WO2020126918A1 - Procede de nettoyage d'un reacteur de traitement d'une biomasse lignocellulosique - Google Patents

Procede de nettoyage d'un reacteur de traitement d'une biomasse lignocellulosique Download PDF

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Meriem BOURAS GALINIE
Caroline Aymard
Olivier Carnnot
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IFP Energies Nouvelles
Institut National De La Recherche Agronomique
Agro Industries Recherche Et Developpement
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Definitions

  • the invention relates to a process for the treatment of lignocellulosic biomass to produce so-called second generation (“2G”) sweet juices.
  • 2G second generation
  • These sugary juices can be used to produce other products biochemically (for example alcohols such as ethanol, butanol or other molecules, or solvents such as acetone, etc.).
  • different stages including generally three stages which are the preparation of liquor, the impregnation of the biomass with this liquor, and the pretreatment of the impregnated biomass by cooking, in particular with steam explosion.
  • Lignocellulosic biomass represents one of the most abundant renewable resources on earth.
  • the substrates considered are very varied, they concern both woody substrates such as different woods (hardwoods and conifers), co-products from agriculture (wheat straw, corn cobs, etc.) or other industries. food, paper, etc.
  • the biochemical transformation process of lignocellulosic into 2G sweet juices notably includes a pre-treatment step and an enzymatic hydrolysis step with an enzymatic cocktail. These processes also most often include an impregnation step before the pretreatment.
  • the sugary juices from the hydrolysis are then treated, for example by fermentation, and the process can also include separation steps and / or a purification step of the final product.
  • Lignocellulosic biomass is composed of three main polymers: cellulose (35 to 50%), which is a polysaccharide essentially consisting of hexoses; hemicellulose (20 to 30%), which is a polysaccharide essentially consisting of pentoses; and lignin (15 to 25%), which is a polymer of complex structure and of high molecular weight, composed of aromatic alcohols linked by ether bonds. These different molecules are responsible for the intrinsic properties of the plant wall and are organized into a complex tangle.
  • cellulose and hemicellulose are those that allow the production of 2G sweet juices. Most often, hemicellulose is mainly broken down into monomeric and oligomeric sugars during pretreatment, and cellulose is converted to glucose by enzymatic hydrolysis. However, access to the raw cellulose in the native substrate remains difficult for enzymes to access, hence the need for pretreatment. This pretreatment makes it possible to modify the physicochemical properties of the lignocellulosic in order to improve
  • organosolv pulping There are also pre-treatment processes known as “organosolv pulping” according to the known English term (or treatment with organo-solvent in French). This latter process relates to a pretreatment in the presence of one or more organic solvents and generally of water.
  • the solvent can be an alcohol (ethanol), an acid such as acetic acid, formic acid, or acetone, or a mixture of these compounds.
  • the organosolv pulping processes lead to an at least partial solubilization of the lignin, a partial solubilization of the hemicelluloses.
  • pretreatments are steam explosion cooking mentioned above, as it allows almost complete hydrolysis of hemicellulose and a significant improvement in the accessibility and reactivity of cellulose to enzymes.
  • This pretreatment can be preceded / followed by other treatment (s), and it is that which will be of particular interest to the invention, without being limited to its application, however.
  • a first solution provided to remove these residues consisted in emptying the reactor, therefore shutting it down, and opening it, in order to clean the internal walls of the reactor by mechanical and / or hydraulic action, that is to say say by scraping the walls and / or by sending water under pressure to several hundred bars.
  • This procedure is certainly effective, but it consumes time and energy: it forces not only to stop the reactor, but also to wait for it to cool down (cooking is done at a temperature above 100 ° C and under pressure), then to open it, to operate the cleaning, to close the reactor and to reheat it before restarting production.
  • the object of the invention is therefore to remedy these drawbacks. More specifically, the invention aims to develop a process for eliminating all or part of these residues, which is effective while reducing the reactor downtime and the expenses
  • the invention firstly relates to a treatment process at acidic or neutral pH in a reactor for treating lignocellulosic biomass, said process comprising a continuous cleaning phase of the reactor which comprises the introduction of a solution basic aqueous in said reactor containing the biomass being treated.
  • treatment in the context of the invention includes any step aimed at modifying at least one characteristic of the biomass. It can be, in particular, a pretreatment, a term known in the field of the treatment of lignocellulosic biomass, intended to prepare it for enzymatic hydrolysis.
  • the pH of the basic aqueous solution before introduction into the reactor is preferably greater than or equal to 9, in particular greater than or equal to 10 or 11, and advantageously at least 12, in particular between 12.5 and 13.5.
  • the invention has thus developed a process for cleaning the reactor which has proven to be very effective in removing all, or almost all, of the solid residue from the walls. It is therefore, according to the invention, to operate the cleaning with a basic aqueous solution (which may also be designated subsequently by the term “basic liquor”), for example a solution containing KOH, NaOH or any other mineral or organic base, even during the treatment of the biomass: cleaning is done while maintaining the biomass supply to the reactor.
