans la formulation de la liqueur), il peut contenir aussi moins d’hémicellulose, dont une partie a pu être convertie en sucres sous l’action de la liqueur d’imprégnation, il peut contenir moins de cellulose et de lignine aussi. Ce résidu peut également contenir moins d’espèces dites extractibles (sucres monomères, cendres etc.) que la biomasse puisque l’imprégnation agit sur ces espèces solubles.
L’invention a alors mis à profit ces observations pour valoriser de façon séparée ce résidu solide afin améliorer au mieux les performances du procédé dans son ensemble, avec toute une série d’avantages :
- en séparant le résidu solide-liquide, on peut récupérer un résidu liquide dépourvu ou substantiellement dépourvu de particules solides, ce qui permet de recycler plus largement ce liquide (les particules ne venant pas perturber/risquer d’encrasser les équipements faisant recirculer les eaux de lavage par exemple)
- en recyclant le résidu solide séparé, on augmente le rendement du procédé de conversion de biomasse vers les sucres (par prétraitement générant des sucres notamment en C5 , puis hydrolyse enzymatique générant des sucres de type sucres en C6) ou de biomasse vers l’éthanol (par prétraitement, hydrolyse enzymatique et fermentation), puisqu’on vient réincorporer au procédé de conversion de la biomasse ou un dérivé de biomasse qui serait sinon perdu et qui comprend des sucres/ des composants encore susceptibles d’être convertis en sucres)
- le résidu liquide débarrassé de particules solides peut être utilisé pour réduire la consommation en eau du procédé : le résidu solide-liquide issu du dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson peut ainsi contenir jusqu’à 80% en poids d’eau, récupérer cette eau est donc très intéressant, le procédé étant gourmant en eau, et même le résidu solide-liquide extrait du dispositif d’alimentation du réacteur d’imprégnation peut comprendre une teneur significative en eau, qui est au moins la teneur en eau de la biomasse native, teneur variable selon la nature de la biomasse mais qui peut monter à au moins 30% poids.
- Le résidu liquide issu du résidu solide-liquide extrait dans le dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson et provenant d’une biomasse imprégnée à l’acide va contenir une certaine teneur en acide, et va donc pouvoir être utilisé comme appoint pour produire de la liqueur d’imprégnation, et va ainsi baisser la consommation en acide du procédé (évidemment, même avantage de baisse de consommation de produit chimique si l’imprégnation se fait avec une liqueur basique ou oxydante). Ce résidu liquide peut aussi être utilisé pour rectifier par exemple le pH/la quantité d’agent oxydant contenu dans la liqueur d’imprégnation et présent de façon résiduelle dans la biomasse à différentes étapes de son procédé de conversion, en dehors de la préparation de la liqueur d’imprégnation elle-même.
- en séparant le résidu solide-liquide, on peut récupérer un résidu liquide dépourvu ou substantiellement dépourvu de particules solides, ce qui permet de recycler plus largement ce liquide (les particules ne venant pas perturber/risquer d’encrasser les équipements faisant recirculer les eaux de lavage par exemple)
- en recyclant le résidu solide séparé, on augmente le rendement du procédé de conversion de biomasse vers les sucres (par prétraitement générant des sucres notamment en C5 , puis hydrolyse enzymatique générant des sucres de type sucres en C6) ou de biomasse vers l’éthanol (par prétraitement, hydrolyse enzymatique et fermentation), puisqu’on vient réincorporer au procédé de conversion de la biomasse ou un dérivé de biomasse qui serait sinon perdu et qui comprend des sucres/ des composants encore susceptibles d’être convertis en sucres)
- le résidu liquide débarrassé de particules solides peut être utilisé pour réduire la consommation en eau du procédé : le résidu solide-liquide issu du dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson peut ainsi contenir jusqu’à 80% en poids d’eau, récupérer cette eau est donc très intéressant, le procédé étant gourmant en eau, et même le résidu solide-liquide extrait du dispositif d’alimentation du réacteur d’imprégnation peut comprendre une teneur significative en eau, qui est au moins la teneur en eau de la biomasse native, teneur variable selon la nature de la biomasse mais qui peut monter à au moins 30% poids.
- Le résidu liquide issu du résidu solide-liquide extrait dans le dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson et provenant d’une biomasse imprégnée à l’acide va contenir une certaine teneur en acide, et va donc pouvoir être utilisé comme appoint pour produire de la liqueur d’imprégnation, et va ainsi baisser la consommation en acide du procédé (évidemment, même avantage de baisse de consommation de produit chimique si l’imprégnation se fait avec une liqueur basique ou oxydante). Ce résidu liquide peut aussi être utilisé pour rectifier par exemple le pH/la quantité d’agent oxydant contenu dans la liqueur d’imprégnation et présent de façon résiduelle dans la biomasse à différentes étapes de son procédé de conversion, en dehors de la préparation de la liqueur d’imprégnation elle-même.
Selon l’invention, on peut réaliser un lavage du ou d’au moins un des dispositifs d’alimentation par circulation d’un fluide de lavage entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation, la sortie de lavage étant de préférence également la sortie d’extraction du résidu solide-liquide.
Dans ce cas, le résidu solide-liquide contient une teneur en liquide (en eau) élevée, puisque comprenant l’eau contenue dans la biomasse et l’eau de lavage.
Selon l’invention, on peut réintroduire au moins une partie du résidu liquide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs.
Dans une variante, le résidu solide issu d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur d’imprégnation peut être réintroduit en entrée du dispositif d’alimentation, par exemple conjointement avec la charge de biomasse entrant dans le dispositif.
Dans une autre variante, le résidu solide issu d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson peut être réintroduit en entrée du dispositif d’alimentation, par exemple conjointement avec la charge de biomasse entrant dans le dispositif, qui optionnellement a été imprégnée au préalable.
Il est également possible que le résidu solide issu d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur d’imprégnation soit renvoyé dans le dispositif d’alimentation du réacteur de cuisson (ou inversement), avec moins d’impact favorable, cependant, sur le rendement de conversion de la biomasse que dans les deux variantes précédentes.
Avantageusement, au moins un des dispositifs d’alimentation crée une augmentation de pression entre l’entrée de biomasse et la sortie de biomasse dudit dispositif, cette augmentation de pression générant une compression de la biomasse conduisant à l’extraction du résidu solide-liquide.
Un des dispositifs d’alimentation au moins peut ainsi être une vis d’alimentation, notamment au moins en partie conique, comprenant un carénage muni d’une cage munie d’ouvertures qui permettent l’extraction du résidu solide-liquide de la biomasse et éventuellement la circulation d’un fluide de lavage. Cette vis de compression (appelée aussi « plug screw » selon la terminologie anglo-saxonne), de façon connue, vient créer un bouchon hermétique de biomasse dans la portion aval de la vis, ce qui crée une compression sur la biomasse se traduisant par une différence de pression entre l’entrée de la biomasse et la sortie de la biomasse de la vis, par exemple d’au moins 0,05 MPa, par exemple d’environ 0,5 MPa. La compression s’appliquant sur la biomasse peut ainsi conduire à l’expulsion d’une partie du liquide contenu dans la biomasse, notamment lorsque la MS de la biomasse est inférieure à 80% avant son entrée dans le moyen d’alimentation sous pression.
Selon l’invention, on peut séparer le résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide par au moins un dispositif de séparation choisi parmi un dispositif de centrifugation, un dispositif d’égouttage ou de pressage, un dégrilleur.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une étape d’imprégnation de la biomasse par une liqueur d’imprégnation contenant un catalyseur chimique, ladite étape étant mise en œuvre par introduction de la biomasse dans le ou un des réacteurs par son/leur dispositif d’alimentation.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une étape de traitement de la biomasse par cuisson ou explosion à la vapeur, ladite étape étant mise en œuvre par introduction de la biomasse dans le ou un des réacteurs par son/leur dispositif d’alimentation.
Le procédé selon l’invention peut comprendre au moins une étape de traitement de la biomasse par hydrolyse enzymatique, ladite étape étant postérieure à sa cuisson ou explosion à la vapeur, dans un réacteur d’hydrolyse enzymatique muni de son dispositif d’alimentation. Le dispositif d’alimentation de ce réacteur est conventionnel, il peut par exemple s’agir d’un dispositif de type vis sans fin (pas de compression de biomasse à ce stade généralement).
Le procédé selon l’invention peut comprendre au moins une étape de traitement de la biomasse par fermentation, ladite étape étant postérieure ou concomitante à l’étape d’hydrolyse enzymatique, dans un réacteur de fermentation muni de son dispositif d’alimentation. Le dispositif d’alimentation de ce réacteur de fermentation est conventionnel, il peut par exemple s’agir d’un dispositif de type vis sans fin (pas de compression de biomasse à ce stade généralement). A noter que l’hydrolyse enzymatique et la fermentation peuvent être aussi opérées dans un même réacteur.
Le procédé selon l’invention peut comprendre au moins une étape de traitement de la biomasse visant à séparer les solvants ou alcools, ladite étape étant postérieure à l’étape de fermentation et étant réalisée dans un réacteur de séparation muni de son dispositif d’alimentation. Comme détaillé plus loin, ce réacteur peut être tout équipement, dont, notamment, au moins une colonne de distillation, son dispositif d’alimentation étant tout dispositif conventionnel pour ce type d’équipement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut extraire de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation vers le réacteur d’imprégnation et/ou vers le réacteur de cuisson, un résidu par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- puis on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide,
- et on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation (du réacteur d’imprégnation ou de cuisson donc) ou dans au moins un des dispositifs d’alimentation du réacteur d’hydrolyse enzymatique ou du réacteur de fermentation ou du réacteur de séparation.
