WO2016026058A1 - Procédé de préparation de biomasse lignocellulosique pour la production de produits de bio-raffinerie et notamment d'éthanol et installation pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents

Procédé de préparation de biomasse lignocellulosique pour la production de produits de bio-raffinerie et notamment d'éthanol et installation pour la mise en oeuvre de ce procédé Download PDF

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Patrick Muller
Jean-Pierre BEUNARDEAU
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Abi Trading Sàrl
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Definitions

  • the present invention relates to a process for preparing lignocellulosic biomass based on various organic products, in particular wood or the like, for the production of bio-refinery products and in particular ethanol, in which at least one pretreatment phase is carried out successively.
  • said organic products for producing said biomass at least one complementary phase of preparation for the fermentation of said biomass, a fermentation phase and a final distillation phase for separating the bio-refinery and in particular ethanol products from the other substances derived from treatment of said organic products, especially wood or the like.
  • It also relates to an installation for the implementation of the process for the preparation and transformation of biomass based on various organic products, in particular wood particles, for the production of ethanol, comprising means for pretreatment of said organic products to achieve said biomass, at least one equipment for performing a complementary phase of preparation for the fermentation of said biomass, equipment for carrying out a fermentation phase and finally a distillation tower for separating the bio-refinery and in particular ethanol products from the other substances from the treatment of said organic products, especially wood or the like.
  • the raw material of which at least a part of the characteristics is random can not be processed according to a standardized process in which all the parameters are fixed, in order to obtain an optimal result whatever said raw material used.
  • traceability can not be ensured if the process works continuously and it is impossible to follow the raw material to be treated during all phases of treatment.
  • the main purpose of the present invention is to optimize the phases of the process in such a way as to produce bio-refining products, in particular ethanol with guaranteed optimum yield, and to carry out all the phases of the process in a reproducible manner in the process.
  • framework of a reliable installation regardless of the characteristics of the batches of incoming raw materials.
  • the process according to the invention is characterized in that all the phases of the process are carried out on predetermined batches, in treatment units adapted to said batches, in that the critical parameters corresponding to each of the process phases for each of said predetermined batches by equipment combined with said units, and in that said pre-treatment phase consists of a first step of preparation of a mixture of organic products, in particular particles of wood with a volume of water between 75 and 90% of the mass of the mixture, a second step of cooking under pressure of said mixture, at a temperature between 150 and 200 ° C, at a treatment pressure of between 500 and 2000 kPa, and with a pH of between 3.5 and 5, for a period of between 10 and 120 min, of a third step of expanding said mixture to evacuate the water vapor and recover a mass forming a kind of molasses and at least one additional fourth step for preparing the fermentation of said biomass prior to distillation.
  • said fourth complementary step in order to prepare the fermentation of said biomass is a pre-hydrolysis step in the presence of enzymes, this step having a duration of 6 to 12 hours in order to liquefy said molasses into cutting the molecular chains to form a biomass rich in Cs and Ce sugars.
  • said fourth complementary step in order to prepare the fermentation of said biomass is a step of concentrating Cs and Ce sugars, in the presence of bacteria and / or fungi.
  • the number of lots ni is determined; ; m; ; by initially defining the number n 4 of prehydrolysis units corresponding to the batches to be treated is sufficient to treat the molasses resulting from the m relaxation units, then by defining the number m of expansion units so that the total capacity of said expansion units corresponding to the m batches to be treated is sufficient to treat the lots2 batches from the cooking units, then defining the number of cooking units in such a way that the total capacity of said cooking units is sufficient to process said mixing batches from the mixing units.
  • said pretreatment phase is preferably carried out simultaneously by introducing said mass of organic products, in particular wood particles and water into a pressure cooking vessel with stirring means into which an appropriate volume of steam is injected to ensure the required rise in the temperature of the mixture and said treatment pressure.
  • Said relaxation phase of said mixture to evacuate the water vapor and to recover said molasses is advantageously carried out in an expansion tank for releasing the pressure of the water vapor.
  • Said fourth step of prehydrolysis in the presence of enzymes is particularly advantageously carried out in a specific treatment tank in which said molasses resulting from the expansion phase and said enzymes are introduced in order to manufacture said biomass rich in C5 sugars. And this.
  • said pre-hydrolysis of said lignocellulosic biomass can be carried out in the presence of enzymes, bacteria or fungi.
  • the device is characterized in that it comprises appropriate units for carrying out all the phases of the method on predetermined batches, in units adapted to said batches, specific control means for adjusting the critical parameters. corresponding to each of the phases of the process by equipment combined with said containers, means for distributing said batches in successive series arranged in cascade, each of said predetermined batches being arranged in one of said adapted units, and in that said means for pretreatment of said organic products for producing said lignocellulosic biomass comprise at least one mixing and cooking vessel for the preparation of a mixture of organic products, in particular wood particles with a volume of water of between 75 and 90% of the mass of the mixture, less pressure cooking of said mixture at a temperature c omprise between 150 and 200 ° C, at a treatment pressure between 500 and 2000kPa, and with a pH between 3.5 and 5, for a period of between 10 and 120 min, at least one expansion vessel of said mixture to evacuate the water vapor and recover a pasty mass forming a kind of molasses,
  • Said complementary treatment tank may be a prehydrolysis tank in the presence of enzymes for a treatment for a period of 6 to 12 hours in order to liquefy said molasses by cutting the molecular chains.
  • said complementary treatment tank may be a tank of treatment in the presence of bacteria and / or enzyme fungi for a treatment intended to liquefy said molasses by cutting the molecular chains.
  • the installation comprises a first series of m mixing units arranged to prepare m batches of mixed material; m. cooking units arranged to steam pressurize and mix the mixed material from the mixing units; expansion units for relaxing by removing steam from the mixture products from the m cooking units and producing a kind of molasses free of steam; and enzyme prehydrolysis units for producing the lignocellulosic biomass to be closed and then distilled.