  • the cleaning of the reactor is therefore carried out with a reactor at least partially filled with biomass, which could, prior to its pretreatment in the reactor in question, be pre-impregnated with an acidic, neutral or oxidizing aqueous solution.
  • the cleaning according to the invention is carried out by two combined actions: it is first chemical, with the action of the basic solution which has been found to be able to peel and / or dissolve the solid residues sticking to the internal walls of the reactor, but it is also mechanical, the particles of biomass exerting an abrasive effect, in addition, on said residues.
  • provision may be made to heat the basic aqueous solution before its introduction into the treatment reactor, in particular to a temperature of at least 40 ° C, in particular of at least 80 ° C and for example of at most 120 ° C or 100 ° C. It has been found that the basic solution is effective more quickly if it is thus preheated outside the reactor.
  • the introduction of the basic solution into the treatment reactor can take place in the pretreatment reactor, the internal volume of which is at a temperature of at least 120 ° C., in particular at least 140 ° C. It is preferably at most 240 or 220 ° C.
  • This internal temperature of the reactor can be that at which the pretreatment is carried out in a conventional manner, in particular by cooking.
  • the effect of the basic solution on the solid residues stuck to the walls of the reactor is indeed amplified when the solution / the reactor are hot.
  • the biomass is introduced into the treatment reactor by a pressurized supply means, of the conical conveyor screw type, which is washed with an aqueous solution, and this solution is recycled. washing.
  • This “pressate” can be recycled in various ways, for example as makeup water to prepare an aqueous solution of acidic or neutral pH which is used optionally, before the treatment of the biomass according to the invention, in order to impregnate it with water and / or to modify the pH thereof.
  • the cleaning phase of the treatment reactor with the basic solution has a duration of between 15 minutes and 8 hours, in particular between 1 and 3 hours. This duration is therefore not very long, and can be adjusted according to the frequency with which the reactor is cleaned.
  • the residence time in the treatment reactor of the biomass impregnated with basic aqueous solution is between 5 and 15 minutes. It is therefore a fairly short residence time, which is adjusted by the operating conditions of the reactor.
  • this residence time can be adjusted by adjusting the rotation speed of at least one of these internal conveying screws.
  • the flow rate of the basic aqueous solution at the inlet of said reactor is preferably adjusted so that the dry matter content MS of the biomass decreases significantly during its passage through the reactor, for example a value of 30 to 60% DM, in particular of 50% DM, to a value of 15 to 25% DM, in particular of 20% DM.
  • the basic aqueous solution will have a first role, which is to impregnate the biomass entering the reactor with water until the biomass is saturated with liquid.
  • MS designates the dry matter content which is measured according to standard ASTM E1756 - 08 (2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.
  • the base concentration (KOH for example) of the basic aqueous solution is preferably adjusted so as to increase the pH of the biomass entering the reactor from an acid pH range between 0 , 5 and 3, preferably near 3, towards a basic pH range between 8 and 14, preferably at neighborhood of 13.
  • KOH base concentration
  • the filling rate of the reactor with the biomass during the treatment is between 20 and 80% or 90%.
  • this filling rate can be maintained within this range, and even preferably (slightly) increased (for example by decreasing the speed of rotation of the screw or of at least one of the internal screws of conveying the reactor when it has one), which tends to improve the quality of cleaning.
  • the continuous cleaning phase of the treatment reactor is carried out at a given frequency and / or when a threshold value of a physico-chemical or rheological characteristic of the reaction medium in said reactor is exceeded.
  • This characteristic can be measured or evaluated directly or indirectly. This may be, for example, an engine power threshold used to rotate a conveyor screw in the reactor, to rotate agitating means in the reactor or any other moving part therein.
  • the treatment according to the invention is a pretreatment in the conventional sense in the treatment of biomass, and this pretreatment is a cooking with steam explosion.
  • Steam separated from biomass in a cyclone separation device at the outlet of the treatment reactor can be exhausted thermally, at least in part, with the aid of a heat exchanger, to heat the or one of the aqueous solutions used in said process.
  • the heat Once the heat has been extracted from the steam, it condenses, at least in part: we can then recover the condensate, in particular via a condenser, and use it to make up water in the process (washing water for the various screws conveyors external to the reactors, basic or acidic liquor preparation water, etc.)
  • Pretreatment can be done by baking, with or without a steam explosion.
  • the biomass is impregnated with an acidic aqueous solution in an impregnation reactor, before its introduction into the pretreatment reactor.
  • the two reactors can be connected in series and operate continuously.
  • the acid content of the acidic aqueous solution brought into contact with the biomass during its prior impregnation is reduced or eliminated. impregnation reactor. It is thus possible to reduce the amount of base necessary for the preparation of the basic cleaning solution, since the amount of acid contained in the biomass to be neutralized is thus lower.