- puis on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide,
- et on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation (du réacteur d’imprégnation ou de cuisson donc) ou dans au moins un des dispositifs d’alimentation du réacteur d’hydrolyse enzymatique ou du réacteur de fermentation ou du réacteur de séparation.
Dans cette configuration, on vient donc réemployer un résidu solide issu d’un prétraitement de biomasse (cuisson avec imprégnation préalable optionnelle) pour l’introduire dans un réacteur en aval du ou des réacteurs de prétraitement, qui visent à convertir la biomasse prétraitée (en sortie du réacteur de cuisson) en sucres, (on parle alors d’hydrolysat) puis éventuellement en solvant ou alcool de type éthanol (on parle alors de mout de fermentation dont on sépare de façon connue l’alcool ou le solvant d’intérêt).
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention peut comprendre les étapes suivantes
- a) Préparation d’une liqueur d’imprégnation contenant un catalyseur chimique destinée à l’imprégnation de la biomasse, catalyseur choisi parmi un catalyseur acide, un catalyseur basique et un catalyseur oxydant, et de préférence un catalyseur acide, dans une zone de préparation,
- b) Introduction de la biomasse dans un réacteur d’imprégnation à l’aide d’un premier dispositif d’alimentation, ledit premier dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un premier fluide de lavage entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif (6),
- c) Introduction de la liqueur dans le réacteur d’imprégnation par une première entrée de liqueur (4) du réacteur,
- d) Transfert de la biomasse imprégnée puis égouttée depuis une sortie du réacteur d’imprégnation vers une entrée d’un réacteur de prétraitement par cuisson par au moins un deuxième dispositif d’alimentation, ledit deuxième dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un deuxième fluide de lavage entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation,
- e) Prétraitement de ladite biomasse dans ledit réacteur par cuisson ou explosion à la vapeur,
- f) Extraction à partir de la biomasse d’un résidu solide-liquide traversant au moins un des deux dispositifs d’alimentation, puis séparation dudit/ de chacun des résidus solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide avec réintroduction d’au moins une partie du résidu solide en tant qu’appoint de biomasse dans au moins un des dispositifs d’alimentation, et réintroduction d’au moins une partie du résidu liquide en tant qu’appoint de fluide de lavage dans au moins un des dispositifs d’alimentation ou en tant qu’appoint pour la liqueur d’imprégnation dans la zone de préparation de la liqueur ou dans le réacteur d’imprégnation.
- a) Préparation d’une liqueur d’imprégnation contenant un catalyseur chimique destinée à l’imprégnation de la biomasse, catalyseur choisi parmi un catalyseur acide, un catalyseur basique et un catalyseur oxydant, et de préférence un catalyseur acide, dans une zone de préparation,
- b) Introduction de la biomasse dans un réacteur d’imprégnation à l’aide d’un premier dispositif d’alimentation, ledit premier dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un premier fluide de lavage entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif (6),
- c) Introduction de la liqueur dans le réacteur d’imprégnation par une première entrée de liqueur (4) du réacteur,
- d) Transfert de la biomasse imprégnée puis égouttée depuis une sortie du réacteur d’imprégnation vers une entrée d’un réacteur de prétraitement par cuisson par au moins un deuxième dispositif d’alimentation, ledit deuxième dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un deuxième fluide de lavage entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation,
- e) Prétraitement de ladite biomasse dans ledit réacteur par cuisson ou explosion à la vapeur,
- f) Extraction à partir de la biomasse d’un résidu solide-liquide traversant au moins un des deux dispositifs d’alimentation, puis séparation dudit/ de chacun des résidus solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide avec réintroduction d’au moins une partie du résidu solide en tant qu’appoint de biomasse dans au moins un des dispositifs d’alimentation, et réintroduction d’au moins une partie du résidu liquide en tant qu’appoint de fluide de lavage dans au moins un des dispositifs d’alimentation ou en tant qu’appoint pour la liqueur d’imprégnation dans la zone de préparation de la liqueur ou dans le réacteur d’imprégnation.
L’invention a également pour objet toute installation mettant en œuvre le procédé décrit plus haut.
L’installation selon l’invention peut ainsi comprendre au moins un réacteur de traitement de biomasse, ledit réacteur étant équipé d’un dispositif d’alimentation en biomasse qui est muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur, avec extraction à partir de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation vers le réacteur, d’un résidu par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide, l’installation comprenant également
- au moins un dispositif de séparation dudit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide, notamment choisi parmi un dispositif de centrifugation, un dispositif d’égouttage ou de pressage, un dégrilleur,
- des moyens pour réintroduire au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs
- éventuellement des moyens pour réintroduire au moins une partie du résidu liquide dans l’installation, notamment dans le/un des dispositifs d’alimentation.
- au moins un dispositif de séparation dudit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide, notamment choisi parmi un dispositif de centrifugation, un dispositif d’égouttage ou de pressage, un dégrilleur,
- des moyens pour réintroduire au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs
- éventuellement des moyens pour réintroduire au moins une partie du résidu liquide dans l’installation, notamment dans le/un des dispositifs d’alimentation.
Les moyens pour réintroduire les résidus liquides et/ou solides sont conventionnels, et peuvent comprendre tout moyen de connexion hydraulique approprié (conduites, équipements de type pompe, filtre, vannes).
L’invention a également pour objet l’utilisation du procédé ou de l’installation tels que décrits plus haut pour le traitement de biomasses lignocellulosiques, du type bois, paille, résidus agricoles, et toutes cultures énergétiques dédiées, notamment des plantes annuelles ou pluriannuelles telles que le miscanthus, en vue de produire des sucres, des biocarburants ou des molécules biosourcées.
La est une représentation schématique d’une installation de conversion de biomasse lignocellulosique où le procédé selon l’invention peut être appliqué.
La est un schéma-bloc du procédé selon un art antérieur mettent en œuvre l’installation de la .
La est un schéma-bloc d’une partie du procédé selon l’invention, modifiant le procédé selon la .
La est un schéma-bloc illustrant une première variante du procédé selon l’invention.
La est un schéma-bloc illustrant une deuxième variante du procédé selon l’invention.
La est un schéma-bloc illustrant une troisième variante du procédé selon l’invention.
La est un schéma-bloc illustrant une quatrième variante du procédé selon l’invention.
La est un schéma-bloc illustrant une cinquième variante du procédé selon l’invention
La est une représentation schématique d’une variante selon l’invention de l’installation de conversion de biomasse lignocellulosique décrite à la .
A noter que les mêmes références concernent le même flux, le même dispositif, d’une figure à l’autre.
La représente de façon très schématique un exemple non limitatif d’une installation de conversion de biomasse lignocellulosique dans laquelle on peut appliquer l’invention, installation qui prévoit un prétraitement de la biomasse incluant une imprégnation avec une liqueur acide puis une cuisson/explosion à la vapeur, puis une hydrolyse enzymatique suivie d’une fermentation alcoolique, pour transformer la biomasse en éthanol.
L’invention s’applique de façon analogue à des installations différentes, notamment :
- des installations qui ne visent que la production de sucres, et qui ne prévoient donc pas de fermentation alcoolique,
- des installations qui prévoient un prétraitement par cuisson sans imprégnation préalable par une liqueur (autolyse par exemple),
- des installation qui prévoient un prétraitement par cuisson avec une imprégnation préalable par une liqueur non acide, par exemple une liqueur basique ou oxydante.
- des installations qui ne visent que la production de sucres, et qui ne prévoient donc pas de fermentation alcoolique,
- des installations qui prévoient un prétraitement par cuisson sans imprégnation préalable par une liqueur (autolyse par exemple),
- des installation qui prévoient un prétraitement par cuisson avec une imprégnation préalable par une liqueur non acide, par exemple une liqueur basique ou oxydante.
L’invention a en effet vocation à s’appliquer à tout réacteur, dont, mais pas exclusivement, les réacteurs d’imprégnation et de cuisson, utilisé dans un procédé de conversion de biomasse.
La représente donc une conversion de biomasse opérée de la façon suivante : la biomasse 5 broyée (imprégnée ou pas d’une liqueur catalytique) est introduite dans un réacteur 9 d’imprégnation par un moyen d’alimentation sous pression 6 qui est une vis, appelée aussi en anglais « Plug Screw Feeder », dont la portion terminale est conique, qui présente un carénage avec une grille d’égouttage, une entrée d’eau de lavage 7 et une sortie d’eau de lavage 8. Un bouchon hermétique de biomasse se crée en portion aval de la vis, qui crée une compression sur la biomasse se traduisant par une différence de pression entre l’entrée de la biomasse et la sortie de la biomasse de la vis d’au moins 0,05 MPa. La compression s’appliquant sur la biomasse peut conduire à l’expulsion d’une partie du liquide contenu dans la biomasse, notamment lorsque la MS de la biomasse est inférieure à 80% avant son entrée dans le moyen d’alimentation sous pression 6. Le liquide ainsi extrait se mélange avec l’eau de lavage et est soutiré avec l’eau de lavage usée 8.
Le réacteur d’imprégnation est également alimenté en liqueur acide 4 (de l’eau additionnée d’acide sulfurique) provenant d’une cuve de préparation de liqueur 3, elle-même alimentée en acide 2 et en eau 1. Le réacteur comprend une zone 9a d’imprégnation de la biomasse, surmontée d’une zone 9b d’égouttage de la biomasse.