  • Said pressure cooking vessel advantageously comprises stirring means for circulating the mixture it contains according to lateral ascending currents and in axial central downward currents and means for injecting a suitable volume of water vapor to ensure the required elevation of the temperature of the mixture and said treatment pressure inside the vessel.
  • Said stirring means advantageously comprise at least one rotary vane arranged horizontally at the bottom of the vat and driven on an axis arranged vertically inside said vat.
  • the installation comprises at least one attritor mill mounted on a base which carries drive means and which contains transmission elements, said base, said drive means and said transmission elements constituting a predetermined mechanical unit adaptable to all the parts of the installation comprising moving elements.
  • FIG. 1 represents a schematic front view of the preparation plant of FIG. a lignocellulosic biomass for the production of bio-refinery products, in particular ethanol,
  • FIG. 2 represents the plant for the preparation and transformation of a biomass for the production of bio-refinery products, in particular ethanol of FIG. 1, seen from the side, illustrating a mode of operation in cascade,
  • FIG. 3 is a schematic view of an attritor mill used in the context of the preparation of the raw material in order to implement the method of the invention.
  • FIG. 4 is a vertical sectional view of a stirring tank of the organic product mixture used for the preparation phase of the lignocellulosic biomass. Illustrative of the Invention and Different Ways of Carrying it Out
  • the process according to the invention is carried out by the plant according to the invention intended for the preparation of a lignocellulosic biomass based on various organic products, in particular hardwood or various other organic products such as such as coconut, for the production of various bio-refining products, including ethanol and related products made in the process.
  • the invention essentially relates to the pretreatment of the organic products intended to produce said biomass under optimal conditions, both technically and economically, in order to obtain a quality bio-refining product with optimum yield and implement this process by respecting strict rules of traceability of incoming materials in the process circuit to qualify the outgoing products from the process.
  • it has proved indispensable to design a process of treatment by "batches” or “batches”, rather than continuous processing and perform the various steps of the cascade processing, knowing that each step must take place following a previous step that generates one or more intermediate products.
  • These intermediate products must, if necessary be separated or undergo one or more subsequent processing or transformation phases, before the final phase which allows the final product and possibly by-products and / or by-products to be isolated.
  • FIG. 1 is a general schematic view illustrating an embodiment of the plant 10 comprising all the stages of preparation of the raw materials and their treatment with a view to producing a lignocellulosic biomass intended to supply bio-refining products. and in particular ethanol.
  • this initial mass Mo may consist of the load transported by a number of transport vehicles 11, for example loaded with hardwood milled into pre-sized particles or unmilled bulk wood. In the latter case, the bulk timber must be milled during a preliminary stage before starting any processing phase.
  • Each carrier vehicle carries a fraction Mx of the initial mass Mo, so that the sum of the fractions Mx, brought by the vehicles 1 1 represents the initial mass Mo.
  • the fractions M x may be different from each other and they are identified precisely with regard to their origin, composition, characteristics, in particular residual moisture.
  • the fractions Mx are then distributed by at least one loading device 12 in closed vessels called cookers 13 which will be described in more detail by the following.
  • the loading device 12 is intended to fill the cookers with batches of milled wood mixed with a predetermined volume of water.
  • the method provides for ensuring feeding the wood particles by an endless screw and effecting the wood-water mixture in a hopper-shaped vessel, into which the water is preferably injected laterally by one or more approximately tangential jets to generate a vortex effect intended to stir the mixture which flows through the base of the hopper directly into the cookers 13.
  • the cookers 13 are all filled in the same way with substantially identical mixing volumes.
  • the number of cookers 13 is chosen so that the whole wood-water mixture prepared from the initial mass Mo can be contained in said cookers 13.
  • the heating process is accelerated by injecting superheated steam in such a way that the pressure in the cookers rises to a value of between 500 and 2000 kPa the treatment whose duration is between 10 and 120 min.
  • the pH value must be between 3.5 and 5 to avoid the development of fermentation inhibitors.
  • the residence time of the mixture in the cooker 13 is between 20 and 120 minutes, depending on the composition of the initial mass Mo.
  • the next lower stage of the cascade installation 10 comprises a series of expansion valves 14 or expansion vessels which receive the residual mass 2 of the mixture M1 after it has been treated in the cookers 13.
  • the regulators 14 make it possible to evacuate the steam. water representing about 30% of the residual mass M2 of the mixture.
  • a pasty Ivb mass having the consistency of molasses or sludge is recovered which is transferred to additional treatment tanks, for example pre-hydrolysis 15.
  • This step can be carried out in the presence of enzymes for a period of about 6 to 12 hours in order to liquefy said pasty M3 mass and obtain a kind of residual "liquor" M 4 .
  • Other solutions are possible, in particular a bacterial treatment and / or a treatment with fungi that can be combined in the next fermentation step, thus reducing the total duration of the treatment.
  • the next step is to transfer the liquor mass M 4 in fermentation tanks 16 to form said lignocellulosic biomass rich in sugars C5 and C6.
  • the residues of this enzymatic fermentation constitute said biomass M 4 .
  • the pretreatment of the initial material of mass Mo is completed and the biomass M 4 is ready for the final distillation stage in a distillation tower 16 which for example makes it possible to produce bioethanol or other bio-refining products as well as various by-products such as roasted wood pellets, for example , essentially composed of the lignin contained in the initial mass Mo.
  • the process is faster and more efficient than the fermentation in the presence of enzymes to produce the biomass M 4 intended for to be distilled.
  • FIG. 2 illustrates the cascade operating mode of the installation 10 and some specific details, such as the loading device which consists mainly of a hopper 12a and means for feeding 12b of the wood particles or other materials. organic.