  • the acidic aqueous solution brought into contact with the biomass is replaced, during its prior impregnation in the reactor
  • impregnation with a basic aqueous solution, in particular the same as that which is injected during said phase into the pretreatment reactor: it is thus possible to further reduce the basic consumption necessary for cleaning compared to the previous embodiment. It can also be replaced by an aqueous solution of neutral pH, always for the same reason.
  • several, in particular two, impregnation reactors are used in parallel to impregnate the biomass with an aqueous solution before its introduction into the pretreatment reactor: a first impregnation reactor is supplied with an acidic aqueous solution or an aqueous solution of neutral pH, and a second reactor
  • impregnation is supplied with basic aqueous solution, the two reactors operating alternately, the second reactor being operational during at least part of the cleaning phase of the pretreatment reactor.
  • This variant makes it possible to implement the preceding embodiments, by modifying the type of impregnation of the biomass before its pretreatment when the pretreatment reactor goes into cleaning mode, by switching the arrival of biomass to be impregnated with a reactor d impregnation to the other.
  • a separation can be carried out between biomass and aqueous phase in liquid or vapor form at the outlet of the pretreatment reactor, by a separation device or several separation devices in parallel, in particular two separation devices, operating alternately. It can be cyclone type equipment.
  • one of the two devices can be dedicated to the separation of “basic” pretreated biomass (that pretreated during cleaning), by only separating the pretreated biomass during cleaning, and the other device is then dedicated to the conventional separation of pretreated biomass with acid or neutral impregnation (that pretreated outside the cleaning period).
  • the cleaning phase of the separation device (s) advantageously comprises, after the introduction of the basic aqueous solution into the pretreatment reactor, at least one rinsing of the separation device or of one of the separation devices with an aqueous solution, in particular between 1 and 10 successive rinses.
  • the purpose of this or these rinses is to clean the “basic” biomass trace separator before returning to conventional production mode.
  • the aqueous rinsing solution can be recycled from the separation device (s), in particular that which will be dedicated to the separation of the “basic” pretreated biomass, to prepare the basic aqueous solution. This reduces the consumption of the cleaning base according to the invention.
  • the process uses only one separation device, it is effectively rinsed, but the rinsing water can be evacuated from the device with the rest of the biomass to continue the process downstream, without the need to extract it or recycle it.
  • a subject of the invention is also a method for treating lignocellulosic biomass comprising the following steps: - the preparation of an impregnation liquor containing a catalyst, in particular an acid, - the introduction of the biomass into an impregnation reactor for be impregnated with the impregnation liquor, - the transfer of the impregnated biomass into a pretreatment reactor to undergo a pretreatment by cooking, - the enzymatic hydrolysis of the pretreated biomass, - the alcoholic fermentation of the enzymatic hydrolysis must obtained , such that the process is carried out continuously on all or part of said steps, and such that a cleaning of the impregnation reactor is carried out without interrupting its production of pretreated biomass.
  • the invention also relates to an installation for implementing the method as described above, installation which comprises from upstream to downstream:
  • lignocellulosic biomass impregnation reactor in fluid connection with a tank for preparing an acidic aqueous solution
  • a device for separating the pretreated biomass downstream from the pretreatment reactor and which is associated with means for rinsing with an aqueous solution is associated with means for rinsing with an aqueous solution.
  • the implementation of the proposed invention therefore simply adds to the existing installation a tank for preparing the basic solution, which can be supplied with water, in concentrated base (KOH, NaOH for example, or any other mineral or organic base ), and he
  • This tank is equipped with known means for, in particular, keeping the pH of the solution constant, by adding base (KOH) and / or water.
  • the tank can also be provided with heating means for bringing / maintaining the basic solution at the desired temperature before introduction into the reactor.
  • the heating means can, alternatively or cumulatively, be provided on the fluid connection means, type pipes, bringing the basic solution from the tank to the reactor.
  • the installation in question can use two impregnation reactors and / or two separation devices and / or two pretreatment reactors, operating alternately depending on whether the pretreatment reactor is in the cleaning phase or not.
  • the subject of the invention is also any installation for implementing the biomass treatment process mentioned above, such that this installation successively comprises: an impregnation reactor supplied with impregnation solution by a tank for preparing the said solution, and in biomass, - a reactor for pretreatment of the impregnated biomass which can be supplied in basic aqueous solution by a tank for preparing said solution, - an enzymatic hydrolysis reactor, and - an alcoholic fermentation reactor, all of the reactors being connected in series, or at least two of them.
  • the subject of the invention is also the use of the method or of the installation described above for the treatment of biomass of the wood, straw, agricultural residue type, and all dedicated energy crops, in particular annual or multi-annual plants such as miscanthus. , to produce sugars, biofuels or molecules
  • FIG. 1 represents the block diagram of the cleaning process according to the invention of a biomass pretreatment reactor fitting into a biomass pretreatment process.