La biomasse imprégnée et égouttée 10 sort du réacteur 9 pour alimenter un réacteur 14 de cuisson par explosion à la vapeur via une autre vis d’alimentation 11 similaire dans son fonctionnement à la vis d’alimentation 6. Dans cette vis, du fait de la compression exercée sur la biomasse, on récupère un liquide 13 résultat de ce pressage, aussi appelé pressât, qui est composé d’eau et d’acide. La vis est lavée, à l’aide d’une entrée dédié, par un liquide de lavage 12 (de l’eau et/ou un liquide recyclé, comme vu plus loin), qui est ensuite évacué par la sortie par laquelle est aussi évacué le pressât 13.
Le réacteur 14 est également alimenté en vapeur 15. En sortie de réacteur 14, le mélange biomasse-vapeur passe dans un outil 17 de séparation de la biomasse 19 et de la vapeur 18. La biomasse 19 est ensuite traitée dans un réacteur d’hydrolyse enzymatique 20, puis une fois hydrolysée en sucres, la biomasse hydrolysée 21 (appelée également moût d’hydrolyse) passe dans un réacteur de fermentation alcoolique 22. La biomasse fermentée en alcool 23, appelée aussi moût de fermentation) est ensuite amenée dans une ou plusieurs colonnes de distillation pour obtenir de l’alcool concentré 25 et des vinasses brutes 26.
Ce n’est qu’un exemple d’installation, qui peut aussi présenter de nombreuses variantes. Ainsi, on peut opérer conjointement l’hydrolyse enzymatique et la fermentation dans un même réacteur, on parle alors de SSCF pour « Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation » en anglais.
1 : Entrée d’eau dans la cuve de préparation de la liqueur
2 : Entrée d’acide dans la cuve de préparation de la liqueur
3 : Outil (cuve) de préparation de la liqueur
4 : Liqueur acide vers outil (réacteur) d’imprégnation
5 : Biomasse broyée
6 : Vis ( « plug-screw feeder ») de l’outil d’imprégnation
7 : Eau de lavage de la plug-screw feeder de l’outil d’imprégnation
8 : Sortie liquide de lavage de la » plug screw feeder » 6 de l’outil d’imprégnation
9 : Outil (réacteur) d’imprégnation
9a : Zone d’imprégnation de la cuve d’imprégnation 9
9b : Zone d’égouttage de la cuve d’imprégnation 9
10 : Biomasse imprégnée et égouttée
11 : Vis (« plug-screw feeder ») de l’outil de prétraitement
12 : Eau de lavage de la « plug screw feeder » de l’outil de prétraitement
13 : Pressât de la « plug screw feeder » de l’outil de prétraitement
14 : Outil de cuisson (réacteur d’explosion) de prétraitement
15 : Injection de vapeur pour le prétraitement
16 : Biomasse prétraitée et vapeur
17 : Outil (cyclone) de séparation vapeur et biomasse prétraitée
18 : Vapeur vers condensation
19 : Biomasse prétraitée
20 : Réacteur d’hydrolyse enzymatique
21 : Hydrolysat contenant des sucres
22 : Réacteur Fermentation alcoolique (éthanolique)
23 : Vin de fermentation contenant de l’éthanol (alcool)
24 : Dispositif de récupération de l’éthanol, par exemple une colonne(s) de distillation
25 : Alcool concentré
26 : Résidus (solides et liquides, en mélanges ou séparés selon l’agencement de 24)
2 : Entrée d’acide dans la cuve de préparation de la liqueur
3 : Outil (cuve) de préparation de la liqueur
4 : Liqueur acide vers outil (réacteur) d’imprégnation
5 : Biomasse broyée
6 : Vis ( « plug-screw feeder ») de l’outil d’imprégnation
7 : Eau de lavage de la plug-screw feeder de l’outil d’imprégnation
8 : Sortie liquide de lavage de la » plug screw feeder » 6 de l’outil d’imprégnation
9 : Outil (réacteur) d’imprégnation
9a : Zone d’imprégnation de la cuve d’imprégnation 9
9b : Zone d’égouttage de la cuve d’imprégnation 9
10 : Biomasse imprégnée et égouttée
11 : Vis (« plug-screw feeder ») de l’outil de prétraitement
12 : Eau de lavage de la « plug screw feeder » de l’outil de prétraitement
13 : Pressât de la « plug screw feeder » de l’outil de prétraitement
14 : Outil de cuisson (réacteur d’explosion) de prétraitement
15 : Injection de vapeur pour le prétraitement
16 : Biomasse prétraitée et vapeur
17 : Outil (cyclone) de séparation vapeur et biomasse prétraitée
18 : Vapeur vers condensation
19 : Biomasse prétraitée
20 : Réacteur d’hydrolyse enzymatique
21 : Hydrolysat contenant des sucres
22 : Réacteur Fermentation alcoolique (éthanolique)
23 : Vin de fermentation contenant de l’éthanol (alcool)
24 : Dispositif de récupération de l’éthanol, par exemple une colonne(s) de distillation
25 : Alcool concentré
26 : Résidus (solides et liquides, en mélanges ou séparés selon l’agencement de 24)
Le procédé
Ci-dessous un descriptif plus détaillé des différentes étapes d’un procédé de conversion de biomasse utilisant une telle installation et auquel peut avantageusement s’appliquer l’invention : (c’est un exemple auquel ne se limite pas l’invention).
Ci-dessous un descriptif plus détaillé des différentes étapes d’un procédé de conversion de biomasse utilisant une telle installation et auquel peut avantageusement s’appliquer l’invention : (c’est un exemple auquel ne se limite pas l’invention).
Etape a) de conditionnement de la biomasse lignocellulosique
Le procédé de traitement comporte dans sa première étape, une étape de conditionnement de la biomasse lignocellulosique avec au moins un broyage de façon à obtenir des particules de biomasse ayant une taille d’au plus 300mm. Il est bien entendu possible de procéder à plusieurs étapes de broyage successives afin d'atteindre la taille de particule visée. De façon générale, la biomasse broyée présente une taille de particule (la plus grande taille) d’au plus 300 mm, le plus souvent d’au moins 1 mm, et souvent comprise entre 2 et 200 mm. Toute méthode connue de l'homme du métier peut être mise en œuvre pour réaliser cette étape. Le plus souvent, le broyage des pailles se fait avec des grilles de 5 à 100 mm. Quant au bois, il est généralement déchiqueté en plaquettes parallélépipédiques avec une longueur comprise entre 20 et 160 mm, une largeur comprise entre 10 et 100 mm et une épaisseur comprise entre 2 et 20 mm. La biomasse lignocellulosique broyée est amenée à l’étape suivante par tout moyen connu de l’homme du métier, en particulier une vis de transfert.
Le procédé de traitement comporte dans sa première étape, une étape de conditionnement de la biomasse lignocellulosique avec au moins un broyage de façon à obtenir des particules de biomasse ayant une taille d’au plus 300mm. Il est bien entendu possible de procéder à plusieurs étapes de broyage successives afin d'atteindre la taille de particule visée. De façon générale, la biomasse broyée présente une taille de particule (la plus grande taille) d’au plus 300 mm, le plus souvent d’au moins 1 mm, et souvent comprise entre 2 et 200 mm. Toute méthode connue de l'homme du métier peut être mise en œuvre pour réaliser cette étape. Le plus souvent, le broyage des pailles se fait avec des grilles de 5 à 100 mm. Quant au bois, il est généralement déchiqueté en plaquettes parallélépipédiques avec une longueur comprise entre 20 et 160 mm, une largeur comprise entre 10 et 100 mm et une épaisseur comprise entre 2 et 20 mm. La biomasse lignocellulosique broyée est amenée à l’étape suivante par tout moyen connu de l’homme du métier, en particulier une vis de transfert.
Etape b) d'imprégnation par une liqueur acide
Le procédé de traitement selon l'invention comporte une étape b) d’imprégnation du substrat lignocellulosique avec une liqueur acide de façon à obtenir un substrat lignocellulosique imprégné dont le pH est compris entre 0,1 à 3. Cette étape vise à préparer le substrat lignocellulosique pour l'étape de prétraitement.
L’imprégnation est réalisée dans un réacteur d'imprégnation à une température comprise entre 10 et 90°C et de préférence à pression atmosphérique. Le temps de séjour du substrat lignocellulosique dans le réacteur d’imprégnation est habituellement de 10 secondes à 180 minutes, de préférence entre 30 secondes et 60 minutes et encore plus préférentiellement entre 30 secondes et 15 minutes. De préférence, l'étape d'imprégnation est effectuée en une seule étape.
Le réacteur d'imprégnation ou imprégnateur est muni d’une ou plusieurs vis qui transfère(nt) le substrat lignocellulosique depuis son entrée vers l’ouverture de sortie. L’imprégnateur est par ailleurs équipé d’une ou plusieurs conduites pour amener la liqueur acide ainsi que, si besoin, d’une ou plusieurs conduites pour soutirer de la liqueur acide. Lesdites conduites d’entrée et de sortie de la liqueur acide sont généralement installées de façon à fonctionner en recyclage co-courant ou contre-courant.
La liqueur acide est une solution aqueuse d'un acide fort qui est par exemple choisi parmi l’acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, par exemple à une teneur en acide comprise entre 0,5 et 4% poids.