  • the loading device which consists mainly of a hopper 12a and means for feeding 12b of the wood particles or other materials. organic.
  • water inlets are provided, preferably in the form of lateral injectors, possibly tangential 12c, which have the particularity to create a swirling flow which facilitates the wetting of the wood, knowing that the volume of water to be added to the dry particles is of the order of 60 to 90% of the total mass to be treated.
  • the cookers 13 are equipped with a steam injector 13a to provide heat and pressure in the cooking vessel or cooker 13.
  • the cooker is shown in more detail in Figure 4.
  • FIG. 3 illustrates an attrition mill 12a, as used in the loading device 12.
  • This type of mill known per se, usually comprises a series of trays 12b equipped, at their ends, with grinding knives or knives. 12c, whose function is to project particles of wood or other organic materials against a 12d cylindrical grid mounted inside a peripheral chamber 12e, to fractionate these particles, sort by size through the perforations of the grids and to calibrate them.
  • a calibration device (not shown) is usually associated with the mill for blowing off the particles and separating those that are not sized for recycling.
  • the mill is mounted on a base 121 containing the transmission elements to the rotating parts and which carry a drive motor 12m whose output shaft is coupled to said transmission elements.
  • the base 121, the drive motor 12m and the transmission elements are suitable for the mill and constitute standard components that can be used for all the apparatuses of the installation which comprise a tank, a drive motor for driving parts. rotating and transmission elements.
  • FIG. 4 shows the cooker 13 which comprises a stirring-mixing device consisting of a pallet 13a or the like, rotatable on a central vertical axis, having the effect of stirring the fluidized mass of material to be treated so as to bring it up laterally along the walls and down to the center.
  • the brewing being assured, we obtain a perfectly homogeneous mass.
  • the material is discharged at the top of the cooker through an inlet E and is taken again after treatment with an outlet S.
  • the cookers 13 of the installation comprising a rotary vane 13a, a base 131 and a motor '13m drive for driving the transmission members for driving rotation of the pallet 13a, these components being standardized to simplify maintenance and minimize the cost.
  • the described installation is not limited to this embodiment, but could be modified without departing from the context of the present invention.

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Abstract

L'installation (10) comporte des moyens de prétraitement desdits produits organiques pour réaliser ladite biomasse lignocellulosique, un équipement pour effectuer toutes les phases du procédé sur des lots prédéterminés, dans des unités adaptées auxdits lots. Les moyens de prétraitement desdits produits organiques pour réaliser ladite biomasse lignocellulosique comportent au moins une cuve de mélange et de cuisson (13) pour la préparation d'un mélange de produits organiques, notamment de particules de bois avec un volume d'eau compris entre 75 et 90% de la masse du mélange, et la cuisson sous pression dudit mélange. Elle comporte au moins un vase d'expansion (14) pour évacuer la vapeur d'eau et récupérer une masse pâteuse, au moins une cuve (15) de pré-hydrolyse ou de traitement complémentaire pour un traitement en vue de liquéfier ladite mélasse en coupant les chaînes moléculaires pour constituer une biomasse riche en sucres C5 et C6, ces différentes unités étant disposées en amont d'au moins une cuve de fermentation (16) suivie d'au moins une colonne de distillation (17).

Description

PROCÉDÉ DE PRÉPARATION DE BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE POUR LA
PRODUCTION DE PRODUITS DE BIO-RAFFINERIE ET NOTAMMENT
D'ÉTHANOL ET INSTALLATION POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCÉDÉ
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de préparation de biomasse lignocellulosique à base de divers produits organiques, notamment de bois ou similaire, pour la production de produits de bio-raffinerie et notamment d'éthanol, dans lequel on effectue successivement au moins une phase de prétraitement desdits produits organiques pour réaliser ladite biomasse, au moins une phase complémentaire de préparation à la fermentation de ladite biomasse, une phase de fermentation et une phase finale de distillation pour séparer les produits de bio-raffinerie et notamment d'éthanol des autres substances issues du traitement desdits produits organiques, notamment de bois ou similaire.
Elle concerne également une installation pour la mise en œuvre du procédé de préparation et de transformation de biomasse à base de divers produits organiques, notamment de particules de bois, pour la production d'éthanol, comportant des moyens de prétraitement desdits produits organiques pour réaliser ladite biomasse, au moins un équipement pour effectuer une phase complémentaire de préparation à la fermentation de ladite biomasse, un équipement pour effectuer une phase de fermentation et enfin une tour de distillation pour séparer les produits de bio-raffinerie et notamment d'éthanol des autres substances issues du traitement desdits produits organiques, notamment de bois ou similaire.
Technique antérieure
L'article intitulé « Les biocarburants » de D. BALLERINI de l'I.F.P. sur les « Énergies Nouvelles » décrit divers procédés destinés à produire de l'éthanol à partir d'une biomasse ligno-cellulosique. Les principales phases de ces procédés consistent successivement à effectuer un prétraitement de matières végétales, notamment de bois, contenant généralement de la cellulose, de l'hémicellulose et de la lignine en vue de former une biomasse, l'hydrolyse de la biomasse, la fermentation éthanolique et la distillation pour recueillir de l'éthanol.
L'article « Techno-Economie Analysis of Biochermical Scénarios for Production of Cellulosic Ethanol » de F. Kabir KAZI, J. FORTMAN and R. AN EX of the State University, publié par le «NREL : National Renewable Energy Laboratory », décrit diverses variantes de procédés et d'installations permettant de produire des biocombustibles et notamment de l'éthanol à partir de matières premières cellulosiques. La demande de brevet américaine N°201201 1 1321 , cédée à la société : ABENGOA BIOENERGY NEW TECHNOLOGIES, INC décrit un procédé et un appareil de traitement d'une matière première cellulosique, en vue de produire, notamment de l'éthanol. Les procédés et les installations de mise en œuvre de ces procédés connus préconisent un fonctionnement en continu, notamment pendant certaines phases opératoires. Un tel fonctionnement en continu rend difficile la maîtrise des paramètres de fonctionnement, notamment la température, la pression et le PH dont le contrôle est fondamental pour éviter la formation d'inhibiteurs de fermentation, notamment, qui peuvent mettre en péril une des phases opératoires essentielles, à savoir la fermentation enzématique, déterminante pour assurer le meilleur rendement de la production d'éthanol.