  • FIG. 2 represents a first variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 3 represents a second variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 4 represents a third variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 5 represents a fourth variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 6 represents a fifth variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 7 represents a sixth variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 8 represents a seventh variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 9 represents an eighth variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 10 represents a ninth variant of the method according to FIG. 1.
  • FIG. 11 represents a tenth variant of the method according to FIG. 1.
  • the process for cleaning a biomass treatment reactor is illustrated here in the context of a process for treating biomass intended for producing alcohols, in particular biofuel of the bioethanol type, according to the steps of the process according to FIG. 1, described quickly below.
  • the cleaning method according to the invention can be applied in the same way to any biomass pretreatment reactor, and, more generally, to any reactor which is intended to treat a lignocellulosic biomass, the treatment intended to modify one of its chemical, physical or rheological characteristics, and being generally operated at high temperature.
  • the biomass treatment method here taken as an example and represented in FIG. 1 comprises a first step of impregnating the biomass in a vertical reactor 3, followed by a step of pretreating the biomass once impregnated in a reactor. steam explosion 4 horizontal.
  • a preparation tank 1 of an impregnation liquor containing a chemical catalyst is provided, which is made up of water E and of catalyst A which come to supply it, the catalyst is in this case a strong acid of type sulfuric acid concentrated in phase aqueous, this tank making it possible to supply the impregnation reactor 3 with a mixture of water E and chemical catalyst A,
  • a conical screw 2 (also called in English terminology “plug screw” or “sealing screw”) for supplying fresh biomass (here wheat straw P) in the impregnation reactor 3,
  • This impregnated and drained biomass is then sent to the pretreatment by a feed opening into a second conical screw 2 ’.
  • the pretreatment reactor 4 processes the biomass impregnated by steam explosion
  • a means for separating the steam 5 is supplied by the reactor 4 with biomass having undergone steam explosion cooking, of the cyclone type for example, with high output of steam V and low output of the pretreated / exploded biomass , also called must (or marc) M.
  • This must M has at this stage an accessibility of the cellulose to enzymes sufficient to be treated by enzymatic hydrolysis for the production of 2G sugars.
  • the conditions of the enzymatic hydrolysis and of the consecutive or simultaneous fermentation which follow this separation are adapted to the desired products and are known to those skilled in the art.
  • the invention consists in continuing the operation of the two impregnation reactors 3 and of pretreatment 4, while proceeding with the chemical cleaning of reactor 4 in order to extract this coke C and / or to slow down its formation.
  • This cleaning does not require opening the reactor and mechanical cleaning of the interior of the reactor as was the case previously.
  • This cleaning according to the invention, detailed below, is therefore faster, more economical and safer, since it makes it possible to limit the operational risks linked to the assembly and disassembly of the unit, and, above all, since it allows do not stop production.
  • a preparation tank 6 of an EB cleaning liquor containing a base This tank 6 makes it possible to supply the pretreatment reactor 4 with basic solution at a certain concentration. It is supplied with water E and base B (for example a base B in the form of an aqueous solution concentrated in KOH), the supplement of which is adjusted to obtain a liquor in desired quantity and at the concentration in base / at the desired pH.
  • water E and base B for example a base B in the form of an aqueous solution concentrated in KOH
  • the basic solution EB is an aqueous solution of KOH, with a KOH concentration of 1 to 50% by weight of KOH, preferably from 5 to 12% by weight of KOH, relative to water
  • the flow rate of the EB solution in the reactor is between 100 and 500 kg / h, in particular around 300 kg / h
  • the filling rate with the biomass impregnated with the basic solution EB of reactor 4 is from 20 to 90%, in particular around 30%
  • the temperature at which the EB solution is injected into reactor 4 is between 80 ° C and 200 ° C, in particular around 130 ° C
  • the temperature of reactor 4 is between 150 and 220 ° C, in particular around 200 ° C
  • the residence time of the EB solution in reactor 4 is between 5 and 15 minutes, and in particular about 10 minutes.
  • the frequency of the cleaning procedure can vary widely depending on the type and size of the pretreatment reactor 4, the type of biomass treated ...
  • cleaning can be triggered when the torque of one of the transport screws internal to the reactor increases by more than 15% compared to the torque observed at the start of production. It can also be triggered after a given period, which can range from 2 hours to 4 months of production.
  • the acid concentration A of the preparation tank 1 of the impregnation liquor can be reduced to a possibly zero concentration, or, ultimately, an impregnation which is done only with some water.
  • the biomass can be impregnated with a basic liquor during the cleaning sequence, either with the same basic liquor EB as that prepared in tank 6, or a different basic liquor, in particular in terms of base B concentration.
  • This variant makes it possible to reduce the amount of pure basic solution to be introduced into the pretreatment reactor 4, since there will be no more, or less, acid to neutralize in order to arrive at the targeted basic pH. However, a certain amount of basic liquor will be eliminated in the pressat (which corresponds to the water extracted from the 2 ’screw)
  • FIG. 3 illustrates this variant: the tank 6 for preparing basic liquor EB always has two inlets, one for the concentrated base B (concentrated KOH), the other for water, but here it also has two outlets: an outlet to the pretreatment reactor as before and an outlet to the impregnation reactor 3.