Etape c) de séparation solide/liquide sur le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide
Conformément à l'étape c) du procédé de traitement selon l'invention, le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide est soumis à une étape de séparation solide/liquide en vue d'obtenir un substrat lignocellulosique ayant un taux de matière sèche compris entre 15% et 70% poids et une liqueur acide usée. De préférence, le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide est d'abord égoutté afin d'extraire au moins une partie de la liqueur acide libre avant d'être traité par séparation solide/liquide.
L'étape de séparation solide/liquide peut être en œuvre toute technique connue de l'homme du métier, qui peut être par exemple la décantation, la centrifugation ou le pressage.
De préférence on réalise un pressage du substrat lignocellulosique concomitant à son transfert à l'étape d) de prétraitement lorsque cette dernière met en œuvre le procédé d'explosion à la vapeur qui est décrite ci-dessous. Ce mode de conduite de l'étape c) est par exemple assuré par une vis appelée « plug screw feeder » dont le fonctionnement a été déjà décrit plus haut. La formation d’un bouchon de substrat lignocellulosique pressé assure l’étanchéité à la pression du réacteur d’explosion à la vapeur, empêchant ainsi les fuites de vapeur dangereuses. La vis de transfert est également munie d’une ou plusieurs conduites de soutirage de la liqueur usée (dite pressât) séparée lors du pressage. Le pressât peut être recyclé à l’étape b) d’imprégnation et/ou à l’étape de lavage par le liquide de lavage 12 traversant la vis d’alimentation 11.
La biomasse humide obtenue à l’issue de l'étape c) de séparation solide/liquide, qui peut être désigné par le vocable "substrat lignocellulosique lavé et acidifié" présente un taux de matière sèche de préférence compris entre 15% et 70% poids, et plus préférentiellement compris entre 40 et 65% poids.
Etape d) de prétraitement du substrat lignocellulosique lavé et acidifié
Le substrat lignocellulosique lavé et acidifié, conformément à l'étape c) du procédé subit une étape de prétraitement d).
La cellulose (et éventuellement les hémicelluloses) qui sont les cibles de l'hydrolyse enzymatique ne sont pas directement accessibles aux enzymes. C'est la raison pour laquelle un prétraitement de la biomasse est mise en œuvre avant l'étape d'hydrolyse enzymatique. Le prétraitement vise notamment à modifier les propriétés physiques et physicochimiques de la fraction cellulosique, telles que son degré de polymérisation et son état de cristallinité.
Divers types de prétraitement sont connus de l’homme du métier, ils associent un traitement chimique et un traitement thermique. On peut notamment citer la cuisson acide ou basique, le procédé Organosolv, les traitements aux liquides ioniques et le procédé par explosion à la vapeur.
Le procédé de prétraitement préféré est l’explosion à la vapeur ("SteamEx" ou "Steam Explosion" selon la terminologie anglo-saxonne) réalisé en milieu acide. C'est un procédé dans lequel le substrat lignocellulosique est porté rapidement à haute température par injection de vapeur sous pression. L'arrêt du traitement s'effectue par décompression brutale.
Les conditions opératoires du procédé d’explosion à la vapeur sont les suivantes :
- la vapeur est injectée directement dans le réacteur ;
- la température du réacteur est généralement comprise entre 150 et 220°C, de préférence comprise entre 170°C et 210°C,
- la pression est comprise entre 5 et 25 bars absolu (0,5 et 2,5 MPa), plus préférentiellement comprise entre 8 et 19 bars absolu (0,8 à 1,9 MPa),
- le temps de séjour avant la phase de détente varie de 10 secondes à 50 minutes, et de préférence entre 3 minutes et 30 ou 40 minutes
- la vapeur est injectée directement dans le réacteur ;
- la température du réacteur est généralement comprise entre 150 et 220°C, de préférence comprise entre 170°C et 210°C,
- la pression est comprise entre 5 et 25 bars absolu (0,5 et 2,5 MPa), plus préférentiellement comprise entre 8 et 19 bars absolu (0,8 à 1,9 MPa),
- le temps de séjour avant la phase de détente varie de 10 secondes à 50 minutes, et de préférence entre 3 minutes et 30 ou 40 minutes
L’explosion à la vapeur peut être réalisée en batch ou en continu et l’étape de dépressurisation qui permet de déstructurer la biomasse peut se dérouler en une ou plusieurs étapes.
A l'issue de l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur, on obtient un substrat lignocellulosique prétraité à haut taux de matière sèche, généralement compris entre 20 et 70% poids et une phase vapeur qui est ensuite condensée.
Dans le cadre de l'invention, le substrat lignocellulosique prétraité obtenu à l'issue de l'étape d) du procédé de traitement selon l'invention est avantageusement utilisé comme charge dans un procédé dit de seconde génération de production de solvants et/ou d'alcools à partir de biomasse lignocellulosique.
L'invention se rapporte également à un procédé de production de solvants et/ou d'alcools à partir de biomasse lignocellulosique, comprenant au moins les étapes suivantes :
i) on traite ladite biomasse lignocellulosique par le procédé de traitement selon l'invention de manière à obtenir un substrat lignocellulosique traité;
ii) on effectue une hydrolyse enzymatique du substrat lignocellulosique traité de manière à obtenir un hydrolysat contenant des sucres fermentescibles;
iii) on effectue une fermentation de l'hydrolysat issu de l'étape ii) pour obtenir un moût de fermentation contenant des solvants et/ou des alcools;
iv) on réalise une séparation des solvants et/ou des alcools du moût de fermentation.
i) on traite ladite biomasse lignocellulosique par le procédé de traitement selon l'invention de manière à obtenir un substrat lignocellulosique traité;
ii) on effectue une hydrolyse enzymatique du substrat lignocellulosique traité de manière à obtenir un hydrolysat contenant des sucres fermentescibles;
iii) on effectue une fermentation de l'hydrolysat issu de l'étape ii) pour obtenir un moût de fermentation contenant des solvants et/ou des alcools;
iv) on réalise une séparation des solvants et/ou des alcools du moût de fermentation.
A la suite de l’explosion à la vapeur en conditions acides, le substrat lignocellulosique prétraité a généralement un pH inférieur à celui qui est compatible avec le milieu pour l'hydrolyse enzymatique. Ainsi le substrat lignocellulosique traité selon l'étape i) du procédé de production de solvants et/ou d'alcools est soumis à une étape de neutralisation pour amener son pH à une valeur comprise entre 4 et 6.
Pour l'étape de neutralisation, on emploie une solution aqueuse contenant un agent de neutralisation peut être choisi parmi toutes les bases faibles ou fortes connues de l’homme de l’art. Par le terme base, nous désignons toute espèce chimique qui, lorsqu'elle est ajoutée à de l'eau, donne une solution aqueuse de pH supérieur à 7. De manière préférée, l’agent de neutralisation est choisi parmi hydroxyde de potassium, hydroxyde de sodium, ammoniaque, chaux. De manière encore plus préférée, l’agent de neutralisation est choisi parmi hydroxyde de potassium et ammoniaque, seuls ou en combinaison entre eux. De manière préférée, l’agent de neutralisation est utilisé en solution aqueuse, avec une concentration massique comprise entre 2% et 75%, et de manière encore plus préférée entre 20% et 70%.
La neutralisation s’effectue à une température comprise entre 15°C et 95°C, et de préférence entre 20°C et 70°C. En général, la température de l’étape de neutralisation n’est pas précisément contrôlée et est simplement régie par la chaleur dégagée par la réaction acido-basique de neutralisation.
L’étape de neutralisation peut être réalisée en continu, discontinu ou en discontinu alimenté (« fed-batch » en anglais).
Il est à noter qu'une étape éventuelle de lavage peut être pratiquée avant ou après l’étape de neutralisation, sur tout ou partie du substrat lignocellulosique prétraité.
Si un lavage est appliqué, un flux liquide est mis en contact avec le substrat lignocellulosique prétraité, puis le liquide est séparé du solide. L'étape de lavage peut être réalisée par percolation, par opérations de mélange et séparation liquide/solide successives, par lavage sur filtre à bande ou par toute autre technique connue de l'homme de l'art. Le liquide de lavage utilisé peut être de l’eau ou un flux du procédé. Le rapport massique entre le liquide de lavage ajouté et le liquide contenu dans le substrat à laver est généralement compris entre 0,5 et 4. L'étape de lavage génère un jus sucré de lavage contenant une partie des hémicelluloses solubilisées au cours du prétraitement. Ce jus de lavage peut par exemple être utilisé comme source de carbone pour la production des biocatalyseurs (enzymes et/ou microorganismes). L'étape de lavage s’effectue généralement à une température comprise entre 10°C et 95°C.
Etape ii) d'hydrolyse enzymatique
Le substrat lignocellulosique prétraité, éventuellement neutralisé et lavé, est envoyé à l’étape d’hydrolyse enzymatique ii) du procédé.
Le substrat lignocellulosique prétraité qui est envoyé à l'étape d'hydrolyse enzymatique présente un taux de matière sèche généralement compris entre 15% et 70% poids.
L'objectif de l'hydrolyse enzymatique est d'hydrolyser (dépolymériser), au moyen de biocatalyseurs, les hémicelluloses et la cellulose en sucres fermentescibles, de préférence il s'agira du glucose.