D'autres aspects caractéristiques des techniques connues, tels que la quantité d'eau additionnée à la matière première cellulosique sèche, la faculté de réaliser une biomasse homogène, la capacité d'élever rapidement la température de la biomasse, la possibilité de réguler efficacement la pression des substances traitées, créent des problèmes au cours des phases du procédé et aboutissant à un rendement final aléatoire. En effet, le problème fondamental de ces techniques est lié au fait que la matière première n'a pas des qualités stables et constantes, de sorte que la préparation de la biomasse nécessite des ajustements constants en fonction de la nature de la matière traitée, de sa provenance, de sa qualité. Ces ajustements ne peuvent pas être réalisés sur des matières qui défilent en continu et dont la préparation est standardisée en fonction de paramètres supposés constants. La matière première dont au moins une partie des caractéristiques est aléatoire, ne peut pas être traitée selon un procédé standardisé dont tous les paramètres sont figés, si l'on veut obtenir un résultat optimal quelle que soit ladite matière première utilisée. En outre la traçabilité ne peut pas être assurée si le procédé travaille en continu et qu'il est impossible de suivre la matière première à traiter pendant toutes les phases du traitement.
Exposé de l'invention
La présente invention se propose principalement d'optimiser les phases du procédé de manière à réaliser une fabrication de produits de bio-raffinage, en particulier d'éthanol avec un rendement optimal garanti, et de réaliser toutes les phases du procédé de façon reproductible dans le cadre d'une installation fiable, quelles que soient les caractéristiques des lots de matières premières entrantes. En outre elle se propose d'adapter les phases du procédé en tenant compte des caractéristiques variables des matières premières, de manière à garantir dans tous les cas, une production optimale et une qualité constante.
Dans ce but, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on effectue toutes les phases du procédé sur des lots prédéterminés, dans des unités de traitement adaptées auxdits lots, en ce que l'on règle les paramètres critiques correspondant à chacune des phases du procédé pour chacun desdits lots prédéterminés par des équipements combinés auxdites unités, et en ce que ladite phase de prétraitement se compose d'une première étape de préparation d'un mélange de produits organiques, notamment de particules de bois avec un volume d'eau compris entre 75 et 90% de la masse du mélange, d'une deuxième étape de cuisson sous pression dudit mélange, à une température comprise entre 150 et 200°C, à une pression de traitement comprise entre 500 et 2000kPa, et avec un PH compris entre 3,5 et 5, pendant une durée comprise entre 10 et 120 mn, d'une troisième étape de détente dudit mélange pour évacuer la vapeur d'eau et récupérer une masse formant une sorte de mélasse et d'au moins une quatrième étape complémentaire en vue de préparer la fermentation de ladite biomasse antérieure à la distillation. Selon une première forme de réalisation, ladite quatrième étape complémentaire en vue de préparer la fermentation de ladite biomasse est une étape de pré-hydrolyse en présence d'enzymes, cette étape ayant une durée de 6 à 12 heures en vue de liquéfier ladite mélasse en coupant les chaînes moléculaires pour constituer une biomasse riche en sucres Cs et Ce.
Selon une deuxième forme de réalisation, ladite quatrième étape complémentaire en vue de préparer la fermentation de ladite biomasse est une étape de concentration des sucres Cs et Ce, en présence de bactéries et/ou de champignons.
Selon un mode de réalisation préférentiel, l'on détermine le nombre de lots ni ; ; m ; ; en définissant initialement le nombre n4 d'unités de préhydrolyse correspondant aux ru lots à traiter soit suffisante pour traiter la mélasse issue des m unités de détente, puis en définissant le nombre m d'unités de détente de telle manière que la capacité totale desdites unités de détente correspondant aux m lots à traiter soit suffisante pour traiter les Π2 lots issus des unités de cuisson, puis en définissant le nombre des unités de cuisson de telle manière que la capacité totale desdites 02 unités de cuisson soit suffisante pour traiter lesdits ni lots de mélange issus des unités de mélange. Ladite première étape de préparation d'un mélange de produits organiques et ladite deuxième étape de cuisson dudit mélange, de ladite phase de prétraitement s'effectuent de préférence en introduisant simultanément ladite masse de produits organiques, notamment de particules de bois et l'eau dans une cuve de cuisson sous pression avec des moyens de brassage dans laquelle on injecte un volume approprié de vapeur d'eau pour assurer l'élévation requise de la température du mélange et ladite pression de traitement.
Ladite phase de détente dudit mélange pour évacuer la vapeur d'eau et pour récupérer ladite mélasse, s'effectue avantageusement dans une cuve de détente permettant de relâcher la pression de la vapeur d'eau.
Ladite quatrième étape de pré-hydrolyse en présence d'enzymes s'effectue de façon particulièrement avantageuse dans une cuve spécifique de traitement dans laquelle on introduit ladite mélasse issue de la phase de détente et lesdites enzymes en vue de fabriquer ladite biomasse riche en sucres C5 et Ce.
Antérieurement à ladite première phase de préparation d'un mélange de produits organiques, on effectue de préférence un broyage des produits organiques, notamment de particules de bois et un dosage à la fois de la matière sèche et de l'eau additionnelle, ladite eau additionnelle étant injectée simultanément à ladite matière sèche dans ladite cuve de cuisson sous pression, tout en mélangeant la masse à traiter. Avantageusement, ladite pré-hydrolyse de ladite biomasse lignocellulosique peut s'effectuer en présence d'enzymes, de bactéries ou de champignons.