  • the impregnation reactor 3 it is possible to supply the impregnation reactor 3 either with the acid solution EA from the tank 1 in production mode, or with the basic solution EB from tank 6 in production mode + cleaning.
  • the tank 6 can thus simultaneously supply the two reactors 3 and 4, or at least for a common period during the cleaning of the reactor 4. It is also possible to anticipate and start supplying basic solution EB with one of the front reactors the other, in particular the impregnation reactor 3 before starting the cleaning with the EB solution of the pretreatment reactor 4.
  • the wort also called marc
  • the wort can be recycled, in particular in the context of variant E with two impregnation reactors: the basic pretreated biomass M1 which leaves the separation device 5 during the cleaning of the pretreatment reactor 4. In indeed, during this period, it is basic.
  • the impregnation, during cleaning, is carried out with a basic liquor by changing the impregnation reactor and the liquor preparation tank.
  • H- Another variant consists in using two 5.5 'separation devices (cyclone) operating alternately, as shown in FIG. 7: a cyclone 5 ′ is added which is dedicated to the treatment of basic marc M1. In production mode, cyclone 5 is operational, it treats acidic marc M, in production + cleaning mode, the output of reactor 4 is switched to the second cyclone 5 'which will therefore only separate basic marc M1.
  • the advantage of this variant is to reduce the transition time between the two modes.
  • FIG. 7 combines this variant with variant G: the basic marc is also washed once separated in the cyclone 5 ′ to recycle the basic washing water E1 to the preparation tank 6 of basic liquor.
  • the invention also applies to processes for pretreatment of biomass without pre-impregnation with a liquor (this is called self-hydrolysis): in this case, the biomass P, after having possibly undergone a treatment of the type mechanical (grinding, etc.), thermal (drying), or humidification, is directly introduced into the pretreatment reactor 4, as shown in FIG. 9.
  • This variant represented in FIG. 11 recommends a thermal integration of the process, by condensation of the vapor V at the outlet of the cyclone 5. This vapor V is used to heat the basic liquor EB circulating in pipes between the tank 6 and the reactor of
  • pretreatment 4 via a heat exchanger (not shown). It also serves to reduce the amount of water used in the tank 6 by recovering the condensate from the cooling of the steam leaving the cyclone, via a condenser (not shown).
  • It relates to a mechanical cleaning of the pretreatment reactor with stopping production and opening the reactor, according to a previous solution.
  • the operating conditions for producing pretreated biomass are as follows:
  • the mass of coke C produced is 16 kg occupying a volume of 0.012 m 3 in reactor 4, ie a reduction in reactor volume of 8.7% and a coke production rate of 222 g / h.
  • the characteristics and composition of the load of wheat straw are identical to those of the wheat straw used in Example 1.
  • the operating conditions are detailed below:
  • the cleaning procedure made it possible to reduce the production rate from 222 g / h in 72 hours to only 39 g / h after a production of 60 h separated by 3 cleanings of 2 hours each.
  • Example 2 It is identical to Example 2 except that the production does not last 20 hours, but 80 hours.
  • the mass of coke C recovered at the end of these three cycles does not exceed 3 kg, or a coke production rate of 41 g / h.
  • the cleaning procedure made it possible to reduce the production rate from 222 g / h in 72 h to only 41 g / h after a 240 hour production separated by 3 cleanings of 2 hours each.
  • the filler is still wheat straw, the characteristics and composition of which are as follows:
  • Reactor temperature 200 ° C
  • TCR poplar wood the characteristics and composition of which are as follows, with the configuration of FIG. 1 with addition of the tank 6 for the preparation of basic liquor, as for example 2:
  • Reactor temperature 200 ° C KOH flow: sufficient to lower the DM to the saturation value of the biomass
  • the cleaning according to the invention avoids having to stop production, with all the drawbacks associated therewith (loss of time, loss of output, heavier operator maintenance), or, at least, allows very complete spacing of complete cleanups with production stoppage.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de traitement à pH acide ou neutre dans un réacteur de traitement (4) d'une biomasse lignocellulosique (P), ledit procédé comprenant une phase de nettoyage en continu du réacteur qui comprend l'introduction d'une solution aqueuse basique (EB) dans ledit réacteur contenant la biomasse en cours de traitement.

Description

PROCEDE DE NETTOYAGE D’UN REACTEUR DE TRAITEMENT D’UNE BIOMASSE
LIGNOCELLULOSIQUE
Domaine technique
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, ou des solvants tels que l’acétone etc...)· Ce procédé comporte différentes étapes, dont 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 cuisson, notamment avec explosion à la vapeur.