L'étape d'hydrolyse enzymatique s'effectue dans des conditions douces, à une température de l'ordre de 40°C et 55°C, de préférence entre 45°C et 50°C et à pH de 4,0 à 5,5, et encore plus préférentiellement entre 4,8 et 5,2. Le taux de matière sèche du milieu d'hydrolyse enzymatique est compris entre 5 et 45% poids, de préférence compris entre 10 et 30% poids Elle est réalisée au moyen d'enzymes produites par un microorganisme. Des microorganismes naturels ou génétiquement modifiés, comme les champignons appartenant aux genresTrichoderma,Aspergillus,PenicilliumouSchizophyllum, ou les bactéries anaérobies appartenant par exemple au genreClostridium, produisent un cocktail d'enzymes contenant notamment des cellulases et des hémicellulases, adaptées à une hydrolyse poussée de la cellulose et des hémicelluloses.
L’hydrolyse enzymatique peut être réalisée en mode continu ou discontinu, ou en continu alimenté, dans un ou plusieurs réacteurs. Le temps de séjour est compris entre 12 heures et 200 heures et de préférence entre 24 heures et 120 heures et encore plus préférentiellement entre 48 heures et 120 heures.
A l'issue de l'étape ii) on récupère du bioréacteur un hydrolysat contenant des sucres fermentescibles qui est ensuite traité à l'étape iii) de fermentation.
Il est à noter que l'hydrolysat obtenu peut éventuellement subir une ou plusieurs étapes de traitement avant l'étape de fermentation. Par exemple il peut s'agir d'une remise au pH, d'une purification partielle en vue de limiter la teneur en composé inhibiteur pour le microorganisme fermentaire, d'une séparation au moins partielle des résidus solides contenus dans l'hydrolysat.
Etape iii) de fermentation de l'hydrolysat
Selon l'étape iii) du procédé de production de solvants et/ou d'alcools, l'hydrolysat éventuellement traité est envoyé à l'étape de fermentation permettant la conversion au moyen d'un ou plusieurs microorganismes de genres différents des sucres fermentescibles en solvant et/ou alcools d'intérêt. Les méthodes de fermentation sont connues de l'homme de l'art et sont notamment décrites dans le document US 8,456,633.
Par le terme "solvant", on entend désigner des composés organiques autres que les alcools, par exemple des composés organiques ayant une fonction cétone tel que l'acétone.
Le terme "alcool" désigne notamment l'éthanol, le propanol, l'isopropanol et le butanol.
Les microorganismes naturels ou génétiquement modifiés peuvent être choisis par exemple parmiSaccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe,Saccharomyces uvarum,Saccharomyces diastaticus,Kluyveromyces fragilis,Candida shehatae,Pichia stipitis,Pachysolen tannophilisou les bactériesZymomonas mobilis,Clostridium acetobutylicum, Escherichia coli.
Dans le cadre de l'invention, l'étape de fermentation permet par exemple de produire de l'éthanol seul ou en mélange avec du butanol, du propanol, de l'isopropanol et/ou de l'acétone. Par exemple le microorganisme fermentaire peut être capable de produire un mélange dit "ABE (acétone-butanol-éthanol)" ou bien dit "IBE (isopropanol-butanol-éthanol)".
De manière préférée, le microorganisme choisi est une levure naturelle ou génétiquement modifiée du genreSaccharomycescapable de produire de l'éthanol.
A l'issue de l'étape iii) on récupère un moût de fermentation dilué en produits d'intérêt.
Selon un mode de réalisation du procédé, les étapes ii) et iii) sont réalisées en même temps dans au moins un même bioréacteur de sorte que l'hydrolyse enzymatique et la fermentation sont menées simultanément selon un procédé désigné par le terme "Saccharification et Fermentation Simultanées (SFS)" ou "Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF)" selon la terminologie anglo-saxonne. Lorsque l’étape d’hydrolyse est confondue avec l’étape de fermentation, les conditions opératoires, notamment de température, peuvent être adaptées pour s’adapter aux tolérances du microorganisme de fermentation. Par exemple, la température peut être abaissée entre 28°C et 45°C, et préférentiellement entre 30°C et 35°C lorsque la fermentation est conduite avec une levure du genreSaccharomyces. Le pH est ajusté de préférence entre 5 et 5,5 afin de favoriser la performance des levures.
L'unité de production mettant en œuvre le procédé selon l'invention peut comprendre outre les installations déjà décrites, des unités de production in situ d'enzymes et/ou de levures.
Etape iv) de séparation des solvants et/ou des alcools du moût de fermentation.
Le procédé selon l'invention comprend enfin une étape de séparation du ou des produits d'intérêt du moût de fermentation éventuellement précédée d'une étape de séparation solide/liquide afin d'éliminer au moins une fraction de la matière solide contenu dans le moût de fermentation.
De préférence l'étape de séparation du ou des produits d'intérêt, par exemple l'éthanol, met en œuvre une ou plusieurs distillations qui est une technologie bien connue de l'homme du métier.
La charge : la biomasse lignocellulosique
Conformément à l’invention, la charge du procédé peut être une biomasse seule ou en mélange. La quantité d’eau contenue dans la charge brute est généralement d’au moins 10%, notamment comprise entre 10 et 70 % massique.
Conformément à l’invention, la charge du procédé peut être une biomasse seule ou en mélange. La quantité d’eau contenue dans la charge brute est généralement d’au moins 10%, notamment comprise entre 10 et 70 % massique.
La biomasse brute est choisie parmi tout type de biomasse, de préférence de la biomasse de type solide, et en particulier de la biomasse de type lignocellulosique. Des exemples non limitatifs de types de biomasse concernent par exemple les résidus d’exploitation agricole (notamment paille, rafles de maïs), les résidus d’exploitation forestière, les produits de l’exploitation forestière, les résidus de scieries, les cultures dédiées par exemple taillis à courte rotation.
De préférence, la biomasse brute, dite aussi biomasse native, est de la biomasse lignocellulosique. Elle comprend essentiellement trois constituants naturels présents en quantités variables selon son origine : la cellulose, l'hémicellulose et la lignine.
La charge biomasse lignocellulosique est de préférence utilisée sous sa forme brute, c'est-à-dire dans l’intégralité de ces trois constituants cellulose, hémicellulose et lignine.
La charge biomasse lignocellulosique est de préférence utilisée sous sa forme brute, c'est-à-dire dans l’intégralité de ces trois constituants cellulose, hémicellulose et lignine.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la biomasse lignocellulosique est choisie parmi la biomasse herbeuse, les résidus d’exploitation agricole tel que les déchets de paille, rafles de maïs, la bagasse de canne à sucre, les résidus d’exploitation forestière ou de scieries tels que les copeaux de bois ou tout autre type de résidus ligneux.
Le fluide d’imprégnation :
Le fluide optionnel, injecté pour l’imprégnation est une solution liquide aqueuse contenant ou non de l’acide, à une température comprise entre 10 et 95°C et à pression atmosphérique. Le pH de cette solution chimique est compris entre 0,1 et 12,0, de préférence entre 0,1 et 7, de préférence entre 0,3 et 2. Selon un mode de réalisation préféré, la liqueur utilisée est une liqueur à catalyse acide, et on règle le pH de la liqueur entre 0,1 et 4, notamment entre 0,3 et 2. Comme acide, on peut par exemple utiliser au moins un acide choisi parmi l’acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l’acide oxalique. Leur teneur, en phase aqueuse, est de préférence comprise entre 0,2 et 8% poids.
Le fluide optionnel, injecté pour l’imprégnation est une solution liquide aqueuse contenant ou non de l’acide, à une température comprise entre 10 et 95°C et à pression atmosphérique. Le pH de cette solution chimique est compris entre 0,1 et 12,0, de préférence entre 0,1 et 7, de préférence entre 0,3 et 2. Selon un mode de réalisation préféré, la liqueur utilisée est une liqueur à catalyse acide, et on règle le pH de la liqueur entre 0,1 et 4, notamment entre 0,3 et 2. Comme acide, on peut par exemple utiliser au moins un acide choisi parmi l’acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l’acide oxalique. Leur teneur, en phase aqueuse, est de préférence comprise entre 0,2 et 8% poids.
Reprenons une à une les différentes figures 2 à 8 : Toutes ces figures sont des déclinaisons d’un prétraitement de biomasse. A noter qu’elles sont décrites en proposant une imprégnation par un fluide acide puis une cuisson de type explosion à la vapeur, pour illustrer simplement l’invention, mais que l’invention s’applique tout aussi bien à un prétraitement sans imprégnation, ou avec imprégnation non acide, ou encore à une cuisson sans explosion à la vapeur.
La représente le schéma de la partie prétraitement du procédé de conversion de biomasse pouvant par exemple s’appliquer à l’installation de la , avec un enchaînement connu d’une imprégnation (optionnelle) par un fluide d’imprégnation suivie d’une cuisson/explosion à la vapeur de la biomasse, que l’invention va modifier : La biomasse (broyée) 5 entre dans une zone de transfert comprenant un dispositif d’alimentation type vis de compression 6, qui peut optionnellement être lavé par circulation d’un fluide de lavage 7 type eau (évacuée sous forme d’un liquide de lavage usé 8), et qui amène la biomasse dans le réacteur d’imprégnation 9, également alimenté en fluide d’imprégnation 4 par une cuve de préparation 3 alimentée en eau 1 et en composé d’imprégnation 2 (type acide, base). Comme indiqué plus haut, il peut ne pas y avoir d’imprégnation. L’imprégnation peut aussi être opérée différemment, en batch (trempage de la biomasse dans une cuve contenant le fluide d’imprégnation), ou en continu, par aspersion par exemple, ou par passage de la biomasse dans un réacteur agité.
On peut ainsi un mode d’alimentation et un mode d’imprégnation différents, comme un tapis convoyeur amenant la biomasse sous un dispositif de pulvérisation de fluide d’imprégnation.