Dans ce but également le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'elle comporte des unités appropriées pour effectuer toutes les phases du procédé sur des lots prédéterminés, dans des unités adaptées auxdits lots, des moyens spécifiques de commande pour régler les paramètres critiques correspondant à chacune des phases du procédé par des équipements combinés auxdits récipients, des moyens pour répartir lesdits lots en séries successives disposées en cascade, chacun desdits lots prédéterminés étant disposé dans une desdites unités adaptées, et en ce que lesdits moyens de prétraitement desdits produits organiques pour réaliser ladite biomasse lignocellulosique comportent au moins une cuve de mélange et de cuisson pour la préparation d'un mélange de produits organiques, notamment de particules de bois avec un volume d'eau compris entre 75 et 90% de la masse du mélange, au moins de cuisson sous pression dudit mélange, à une température comprise entre 150 et 200°C, à une pression de traitement comprise entre 500 et 2000kPa, et avec un PH compris entre 3,5 et 5, pendant une durée comprise entre 10 et 120 mn, au moins un vase d'expansion dudit mélange pour évacuer la vapeur d'eau et récupérer une masse pâteuse formant une sorte de mélasse, au moins une cuve de traitement complémentaire pour constituer une biomasse riche en sucres Cs et C6, ces différentes unités étant disposées en amont d'au moins une cuve de fermentation suivie d'au moins une colonne de distillation.
Ladite cuve de traitement complémentaire peut être une cuve de préhydrolyse en présence d'enzymes pour un traitement pendant une période de 6 à 12 heures en vue de liquéfier ladite mélasse en coupant les chaînes moléculaires.
Toutefois, ladite cuve de traitement complémentaire peut être une cuve de traitement en présence de bactéries et/ou de champignons d'enzymes pour un traitement destiné à liquéfier ladite mélasse en coupant les chaînes moléculaires. Selon un mode de réalisation préféré, l'installation comporte une première série de m unités de mélange agencées pour préparer m lots de matière mélangée ; m. unités de cuisson agencées pour assurer la cuisson sous pression de vapeur et le malaxage de la matière mélangée issue des unités de mélange ; unités de détente pour détendre en éliminant la vapeur des produits de mélange issus des m unités de cuisson et pour produire une sorte de mélasse débarrassée de vapeur ; et unités de préhydrolyse sous l'effet d'enzymes pour produire la biomasse lignocellulosique destinée à être ferme ntée puis soumise à une distillation. Ladite cuve de cuisson sous pression comporte avantageusement des moyens de brassage pour faire circuler le mélange qu'elle contient selon des courants ascendants latéraux et selon des courants descendants centraux axiaux et des moyens pour injecter un volume approprié de vapeur d'eau pour assurer l'élévation requise de la température du mélange et ladite pression de traitement à l'intérieur de la cuve.
Lesdits moyens de brassage comportent avantageusement au moins une palette rotative disposée horizontalement au fond de la cuve et entraînée sur un axe disposé verticalement à l'intérieur de ladite cuve.
D'une manière particulièrement avantageuse, l'installation comporte au moins un broyeur à attrition monté sur une embase qui porte des moyens d'entraînement et qui contient des éléments de transmission, ladite embase, lesdits moyens d'entraînement et lesdits éléments de transmission constituant une unité mécanique prédéterminée adaptable à toutes les pièces de l'installation comportant des éléments mobiles. Description sommaire des dessins
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une vue schématique de face de l'installation de préparation d'une biomasse lignocellulosique pour la production de produits de bio-raffinerie en particulier d'éthanol,
la figure 2 représente l'installation de préparation et de transformation d'une biomasse pour la production de produits de bio-raffinerie, en particulier d'éthanol de la figure 1 , vue de côté, illustrant un mode de fonctionnement en cascade,
la figure 3 est une vue schématique d'un broyeur à attrition utilisé dans le cadre de la préparation de la matière première en vue de mettre en œuvre le procédé de l'invention, et
la figure 4 est une vue en coupe verticale d'un réservoir de brassage du mélange de produits organiques, utilisé en vue de la phase de préparation de la biomasse lignocellulosique, Illustrations de l'invention et différentes manières de la réaliser
En référence aux figures, le procédé selon l'invention est mis en œuvre par l'installation selon l'invention destinée à la préparation d'une biomasse lignocellulosique à base de divers produits organiques, notamment de bois dur ou de divers autres produits organiques tels que par exemple la noix de coco, en vue de la production de divers produits de bio-raffinage, notamment d'éthanol et de produits associés fabriqués au cours du procédé.
L'invention porte essentiellement sur le prétraitement des produits organiques destinés à réaliser ladite biomasse dans des conditions optimales aussi bien techniquement qu'économiquement, en vue d'obtenir un produit de bio-raffinage de qualité, avec un rendement optimal et de mettre en œuvre ce procédé en respectant des règles strictes de traçabilité des matériaux entrants dans le circuit du procédé pour permettre de qualifier les produits sortants, issus du procédé. Dans cette perspective, notamment, mais également pour assurer le meilleur traitement de la matière au cours des différentes étapes successives du procédé, il s'est avéré indispensable de concevoir un procédé de traitement par « lots » ou «batches», plutôt qu'un traitement en continu et d'effectuer les diverses étapes du traitement en cascade, sachant que chacune des étapes doit se dérouler à la suite d'une étape antérieure qui génère un ou plusieurs produits intermédiaires. Ces produits intermédiaires devront, le cas échéant être séparés ou devront subir une ou plusieurs phases de traitement ou de transformation ultérieures, avant la phase terminale qui permet d'isoler le produit final et éventuellement les produits dérivés et/ou les sous-produits.