Technique antérieure
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 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 peut comprendre 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%), qui est un polysaccharide essentiellement constitué d'hexoses ; l'hémicellulose (20 à 30%), qui est un polysaccharide essentiellement constitué de pentoses ; et la lignine (15 à 25%), 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 sucres monomères et oligomères durant le prétraitement, et la cellulose est convertie en glucose par l’hydrolyse enzymatique. Toutefois, l’accès à la cellulose brute dans le substrat natif reste difficilement accessibles aux enzymes, d’où la nécessité d’un prétraitement. Ce prétraitement permet de modifier les propriétés physico-chimiques de la 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 regroupées sous le terme générique de « cuisson », consistent à chauffer la biomasse à haute température pendant une durée définie. On connaît notamment les cuissons acides, où la biomasse est mise en contact avec une solution acide avant/pendant la cuisson, les cuissons alcalines, où la biomasse est mise en contact avec une solution basique avant/pendant la cuisson. On connaît aussi la cuisson (acide, alcaline ou sans imprégnation) dite par explosion à la vapeur, où la biomasse est soumise à de la vapeur d’eau sous pression.
Il existe aussi des procédés de prétraitement 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, ou encore un mélange de ces composés. 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 ligne solubilisée et une partie des hémicellulose. 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) peuvent être couplés avec l’ajout d’un acide fort (du type H2S04). 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, Renwable Energy 37 (2012) 19-27.
Un des prétraitements les plus efficaces est la cuisson avec explosion à la vapeur mentionnée plus haut, car elle permet une hydrolyse presque totale de l’hémicellulose et une amélioration importante de l’accessibilité et la réactivité de la cellulose aux enzymes. Ce prétraitement peut être précédé/suivi d’autre(s) traitement(s), et c’est celui qui intéressera plus particulièrement l’invention, sans y être limité dans son application cependant.
Il a été mis en évidence que les réacteurs de traitement de la biomasse lignocellulosique, notamment ceux concernant le prétraitement de la biomasse de type par cuisson, étaient enclins à l’encrassement : chauffer le milieu réactionnel dans le réacteur à haute température conduit à la production de différents résidus solides qui viennent adhérer aux parois internes du réacteur. Ces résidus s’accumulent au fur et à mesure, sur un temps plus long que le temps de séjour moyen de la biomasse dans le réacteur. Ils peuvent progressivement engendrer des problèmes opératoires, comme par exemple un risque de bouchage de la sortie du réacteur, une plus grande difficulté à transporter la biomasse au sein du réacteur, et, de manière générale, leur présence impacte négativement les performances du réacteur.
Une première solution apportée pour supprimer ces résidus a consisté à vider le réacteur, à l’arrêter donc, et à l’ouvrir, pour opérer un nettoyage des parois internes du réacteur par action mécanique et/ou hydraulique, c’est-à-dire par grattage des parois et/ou par envoi d’eau sous pression à plusieurs centaines de bars. Cette procédure est certes efficace, mais elle est consommatrice de temps et d’énergie : elle contraint non seulement à arrêter le réacteur, mais aussi à attendre son refroidissement (la cuisson se fait à une température supérieure à 100°C et sous pression), puis à l’ouvrir, à opérer le nettoyage, à refermer le réacteur et à le remettre en température avant de relancer la production.
L’invention a alors pour but de remédier à ces inconvénients. Plus précisément, l’invention a pour but de mettre au point un procédé pour éliminer tout ou partie de ces résidus, qui soit efficace tout en réduisant les temps d’immobilisation du réacteur et les dépenses
énergétiques utilisées pour le mettre en oeuvre. Résumé de l’invention
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement à pH acide ou neutre dans un réacteur de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ledit procédé comprenant une phase de nettoyage en continu du réacteur qui comprend l’introduction d’une solution aqueuse basique dans ledit réacteur contenant la biomasse en cours de traitement.
On comprend par « traitement » dans le cadre de l’invention toute étape visant à modifier une caractéristique au moins de la biomasse. Il peut s’agir, notamment, d’un prétraitement, terme connu dans le domaine du traitement de la biomasse lignocellulosique, ayant pour but de la préparer à une hydrolyse enzymatique.
Le pH de la solution aqueuse basique avant introduction dans le réacteur est de préférence supérieur ou égal à 9, notamment supérieur ou égal à 10 ou 11 , et avantageusement d’au moins 12, notamment compris entre 12,5 et 13,5.
L’invention a ainsi mis au point un procédé de nettoyage du réacteur qui s’est avéré très efficace pour supprimer tout, ou quasiment tout, le résidu solide des parois. Il s’agit donc, selon l’invention, d’opérer le nettoyage avec une solution aqueuse basique (qui pourra aussi être désignée par la suite par le terme « liqueur » basique), par exemple une solution contenant du KOH, du NaOH ou tout autre base minérale ou organique, pendant le traitement même de la biomasse : le nettoyage se fait en maintenant l’alimentation en biomasse du réacteur. Le nettoyage du réacteur est donc effectué avec un réacteur au moins partiellement rempli de biomasse, qui a pu, préalablement à son prétraitement dans le réacteur en question, être pré-imprégnée d’une solution aqueuse acide, neutre ou oxydante.