La biomasse imprégnée 10 passe ensuite dans une zone de transfert comprenant une vis de compression d’alimentation 11, lavée par un fluide de lavage 12 (eau de lavage) , l’eau de lavage usée 13 étant évacuée. La biomasse vient ensuite alimenter un réacteur de cuisson 14 en présence de vapeur d’eau 15, puis est extraite du réacteur sous forme de biomasse prétraitée 16, pour poursuivre son procédé de conversion en sucres ou en alcool.
La met en avant la première étape de modification par l’invention du procédé selon la : Le fluide 8 extrait du dispositif d’alimentation 6 du réacteur d’imprégnation 9, qui peut être de l’eau provenant de la biomasse native (ou de l’eau ajoutée à la biomasse avant d’entrer dans le dispositif d’alimentation) et/ou de l’eau de lavage usée issue de l’eau de lavage 7. Ce fluide 8 est en fait constitué d’une phase liquide (l’eau) et de particules solides (de biomasse) en suspension. Selon l’invention, il est conduit dans un dispositif de séparation solide/liquide 30, en sortie duquel on récupère une phase/un résidu liquide 31 et un résidu solide 32. Il peut s’agir, par exemple, d’un dégrilleur. Ces deux résidus vont ainsi pouvoir être valorisés/réutilisés séparément de façon très avantageuse, comme décrit plus loin.
De manière analogue, le fluide 13 extrait du dispositif d’alimentation 11 du réacteur de cuisson 14 est aussi constitué d’une phase liquide (l’eau) et de particules solides (de biomasse) en suspension. Selon l’invention, il est conduit dans un dispositif de séparation solide/liquide 40, en sortie duquel on récupère une phase/un résidu liquide 41 et un résidu solide 42. Il peut s’agir, par exemple, également d’un dégrilleur. Ces deux résidus vont ainsi pouvoir être valorisés/réutilisés séparément de façon très avantageuse, comme décrit plus loin.
Cette séparation et ces valorisations/réutilisations des résidus solides et liquides peuvent n'être réalisées que sur le dispositif d’alimentation du dispositif /réacteur d’imprégnation 9 ou que sur celui du dispositif /réacteur de cuisson 14, ou sur les deux dispositifs, naturellement.
La illustre une valorisation du résidu solide 32 (étape d’imprégnation), par réinjection du résidu 32 avec la charge de biomasse 5 en entrée du dispositif d’alimentation 6. Dans ce cas de figure, le résidu solide 32 a une composition proche/très proche de, voire identique à celle que la biomasse 5, mais il peut se trouver sous forme de particules de plus petite taille (quand le dispositif d’alimentation est de type vis de compression, qui a une action mécanique sur la biomasse.
Le recyclage du résidu solide 32 en entrée du réacteur imprégnation 9 avec la biomasse broyée 5 permet de ne pas perdre ce flux solide, et d’obtenir un résidu liquide 31 « clair » (dépourvu de particules visibles en suspension), qui est réutilisable également. Ce recyclage solide permet d’augmenter le rendement du procédé, puisque le résidu 32 contient des polymères de sucres, d’augmenter le rendement en lignine, car le résidu 32 contient de la lignine, et de diminuer la consommation d’eau du procédé, puisque le résidu contient aussi de l’eau. La séparation solide/liquide peut se faire sur tout ou une partie du flux 8 sortant du dispositif d’alimentation 6, et ce recyclage du résidu solide 32 peut se faire sur tout ou une partie dudit résidu solide.
La illustre une valorisation du résidu solide 42 (étape de cuisson), par réinjection du résidu 42 en entrée du dispositif 12 d’alimentation du dispositif/réacteur de cuisson 14. Dans ce cas de figure, le résidu solide 42 est de composition différente du résidu 32, dans la mesure où il a été obtenu à partir de biomasse imprégnée par un liquide d’imprégnation, notamment fortement acide, et/ou à partir d’eaux de lavage du dispositif d’alimentation qui peuvent aussi contenir une certaine teneur de ce fluide/de cet acide.
Le recyclage du résidu solide 42 avec la biomasse imprégnée 10 permet de ne pas perdre ce flux solide, et d’obtenir un résidu liquide 41 (aussi appelé pressât) clair. Ce recyclage solide permet d’augmenter le rendement du procédé, puisque le flux 42 contient des polymères de sucres, d’augmenter le rendement en lignine, puisque le flux 42 contient de la lignine, et de diminuer la consommation du liquide d’imprégnation 2, puisque le résidu 42 contient du liquide d’imprégnation. La séparation solide/liquide peut se faire sur tout ou une partie du flux 13 sortant du dispositif d’alimentation 11, et ce recyclage du résidu solide 42 peut se faire sur tout ou une partie dudit résidu solide.
Le recyclage du résidu solide 42 avec la biomasse imprégnée 10 permet de ne pas perdre ce flux solide, et d’obtenir un résidu liquide 41 (aussi appelé pressât) clair. Ce recyclage solide permet d’augmenter le rendement du procédé, puisque le flux 42 contient des polymères de sucres, d’augmenter le rendement en lignine, puisque le flux 42 contient de la lignine, et de diminuer la consommation du liquide d’imprégnation 2, puisque le résidu 42 contient du liquide d’imprégnation. La séparation solide/liquide peut se faire sur tout ou une partie du flux 13 sortant du dispositif d’alimentation 11, et ce recyclage du résidu solide 42 peut se faire sur tout ou une partie dudit résidu solide.
On peut aussi recycler tout ou partie du résidu solide 42 avec la biomasse broyée 5 en entrée d’imprégnation, mais ce recyclage parait moins avantageux, car on réalise alors une seconde imprégnation de la biomasse, déjà acide, du résidu 42.
La représente à la fois la réinjection du résidu solide 32 selon la et celle du résidu solide 42 selon la , et illustre donc un mode de réalisation où l’invention est appliquée deux fois dans le procédé de conversion de biomasse, avec les mêmes avantages que ceux décrits au sujet des figures 4 et 5. Chacune des réutilisations des deux résidus solides peut être mise en œuvre sur l’ensemble de chacun des résidus ou sur une partie seulement de ceux-ci. On peut aussi envisager de regrouper tout ou partie des deux résidus solides pour les réutiliser conjointement dans le procédé.
La représente la réinjection des deux résidus solides 32 et 42 conformément à la , mais également la réutilisation des deux résidus liquides 31 et 41 correspondants :
- Le résidu liquide 31 est réinjecté dans l’entrée de lavage du dispositif d’alimentation 6 du dispositif d’imprégnation, il s’agit essentiellement d’eau.
- Le résidu liquide 41 est réinjecté dans la cuve de préparation de la liqueur d’imprégnation. En effet, ce résidu 41 contient une certaine teneur en acide (si on continue de prendre l’exemple d’une liqueur d’acide), et le réinjecter dans la cuve 3 apporte un appoint d’eau et d’acide intéressant.
- Le résidu liquide 31 est réinjecté dans l’entrée de lavage du dispositif d’alimentation 6 du dispositif d’imprégnation, il s’agit essentiellement d’eau.
- Le résidu liquide 41 est réinjecté dans la cuve de préparation de la liqueur d’imprégnation. En effet, ce résidu 41 contient une certaine teneur en acide (si on continue de prendre l’exemple d’une liqueur d’acide), et le réinjecter dans la cuve 3 apporte un appoint d’eau et d’acide intéressant.
Le recyclage des résidus liquides 31 et 41 permet une diminution de consommation en eau et en liquide d’imprégnation. Ce recyclage peut se faire sur tout ou une partie des résidus liquides. Comme pour les résidus solides, on peut aussi envisager de les regrouper, au moins en partie, pour les recycler conjointement dans le procédé.
La propose des variantes, par rapport à la , pour réutiliser les résidus liquides 31 et 41 : les flèches pointillées indiquent différentes possibilités, alternatives ou cumulatives pour les réinjecter en tout ou partie dans le procédé de prétraitement de la biomasse. Ainsi, le résidu liquide 31 (celui en amont du dispositif d’imprégnation) peut aussi être réinjecté, en tout ou partie, dans la cuve 3 de préparation de la liqueur d’imprégnation en tant qu’appoint d’eau. Il peut aussi, en tout ou partie, être réinjecté comme eau de lavage 12 pour le dispositif d’alimentation 11 du dispositif de cuisson 14, ou comme eau de lavage 7 pour le dispositif d’alimentation 6 du dispositif d’imprégnation 9, si un lavage est prévu pour ce dispositif également. Il peut aussi, en tout ou partie, être additionné au résidu liquide 41 et suivre son circuit de réinjection. Inversement, le résidu liquide 41 peut lui aussi, en tout ou partie, être additionné au résidu liquide 31, avant d’être conjointement réutilisés dans la cuve 3 de préparation de la liqueur 4 par exemple (ces deux variantes n’étant pas représentées aux figures).
A noter aussi que ces résidus liquides 31,41, et notamment au moins le résidu 41 qui contient de l’acide, peuvent aussi être réutilisés/réinjectés directement dans le dispositif d’imprégnation 9, si sa teneur en acide est, de préférence, contrôlée en amont.
A noter enfin qu’au moins un de ces résidus liquides 31,41 peut aussi être réutilisé dans le procédé de conversion de la biomasse en aval de son prétraitement, dans une étape ultérieure à sa cuisson qui a besoin d’un apport d’eau et/ou d’un apport d’eau présentant un pH acide.