Étant donné que le volume de la matière première à traiter au cours du procédé évolue dans le sens d'une réduction progressive, du fait que certains produits additifs, indispensables au début du procédé doivent être éliminés par la suite, l'installation pour la mise en œuvre du procédé a été conçue sur une base modulaire permettant d'intégrer la notion de variation de volume dans le procédé, pour aboutir à une construction standardisée au maximum de manière à éviter les démarches coûteuses du « sur-mesure » remplacée par la multiplication éventuelle de modules de base. D'où une construction de l'installation en cascade avec des modules de base standardisés pour chacune des étapes du traitement, objet du procédé.
La figure 1 est une vue schématique générale qui illustre une forme de réalisation de l'installation 10 comportant toutes les étapes de préparation des matières premières et de leur traitement en vue d'aboutir à une biomasse lignocellulosique destinée à fournir des produits de bio-raffinage et en particulier de l'éthanol. Comme mentionné précédemment le travail par lots implique un approvisionnement fini de matières premières qui sera appelé la masse initiale. A titre d'exemple, cette masse initiale Mo peut être constituée de la charge transportée par un certain nombre de véhicules de transport 1 1 , par exemple chargés de bois dur broyé en particules pré- dimensionnées ou de bois en vrac non broyé. Dans ce dernier cas, le bois en vrac doit être broyé au cours d'une étape préliminaire avant le démarrage de toute phase de traitement. Chaque véhicule transporteur porte une fraction Mx de la masse initiale Mo, de telle manière que la somme des fractions Mx, amenées par les véhicules 1 1 représente la masse initiale Mo. Les fractions Mx peuvent être différentes les unes des autres et elles sont identifiées avec précision en ce qui concerne leur origine, leur composition, leur caractéristique, notamment l'humidité résiduelle.
Après un éventuel broyage relativement fin, par exemple au moyen d'un broyeur du type broyeur à attrition, les fractions Mx sont ensuite distribuées par au moins un dispositif de chargement 12 dans des cuves fermées appelées des cuiseurs 13 qui seront décrites plus en détail par la suite. Le dispositif de chargement 12 est destiné à remplir les cuiseurs avec des lots de bois broyé mélangés avec un volume prédéterminé d'eau. Étant donné qu'il est difficile de mélanger des particules de bois sec avec un volume d'eau important, qui, en l'occurrence correspond sensiblement à 75 - 90% de la masse totale Mi du mélange, le procédé prévoit d'assurer l'amenée des particules de bois par une vis sans fin et d'effectuer le mélange bois-eau dans un récipient en forme de trémie, dans laquelle on injecte l'eau de préférence latéralement par un ou plusieurs jets approximativement tangentiels pour générer un effet tourbillonnaire destiné à brasser le mélange qui s'écoule par la base de la trémie directement dans les cuiseurs 13. Les cuiseurs 13 sont tous remplis de la même manière avec des volumes de mélange sensiblement identiques. Le nombre de cuiseurs 13 est choisi pour que l'ensemble du mélange bois-eau préparé à partir de la masse initiale Mo puisse être contenue dans lesdits cuiseurs 13. Du fait que la température du mélange doit être portée à une valeur sensiblement comprise entre 160 et 200°C, on accélère le processus de chauffe en injectant de la vapeur surchauffée de telle manière que la pression dans les cuiseurs monte à une valeur comprise entre 500 et 2000kPa pendant le traitement dont la durée est comprise entre 10 et 120 mn. Pour des raisons de qualité et d'efficacité du procédé il est essentiel de veiller au PH du mélange dans les cuiseurs. La valeur du PH doit être comprise entre 3,5 et 5 pour éviter le développement d'inhibiteurs de fermentation. La durée du séjour du mélange dans le cuiseur 13 se situe entre 20 et 120 minutes, selon la composition de la masse initiale Mo.
L'étage inférieur suivant de l'installation en cascade 10 comprend une série de détendeurs 14 ou vases d'expansion qui reçoivent la masse 2 résiduelle du mélange M1 après son traitement dans les cuiseurs 13. Les détendeurs 14 permettent d'évacuer la vapeur d'eau représentant environ 30% de la masse M2 résiduelle du mélange. A la sortie des détenteurs 14 on récupère une masse Ivb pâteuse ayant la consistance de la mélasse ou de la boue qui est transférée dans des cuves de traitement complémentaire, par exemple de pré-hydrolyse 15. Cette étape peut s'effectuer en présence d'enzymes pendant une durée de l'ordre de 6 à 12 heures en vue de liquéfier ladite masse M3 pâteuse et obtenir une sorte de « liqueur » résiduelle M4. Hormis la pré-hydrolyse, d'autres solutions sont possibles, notamment un traitement bactérien et/ou un traitement par des champignons qui peuvent être combinés à l'étape suivante de fermentation, en réduisant ainsi la durée totale du traitement.
Lorsque l'on maintient la pré-hydrolyse, l'étape suivante constitue à transvaser la liqueur de masse M4 dans des cuves de fermentation 16 pour constituer ladite biomasse lignocellulosique riche en sucres C5 et C6. Les résidus de cette fermentation enzymatique constituent ladite biomasse M4. A ce stade le prétraitement de la matière initiale de masse Mo est terminé et la biomasse M4 est prête pour la phase ultime de distillation dans une tour de distillation 16 qui permet par exemple de produire du bioéthanol ou d'autres produits de bio-raffinage ainsi que divers sous-produits tels que des granulés de bois torréfiés, par exemple, composés essentiellement de la lignine contenue dans la masse initiale Mo.
Lorsque la phase de fermentation en présence d'enzymes est remplacée par un traitement en présence de bactéries ou en présence de certains champignons, le procédé est plus rapide et plus efficace que la fermentation en présence d'enzymes pour réaliser la biomasse M4 destinée à être distillée.