Le nettoyage selon l’invention se fait par deux actions conjuguées : il est d’abord chimique, avec l’action de la solution basique qui s’est révélée apte à décoller et/ou dissoudre les résidus solides collant aux parois internes du réacteur, mais il est également mécanique, les particules de biomasse exerçant un effet abrasif, en plus, sur lesdits résidus.
C’est un procédé nettement plus simple à mettre en oeuvre qu’un nettoyage mécanique ou hydraulique : en effet, il peut s’effectuer sans avoir à ouvrir le réacteur, puisqu’il suffit de prévoir les arrivées/sorties de solution aqueuse basique (ou de réutiliser des arrivées/sorties de fluide déjà présentes). Il s’effectue sans même avoir à arrêter la production en biomasse prétraitée : de façon surprenante, il s’est en effet avéré que la présence de biomasse avait un effet abrasif, donc positif vis-à-vis du nettoyage du réacteur comme mentionné plus haut, mais surtout il s’est également avéré que la biomasse qui se trouve dans le réacteur avec la solution basique n’affectait pas la suite du procédé : le traitement se poursuit pendant la phase de nettoyage.
En outre, contrairement au nettoyage mécanique/hydraulique avec ouverture du réacteur, il n’est pas nécessaire d’attendre le refroidissement du réacteur pour opérer le nettoyage. Au contraire, il s’est même avéré qu’effectuer le nettoyage pendant le prétraitement à chaud, du type cuisson (avec ou sans explosion à la vapeur) était très favorable au décollement des résidus. Le réacteur pouvant rester chaud pendant le nettoyage, il n’y a pas besoin de remise en température de celui-ci, puisqu’il n’y a pas d’arrêt de production, donc pas de redémarrage non plus à prévoir sur le plan thermique.
Avantageusement, on peut prévoir de chauffer la solution aqueuse basique avant son introduction dans le réacteur de traitement, notamment à une température d’au moins 40°C, notamment d’au moins 80°C et par exemple d’au plus 120°C ou 100°C. Il a été constaté que la solution basique était efficace plus rapidement si elle était ainsi préchauffée hors du réacteur.
Avantageusement encore, l’introduction de la solution basique dans le réacteur de traitement peut s’effectuer dans le réacteur de prétraitement dont le volume intérieur est à une température d’au moins 120°C, notamment d’au moins 140°C. Elle est de préférence d’au plus 240 ou 220°C. Cette température interne du réacteur peut être celle à laquelle le prétraitement est réalisé de manière conventionnelle, notamment par cuisson. L’effet de la solution basique sur les résidus solides collés aux parois du réacteur est en effet amplifié quand la solution/le réacteur sont chauds.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on introduit la biomasse dans le réacteur de traitement par un moyen d’amenée avec mise sous pression, du type vis convoyeuse conique, qui est lavé par une solution aqueuse, et on recycle cette solution de lavage. On peut recycler de différentes façons ce « pressât », par exemple comme appoint d’eau pour préparer une solution aqueuse de pH acide ou neutre qui est utilisée optionnellement, avant le traitement de la biomasse selon l’invention, afin de l’imprégner d’eau et/ou d’en modifier le pH.
On diminue ainsi la consommation en eau, accrue, du procédé de traitement de l’invention, qui est due à l’utilisation d’une solution aqueuse basique de nettoyage.
De préférence, la phase de nettoyage du réacteur de traitement avec la solution basique a une durée comprise entre 15 minutes et 8 heures, notamment entre 1 et 3 heures. Cette durée n’est donc pas très longue, et peut être modulée en fonction de la fréquence avec laquelle le réacteur est nettoyé.
De préférence, lors de la phase de nettoyage du réacteur de traitement, le temps de séjour dans le réacteur de traitement de la biomasse imprégnée de solution aqueuse basique est compris entre 5 et 15 minutes. C’est donc un temps de séjour assez court, qui est ajusté par les conditions de mise en oeuvre du réacteur. Ainsi, quand la biomasse est convoyée de son point d’entrée à son point de sortie dans le réacteur par une ou plusieurs vis de convoyage internes au réacteur, on peut régler ce temps de séjour en réglant la vitesse de rotation d’au moins une de ces vis de convoyage internes.
Lors de la phase de nettoyage du réacteur de traitement, le débit de la solution aqueuse basique en entrée dudit réacteur est de préférence réglé de manière à ce que la teneur en matière sèche MS de la biomasse diminue significativement lors de son passage dans le réacteur, de par exemple une valeur de 30 à 60% MS, notamment de 50% MS, à une valeur de 15 à 25% MS, notamment de 20% MS. En effet, la solution aqueuse basique va avoir un premier rôle, qui est d’imprégner d’eau la biomasse entrante dans le réacteur jusqu’à la saturation de la biomasse en liquide.