A noter enfin qu’au moins un de ces résidus liquides 31,41 peut aussi être réutilisé dans le procédé de conversion de la biomasse en aval de son prétraitement, dans une étape ultérieure à sa cuisson qui a besoin d’un apport d’eau et/ou d’un apport d’eau présentant un pH acide.
La propose une modification selon l’invention de l’installation décrite à la : ici, les deux résidus solides issus des dispositifs d’alimentation du réacteur d’imprégnation 9 et du réacteur de cuisson 14, ou au moins l’un deux, est au moins en partie réintroduit en aval du prétraitement de la biomasse. Les lignes pointillées indiquent les différentes options, alternatives ou cumulatives, pour réintroduire ces résidus solides, en tout ou partie : on peut donc les réintroduire en entrée du réacteur d’hydrolyse 20 ou du réacteur de fermentation 22 ou même en entrée de l’équipement de séparation 24, notamment via leurs propres dispositifs d’alimentation, qui sont conventionnels (par exemple, une/des conduites ou système de vis sans fin débouchant dans une entrée ménagée dans le réacteur). Le résidu solide vient ainsi se mêler au flux de biomasse prétraitée 19, et/ou au flux d’hydrolysat 21 et/ou au mout de fermentation 23.
Une dernière option représentée à la consiste à introduire directement tout ou partie du résidu solide 32 et/ou 42 dans le résidu final 26 issu de la séparation du mout de fermentation, résidu qu’on peut valoriser en tant que combustible. Dans ce cas, on augmente directement la quantité de résidu final 26, donc la quantité de combustible réutilisable dans l’installation elle-même ou hors de l’installation. C’est un autre type de valorisation, qui cherche non pas à augmenter le rendement de conversion de la biomasse du procédé, mais à exploiter au mieux les résidus du procédé.
Ils concernent un procédé de prétraitement de biomasse lignocellulosique avec imprégnation à la liqueur acide puis explosion à la vapeur, comme décrit à la .
Le terme « sucre (xylose, glucose) potentiel » utilisé plus loin définit l’addition des différents sucres, peu importe leur forme : sucre monomère ou polymère. En effet, après prétraitement par cuisson, une partie des sucres reste sous forme de polymère de sucres (cellulose ou hémicellulose par exemple), et une partie des sucres est sous forme de monomère de sucres (glucose ou xylose par exemple). Cette mesure peut être réalisée en utilisant la norme ASTM E1758-01(2020) « Standard Test Method for Determination of Carbohydrates in Biomass by High Performance Liquid Chromatography ». Comme défini dans la norme, pour exprimer cette quantité de sucres sous forme de polymère (cellulose par exemple), il faut retrancher l’eau de l’hydrolyse cette quantité.
Le terme « sucre (xylose, glucose) potentiel » utilisé plus loin définit l’addition des différents sucres, peu importe leur forme : sucre monomère ou polymère. En effet, après prétraitement par cuisson, une partie des sucres reste sous forme de polymère de sucres (cellulose ou hémicellulose par exemple), et une partie des sucres est sous forme de monomère de sucres (glucose ou xylose par exemple). Cette mesure peut être réalisée en utilisant la norme ASTM E1758-01(2020) « Standard Test Method for Determination of Carbohydrates in Biomass by High Performance Liquid Chromatography ». Comme défini dans la norme, pour exprimer cette quantité de sucres sous forme de polymère (cellulose par exemple), il faut retrancher l’eau de l’hydrolyse cette quantité.
La biomasse 5 est une biomasse lignocellulosique de paille de blé. Sa composition est indiquée dans le tableau 1 ci-dessous :
Après hydrolyse, la cellulose est convertie en glucose ou en oligomères de glucose, et l’hémicellulose est convertie en xylose ou en oligomères de xylose.
642 kg/h de cette biomasse broyée 5 à 50 mm entre dans le procédé avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7. Un premier flux solide/liquide 8 de 203,8 kg /h sort du procédé, dans ce flux se trouve 1,3 kg/h de glucose potentiel, 1,1 kg/h de xylose potentiel. Dans l’étape d’imprégnation (réacteur 9), 1622,6 kg/h d’eau et 84,2 kg/h d’acide sulfurique sont ajoutés au réacteur à partir de la cuve de préparation 3 et constituent le liquide d’imprégnation 4.
En entrée du réacteur de cuisson 14, on alimente la zone de transfert 11 avec la biomasse imprégnée 10. La zone de transfert 11 (vis de compression) est lavée avec 4087,0 kg/h d’eau 12, un second flux solide/liquide 13 de 5099,9 kg/h sort de la zone 11. Dans ce flux 13, se trouvent 2,7 kg/h de glucose potentiel, 2,2 kg/h de xylose potentiel et 45,6 kg/h d’acide. Le réacteur de cuisson 14 est chauffé par un flux de vapeur 15 de 3471,1 kg/h. En sortie de ce réacteur 14, sort le flux de biomasse prétraitée 16 de 4803.8 kg/h, comprenant 237,8 kg/h de glucose potentiel et 155,2 kg/h de xylose.
Aux bornes du prétraitement, c’est-à-dire entre l’entrée de la biomasse 5 dans le dispositif d’alimentation 6 et sa sortie du réacteur de cuisson 14, ont donc été conservés 98,1% poids du glucose potentiel et 78,8% poids du xylose potentiel.
Il est réalisé conformément à la variante de l’invention représentée à la : on réalise le recyclage du résidu solide récupéré en entrée du réacteur d’imprégnation.
La charge biomasse est la même que dans l’exemple 1. Le débit est le même que pour l’exemple 1 : 642 kg/h de cette biomasse 5 broyée 50 mm entre dans le procédé avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7. Un premier flux 8 solide/liquide de 203,8 kg /h sort de la zone de transfert 6 vers l’imprégnateur 9. Ce flux est séparé dans un outil de séparation 30 en un flux/résidu liquide 31 de 192 kg/h et un flux/résidu solide 32 de 11,8 kg/h. L’outil de séparation 30 est un dégrilleur.
La charge biomasse est la même que dans l’exemple 1. Le débit est le même que pour l’exemple 1 : 642 kg/h de cette biomasse 5 broyée 50 mm entre dans le procédé avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7. Un premier flux 8 solide/liquide de 203,8 kg /h sort de la zone de transfert 6 vers l’imprégnateur 9. Ce flux est séparé dans un outil de séparation 30 en un flux/résidu liquide 31 de 192 kg/h et un flux/résidu solide 32 de 11,8 kg/h. L’outil de séparation 30 est un dégrilleur.
Ce résidu solide 32 résultant de la séparation solide/liquide est relativement humide (25% MS), et est composé de 1,3 kg/h de glucose potentiel, de 1,1 kg/h de xylose potentiel. Il est recyclé avec la biomasse broyée 5 en entrée du dispositif d’alimentation 6. De manière surprenante, le recyclage de ce résidu solide 32 en entrée d’imprégnation ne provoque pas d’accumulation dans le dispositif d’alimentation 6 malgré sa faible granulométrie et malgré le fait que le résidu solide soit dans un premier temps passé par les trous de la cage de la vis d’alimentation: il est entraîné par la biomasse broyée 5 dans le réacteur d’imprégnation 9 . Dans l’étape d’imprégnation , les mêmes quantités d’eau et d’acide sulfurique sont ajoutées dans la cuve de préparation 3 du liquide d’imprégnation 4 que pour l’exemple 1.
La suite du procédé est identique à l’exemple 1. En sortie de du réacteur de cuisson 14, sort le flux de biomasse prétraitée 16 de 4815,5 kg/h, comprenant 239,2 kg/h de glucose potentiel et 156,1 kg/h de xylose potentiel.
Aux bornes du prétraitement (même acception de ce terme que dans l’exemple 1), ont donc été conservés 98,6% poids du glucose potentiel et 79,2% poids du xylose potentiel, soit une hausse de rendement de 1,0 point. De plus, l’invention a permis de recycler un solide 32 qui n’avait jusque-là pas de finalité.
Il est réalisé conformément à la variante de l’invention représentée à la : on réalise ici le recyclage du résidu solide récupéré en entrée du réacteur de cuisson. On traite ici la même charge que dans les deux exemples précédents.
642 kg/h de cette biomasse 5 broyée à 50 mm entre dans le procédé avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7. Un premier flux solide/liquide 13 de 203,8 kg /h sort du procédé, par compression de la biomasse imprégnée dans la vis d’alimentation 11. Dans ce flux, se trouvent 1,3 kg/h de glucose potentiel et 1,1 kg/h de xylose potentiel. Dans l’étape d’imprégnation, 1622,6 kg/h d’eau et 84,2 kg/h d’acide sulfurique sont ajoutés à partir de la cuve de préparation 3 du liquide d’imprégnation 4.
Le débit est le même que pour les exemples 1 et 2 : 642 kg/h de cette biomasse broyée à 50 mm entre dans le procédé (elle entre dans le réacteur d’imprégnation 9) avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7 Un premier flux 8 solide/liquide 13 de 203,8 kg /h sort du procédé. Dans ce flux, se trouvent 1,3 kg/h de glucose potentiel et 1,1 kg/h de xylose potentiel. Dans l’étape d’imprégnation (réacteur 9), on utilise les mêmes quantités d’eau que dans les exemples 1 et 2, mais seulement 84 kg/h d’acide sulfurique (gain de 0,2%pds par rapport aux exemples précédents, sont ajoutés dans la cuve 3 de préparation du liquide d’imprégnation 4.