La figure 2 illustre le mode de fonctionnement en cascade de l'installation 10 et quelques détails spécifiques, comme le dispositif de chargement qui se compose principalement d'une trémie 12a et de moyens d'amenée 12b des particules de bois ou d'autres matières organiques. Pour éviter un engorgement initial de particules sèches qu'il serait ensuite difficile de mélanger avec le volume d'eau requis, on prévoit des entrées d'eau, de préférence sous la forme d'injecteurs latéraux, éventuellement tangentiels 12c, qui ont la particularité de créer un flux tourbillonnant qui facilite le mouillage du bois, sachant que le volume d'eau à ajouter aux particules sèches est de l'ordre de 60 à 90% de la masse totale à traiter.
Les cuiseurs 13 sont équipés d'un injecteur de vapeur 13a en vue d'apporter de la chaleur et de la pression dans la cuve de cuisson ou cuiseur 13. Le cuiseur est représenté plus en détail par la figure 4.
La figure 3 illustre un broyeur à attrition 12a, tel qu'il est utilisé dans le dispositif de chargement 12. Ce type de broyeur, connu en soi, comporte habituellement une série de plateaux 12b équipés, à leur extrémité de plots ou couteaux de broyage 12c, dont la fonction est de projeter les particules de bois ou d'autres matières organiques contre une grille 12d cylindrique montée à l'intérieur d'un caisson périphérique 12e, pour fractionner ces particules, les trier par taille à travers les perforations des grilles et pour les calibrer. Un dispositif de calibrage (non représenté) est habituellement associé au broyeur pour évacuer par soufflage les particules et séparer celles qui n'ont pas les dimensions fixées en vue de leur recyclage. Le broyeur est monté sur une embase 121 contenant les éléments de transmission aux pièces tournantes et qui portent un moteur d'entraînement 12m dont l'arbre de sortie est couplé auxdits éléments de transmission. L'embase 121, le moteur d'entraînement 12m et les éléments de transmission sont adaptés au broyeur et constituent des composants standards pouvant être utilisés pour tous les appareils de l'installation qui comportent une cuve, un moteur d'entraînement pour entraîner des pièces tournantes et des éléments de transmission.
La figure 4 représente le cuiseur 13 qui comporte un dispositif de brassage- malaxage constitué d'une palette 13a ou similaire, rotative sur un axe vertical central, ayant pour effet de remuer la masse fluidifiée de matière à traiter de manière à la faire remonter latéralement le long des parois et de la faire redescendre au centre. Le brassage étant assuré, on obtient une masse parfaitement homogène. La matière est déversée au haut du cuiseur par une entrée E et est reprise après traitement par une sortie S. Comme mentionné ci-dessus, on associe aux cuiseurs 13 de l'installation comportant une palette rotative 13a, une embase 131 et un moteur d'entraînement 13m, destiné à entraîner des éléments de transmission pour assurer l'entraînement en rotation de la palette 13a, ces composants étant standardisés en vue de simplifier la maintenance et de minimiser leur coût. L'installation décrite n'est pas limitée à cette forme de réalisation, mais pourrait être modifiée sans sortir du contexte de la présente invention.

Claims

Revendications
1. Procédé de préparation de biomasse lignocellulosique à base de divers produits organiques, notamment de bois ou similaire, pour la production de produits de bio-raffinerie et notamment d'éthanol, dans lequel on effectue successivement au moins une phase de prétraitement desdits produits organiques pour réaliser ladite biomasse, au moins une phase complémentaire de préparation à la fermentation de ladite biomasse, une phase de fermentation et une phase finale de distillation pour séparer les produits de bio-raffinerie et notamment d'éthanol des autres substances issues du traitement desdits produits organiques, notamment de bois ou similaire, caractérisé en ce que l'on effectue toutes les phases du procédé sur des lots prédéterminés, dans des unités de traitement adaptées auxdits lots, en ce que l'on règle les paramètres critiques correspondant à chacune des phases du procédé pour chacun desdits lots prédéterminés par des équipements combinés auxdites unités, et en ce que ladite phase de prétraitement se compose d'une première étape de préparation d'un mélange de produits organiques, notamment de particules de bois avec un volume d'eau compris entre 75 et 90% de la masse du mélange, d'une deuxième étape de cuisson sous pression dudit mélange, à une température comprise entre 150 et 200°C, à une pression de traitement comprise entre 500 et 2000kPa, et avec un PH compris entre 3,5 et 5, pendant une durée comprise entre 10 et 120 mn, d'une troisième étape de détente dudit mélange pour évacuer la vapeur d'eau et récupérer une masse formant une sorte de mélasse et d'au moins une quatrième étape complémentaire en vue de préparer la fermentation de ladite biomasse antérieure à la distillation.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite quatrième étape complémentaire en vue de préparer la fermentation de ladite biomasse est une étape de pré-hydrolyse en présence d'enzymes, cette étape ayant une durée de 6 à 12 heures en vue de liquéfier ladite mélasse en coupant les chaînes moléculaires pour constituer une biomasse riche en sucres Cs et Ce.
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, ladite quatrième étape complémentaire en vue de préparer la fermentation de ladite biomasse est une étape de concentration des sucres Cs et C6, en présence de bactéries et/ou de champignons.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on détermine le nombre de lots m ; Π2 ; Π3 ; ; en définissant initialement le nombre ru d'unités de traitement antérieure à la fermentation correspondant aux ru lots à traiter de telle manière que ce nombre soit suffisant pour traiter la mélasse issue des m unités de détente, puis en définissant le nombre Q3 d'unités de détente de telle manière que la capacité totale desdites unités de détente correspondant aux n3 lots à traiter soit suffisante pour traiter les m lots issus des unités de cuisson, puis en définissant le nombre m des unités de cuisson de telle manière que la capacité totale desdites m unités de cuisson soit suffisante pour traiter lesdits m lots de mélange issus des unités de mélange.
5. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite première étape de préparation d'un mélange de produits organiques et ladite deuxième étape de cuisson dudit mélange, de ladite phase de prétraitement s'effectuent en introduisant simultanément ladite masse de produits organiques, notamment de particules de bois et l'eau dans une cuve de cuisson sous pression avec des moyens de brassage dans laquelle on injecte un volume approprié de vapeur d'eau pour assurer l'élévation requise de la température du mélange et ladite pression de traitement.
6. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite phase de détente dudit mélange pour évacuer la vapeur d'eau et pour récupérer ladite mélasse, s'effectue dans une cuve de détente permettant de relâcher la pression de la vapeur d'eau.
7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite quatrième étape de pré-hydrolyse en présence d'enzymes s'effectue dans une cuve spécifique de traitement dans laquelle on introduit ladite mélasse issue de la phase de détente et lesdites enzymes en vue de fabriquer ladite biomasse riche en sucres Cs et Ce.
8. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, antérieurement à ladite première phase de préparation d'un mélange de produits organiques, on effectue un broyage des produits organiques, notamment de particules de bois et un dosage à la fois de la matière sèche et de l'eau additionnelle, ladite eau additionnelle étant injectée simultanément à ladite matière sèche dans ladite cuve de cuisson sous pression, tout en mélangeant la masse à traiter.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite pré-hydrolyse de ladite biomasse lignocellulosique s'effectue en présence d'enzymes, de bactéries ou de champignons.
10. Installation pour la mise en oeuvre du procédé d'une installation pour la mise en œuvre du procédé de préparation et de transformation d'une biomasse à base de divers produits organiques, notamment de particules de bois, en vue de la production d'éthanol, comportant des moyens de prétraitement desdits produits organiques pour réaliser ladite biomasse, au moins un équipement pour effectuer une phase complémentaire de préparation à la fermentation de ladite biomasse, un équipement pour effectuer une phase de fermentation et enfin une tour de distillation pour séparer les produits de bio-raffinerie et notamment d'éthanol des autres substances issues du traitement desdits produits organiques, notamment de bois ou similaire, caractérisée en ce qu'elle comporte des unités appropriées pour effectuer toutes les phases du procédé sur des lots prédéterminés, dans des unités adaptées auxdits lots, des moyens spécifiques de commande pour régler les paramètres critiques correspondant à chacune des phases du procédé par des équipements combinés auxdits récipients, des moyens pour répartir lesdits lots en séries successives disposées en cascade, chacun desdits lots prédéterminés étant disposé dans une desdites unités adaptés, et en ce que lesdits moyens de prétraitement desdits produits organiques pour réaliser ladite biomasse lignocellulosique comportent au moins une cuve de mélange et de cuisson pour la préparation d'un mélange de produits organiques, notamment de particules de bois avec un volume d'eau compris entre 75 et 90% de la masse du mélange, au moins de cuisson sous pression dudit mélange, à une température comprise entre 150 et 200X, à une pression de traitement comprise entre 500 et 2000kPa, et avec un PH compris entre 3,5 et 5, pendant une durée comprise entre 10 et 20 mn, au moins un vase d'expansion dudit mélange pour évacuer la vapeur d'eau et récupérer une masse pâteuse formant une sorte de mélasse, au moins une cuve de traitement complémentaire pour constituer une biomasse riche en sucres Cs et C6, ces différentes unités étant disposées en amont d'au moins une cuve de fermentation suivie d'au moins une colonne de distillation.
1 1 . Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite cuve de traitement complémentaire est une cuve de pré-hydrolyse en présence d'enzymes pour un traitement pendant une période de 6 à 12 heures en vue de liquéfier ladite mélasse en coupant les chaînes moléculaires.
12. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite cuve de traitement complémentaire est une cuve de traitement en présence de bactéries et/ou de champignons d'enzymes pour un traitement destiné à liquéfier ladite mélasse en coupant les chaînes moléculaires.
13. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite cuve de pré-hydrolyse contient à la fois des enzymes, des bactéries et/ou des champignons.
14. Installation selon la revendication 10 caractérisée en ce qu'elle comporte une première série de ni unités de mélange agencées pour préparer m lots de matière mélangée ; unités de cuisson agencées pour assurer la cuisson sous pression de vapeur et le malaxage de la matière mélangée issue des ni unités de mélange ; m unités de détente pour détendre en éliminant la vapeur des produits de mélange issus des_Q2 unités de cuisson et pour produire une sorte de mélasse débarrassée de vapeur ; et Q4 unités de préparation complémentaire antérieure à la fermentation de ladite mélasse.
15. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que lesdites ru unités de préparation complémentaire sont des cuves à pré-hydrolyse contenant des enzymes pour produire la biomasse lignocellulosique destinée à être fermentée puis soumise à une distillation.
16. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite cuve de cuisson sous pression comporte des moyens de brassage pour faire circuler le mélange qu'elle contient selon des courants ascendants latéraux et selon des courants descendants centraux axiaux et des moyens pour injecter un volume approprié de vapeur d'eau pour assurer l'élévation requise de la température du mélange et ladite pression de traitement à l'intérieur de la cuve.
17. Installation selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens de brassage comportent au moins une palette rotative disposée horizontalement au fond de la cuve et entraînée sur un axe disposé verticalement à l'intérieur de ladite cuve.
18. Installation selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'elle comporte au moins un broyeur à attrition monté sur une embase qui porte des moyens d'entraînement et qui contient des éléments de transmission, ladite embase, lesdits moyens d'entraînement et lesdits éléments de transmission constituant une unité mécanique prédéterminée adaptable à toutes les pièces de l'installation comportant des éléments mobiles.
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