En entrée du réacteur de cuisson 14, on alimente la zone de transfert 11 avec la biomasse imprégnée 10. La zone de transfert 11 est lavée avec 4087 kg/h d’eau 12, un second flux 13 solide/liquide de 5097,9 kg/h sort de la zone de transfert 11 vers le réacteur de cuisson 14. Ce flux 13 est séparé dans un outil de séparation 40, ici un dégrilleur, en un flux-résidu liquide 41 de 5074,1 kg/h, et un flux-résidu solide 42 de 23,8 kg/h. Ce flux solide 42 résultant de la séparation solide/liquide est relativement humide (26,1%MS) et il est composé de 2,7 kg/h de glucose potentiel, de 2,2 kg/h de xylose potentiel et de 0,2 kg/h d’acide sulfurique. Il est recyclé avec la biomasse imprégnée 10. De manière surprenante, le recyclage de ce résidu 42 entrée cuisson ne provoque pas d’accumulation dans le circuit dans le dispositif d’alimentation 11 de type vis de compression, malgré sa faible granulométrie et malgré le fait que le résidu solide soit dans un premier temps passé par les trous de la cage de la vis d’alimentation. Il est entraîné par la biomasse 10 dans le réacteur de cuisson 14.
Le réacteur de cuisson 14 est chauffé par un flux de vapeur 15 de 3471,1 kg/h. En sortie de ce réacteur, sort le flux de biomasse prétraitée 16 de 4829,6 kg/h, comprenant 240,5 kg/h de glucose potentiel et 157,4 kg/h de xylose.
Aux bornes du prétraitement (depuis l’entrée dans le dispositif d’alimentation 6 jusqu’à la sortie du réacteur 14) , sont donc conservés 99,2%poids du glucose potentiel et 79,9%poids du xylose potentiel, soit une hausse de rendement de 2,2 points. De plus, le solide 42 a été recyclé, alors qu’il n’avait jusque-là pas de finalité, et on a diminué la consommation d’acide de 0,2%poids.
Le tableau 2 ci-dessous indique les compositions de la biomasse 5 broyée et du résidu solide 32 récupéré du dispositif d’alimentation du réacteur d’imprégnation 9.
On voit que le résidu 32 a une composition très analogue à celle de la biomasse de départ, avec une teneur en eau nettement plus élevée.
Le tableau 3 ci-dessous indique à nouveau la composition de la biomasse 5 broyée, et celle du résidu solide 42 récupéré du dispositif d’alimentation du réacteur de cuisson 14 :
On voit que le résidu 42 a une composition analogue à celle de la biomasse de départ, avec une teneur en eau nettement plus élevée, et une teneur en acide sulfurique en plus, ce qui justifie l’intérêt de le recycler.
Il est réalisé conformément à la variante de l’invention représentée à la : on réalise ici à la fois le recyclage du résidu solide 32 récupéré en entrée du réacteur d’imprégnation 9 et celui du résidu solide 42 récupéré en du réacteur de cuisson 14. On traite ici la même charge que dans les exemples précédents.
Les débits résultats des recyclages décrits dans l’exemple 2 et 3 s’appliquent à l’exemple 4 : on augmente le rendement aux bornes du prétraitement en recyclant ces deux résidus solides, et on diminue la consommation d’acide.
Aux bornes du prétraitement, ont été conservé 99,7%poids du glucose potentiel et 80,3%poids du xylose potentiel, soit une hausse de rendement de 3,2 points. De plus, deux solides 32,42 ont été recyclés, qui n’avaient pas de finalité jusque-là. Le débit brut cumulé de ces deux résidus n’est pas négligeable, puisqu’il représente 6% du débit brut de biomasse lignocellulosique. Enfin, la consommation d’acide a été diminuée de 0,2%poids.
Claims (15)
- Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique comprenant un taux de matière sèche d’au plus 90% en poids, ledit procédé comprenant la mise en œuvre d’au moins un réacteur (9 ;14) de traitement de ladite biomasse, ledit réacteur (9 ;14) étant équipé d’un dispositif d’alimentation (6 ;11) en biomasse qui est muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur, caractérisé
- en ce qu’on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation (6 ;11) vers le réacteur (9 ;14), un résidu (8 ;13) par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- en ce qu’on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41),
- et en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32 ;42) dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs. - Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on réalise un lavage du ou d’au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;11) par circulation d’un fluide de lavage (7 ;12) entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation, la sortie de lavage étant de préférence également la sortie d’extraction du résidu solide-liquide.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu liquide (31 ;41) dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce le ou au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;11) crée une augmentation de pression entre l’entrée de biomasse et la sortie de biomasse dudit dispositif, cette augmentation de pression générant une compression de la biomasse conduisant à l’extraction du résidu solide-liquide (8 ;13).
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;11) est une vis d’alimentation, notamment au moins en partie conique, comprenant un carénage muni d’une cage munie d’ouvertures qui permettent l’extraction du résidu solide-liquide (8 ;13) de la biomasse et éventuellement la circulation d’un fluide de lavage (7 ;12).
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on sépare ledit résidu solide-liquide (8 ;13) en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41) par au moins un dispositif de séparation (30 ;40) choisi parmi un dispositif de centrifugation, un dispositif d’égouttage ou de pressage, un dégrilleur.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’imprégnation de la biomasse par une liqueur d’imprégnation (4) contenant un catalyseur chimique, ladite étape étant mise en œuvre par introduction de la biomasse dans le ou un des réacteurs d’imprégnation (9) par son/leur dispositif d’alimentation (6).
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de traitement de la biomasse par cuisson ou explosion à la vapeur, ladite étape étant mise en œuvre par introduction de la biomasse dans le ou un des réacteurs de cuisson (14) par son/leur dispositif d’alimentation (11).
- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de traitement de la biomasse par hydrolyse enzymatique, ladite étape étant postérieure à sa cuisson ou explosion à la vapeur, dans un réacteur d’hydrolyse enzymatique (20) muni de son dispositif d’alimentation.
- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de traitement de la biomasse par fermentation, ladite étape étant postérieure ou concomitante à l’étape d’hydrolyse enzymatique, dans un réacteur de fermentation (22) muni de son dispositif d’alimentation.
- Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de traitement de la biomasse visant à séparer les solvants ou alcools, ladite étape étant postérieure à l’étape de fermentation et étant réalisée dans un réacteur de séparation (22) muni de son dispositif d’alimentation.
- Procédé selon l’une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu’on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation (6 ;11) vers le réacteur d’imprégnation (9) et/ou vers le réacteur de cuisson (14), un résidu (8 ;13) par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- en ce qu’on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41),
- et en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32 ;42) dans le même dispositif d’alimentation (6 ;11) ou dans au moins un des dispositifs d’alimentation du réacteur d’hydrolyse enzymatique (20) et/ou du réacteur de fermentation (22) et/ ou du réacteur de séparation (24). - Procédé selon l’une des revendications précédentes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes
- a) Préparation d’une liqueur d’imprégnation (4) contenant un catalyseur chimique (2) destinée à l’imprégnation de la biomasse (5), catalyseur choisi parmi un catalyseur acide, un catalyseur basique et un catalyseur oxydant, et de préférence un catalyseur acide, dans une zone de préparation (3),
- b) Introduction de la biomasse (5) dans un réacteur d’imprégnation (9) à l’aide d’un premier dispositif d’alimentation (6), ledit premier dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un premier fluide de lavage (7) entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif (6),
- c) Introduction de la liqueur dans le réacteur d’imprégnation (9) par une première entrée de liqueur (4) du réacteur,
- d) Transfert de la biomasse imprégnée puis égouttée (10) depuis une sortie du réacteur d’imprégnation vers une entrée d’un réacteur (14) de prétraitement par cuisson par au moins un deuxième dispositif d’alimentation (11), ledit deuxième dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un deuxième fluide de lavage (12) entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation,
- e) Prétraitement de ladite biomasse (10) dans ledit réacteur par cuisson ou explosion à la vapeur (14),
- f) Extraction à partir de la biomasse d’un résidu solide-liquide(8 ;13) traversant au moins un des deux dispositifs d’alimentation (6 ;11), puis séparation dudit/ de chacun des résidus solide-liquide en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41), avec réintroduction d’au moins une partie du résidu solide en tant qu’appoint de biomasse dans au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;11), et réintroduction d’au moins une partie du résidu liquide (31 ;41) en tant qu’appoint de fluide de lavage dans au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;11) ou en tant qu’appoint pour la liqueur d’imprégnation dans la zone (3) de préparation de la liqueur ou dans le réacteur d’imprégnation (9). - Installation de mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes, qui comprend au moins un réacteur (9 ;14) de traitement de ladite biomasse (5), ledit réacteur étant équipé d’un dispositif (6 ;11)) d’alimentation en biomasse qui est muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur, avec extraction à partir de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation vers le réacteur, d’un résidu (8 ;13) par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide, l’installation comprenant également
- au moins un dispositif de séparation (30 ;40) dudit résidu solide-liquide en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41), notamment choisi parmi un dispositif de centrifugation, un dispositif d’égouttage ou de pressage, un dégrilleur,
- des moyens pour réintroduire au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs
- éventuellement des moyens pour réintroduire au moins une partie du résidu liquide dans l’installation, notamment dans le/un des dispositifs d’alimentation. - Utilisation du procédé ou de l’installation selon l’une des revendications précédentes pour le traitement de biomasses lignocellulosiques (5), du type bois, paille, résidus agricoles, et toutes cultures énergétiques dédiées, notamment des plantes annuelles ou pluriannuelles telles que le miscanthus, en vue de produire des sucres, des biocarburants ou des molécules biosourcées.
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