Dans tout le présent texte, l'acronyme "MS" désigne le taux de matière sèche qui est mesurée selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Détermination of Total Solids in Biomass”.
Ensuite, et c’est son second rôle, on règle de préférence la concentration en base (KOH par exemple) de la solution aqueuse basique de façon à augmenter le pH de la biomasse entrant dans le réacteur depuis une gamme de pH acide comprise entre 0,5 et 3, de préférence au voisinage de 3, vers une gamme de pH basique comprise entre 8 et 14, de préférence au voisinage de 13. (On est alors dans le cas de figure d’un prétraitement d’une biomasse pré imprégnée d’une liqueur acide, et qu’il faut donc basculer à un pH basique pour effectuer le nettoyage selon l’invention.)
En jouant sur le débit et la concentration en base de la solution, on peut saturer en eau et remonter le pH de la biomasse, les quantités précises de solution basique consommées lors d’un nettoyage dépendant naturellement de la taille du réacteur et des caractéristiques de la biomasse entrant dans le réacteur.
De préférence, le taux de remplissage du réacteur par la biomasse pendant le traitement est compris entre 20 et 80% ou 90%. Pendant la phase de nettoyage, ce taux de remplissage peut être maintenu dans cette fourchette, et même, de préférence, (un peu) augmenté (par exemple en diminuant la vitesse de rotation de la vis ou d’au moins une des vis internes de convoyage du réacteur quand il en possède), ce qui tend à améliorer la qualité du nettoyage.
La phase de nettoyage en continu du réacteur de traitement est réalisée selon une fréquence donnée et/ou quand il y a dépassement d’une valeur-seuil d’une caractéristique physico-chimique ou rhéologique du milieu réactionnel dans ledit réacteur. Cette
caractéristique peut être mesurée ou évaluée de façon directe ou indirecte. Il peut s’agir, par exemple, d’un seuil de puissance du moteur utilisé pour faire tourner une vis de convoyage dans le réacteur, pour faire tourner des moyens d’agitation dans le réacteur ou toute autre pièce mobile dans celui-ci.
Selon un mode de réalisation, on peut changer une des caractéristiques physiques, chimiques ou rhéologiques ou la nature de la biomasse alimentant le réacteur de traitement pendant au moins une partie de sa phase de nettoyage. En effet, il peut être intéressant, le temps du nettoyage, d’alimenter le réacteur de traitement avec une biomasse avec un pouvoir abrasif supérieur à la biomasse utilisée pendant le reste du temps de production. On peut par exemple, ainsi, remplacer de la biomasse de type paille pendant la production par une biomasse de type peuplier pendant le nettoyage.
Avantageusement, le traitement selon l’invention est un prétraitement au sens conventionnel dans le traitement de la biomasse, et ce prétraitement est une cuisson avec explosion à la vapeur. La vapeur séparée de la biomasse dans un dispositif de séparation de type cyclone en sortie du réacteur de traitement, peut être épuisée thermiquement, au moins en partie, avec l’aide d’un échangeur thermique, pour chauffer la ou une des solutions aqueuses utilisées dans ledit procédé. Une fois la chaleur extraite de la vapeur, celle-ci condense, au moins en partie : on peut alors récupérer le condensât, notamment via un condenseur, et l’utiliser en appoint d’eau dans le procédé (eau de lavage des diverses vis de convoyage externes aux réacteurs, eau de préparation de liqueur basique ou acide...)
Le prétraitement peut s’effectuer par cuisson, avec ou sans explosion à la vapeur.
Selon un mode de réalisation préféré, on imprègne la biomasse avec une solution aqueuse acide dans un réacteur d’imprégnation, avant son introduction dans le réacteur de prétraitement. Les deux réacteurs peuvent être montés en série et fonctionner en continu.
Le fait que, temporairement, la biomasse acidifiée soit mise en contact avec une solution basique dans le réacteur de prétraitement n’a pas affecté significativement le fonctionnement du procédé en aval du réacteur de traitement .
Selon un mode de réalisation, pendant au moins une partie de la phase de nettoyage en continu du réacteur de prétraitement, on diminue ou on supprime la teneur en acide de la solution aqueuse acide mise en contact avec la biomasse lors de son imprégnation préalable dans le réacteur d’imprégnation. On peut ainsi réduire la quantité de base nécessaire à la préparation de la solution basique de nettoyage, puisque la quantité d’acide contenue dans la biomasse à neutraliser est ainsi moins élevée.
Selon un autre mode de réalisation, pendant au moins une partie de la phase de nettoyage en continu du réacteur de prétraitement, on remplace la solution aqueuse acide mise en contact avec la biomasse, lors de son imprégnation préalable dans le réacteur
d’imprégnation, par une solution aqueuse basique, notamment la même que celle qui est injectée pendant ladite phase dans le réacteur de prétraitement : on peut ainsi encore réduire la consommation de base nécessaire au nettoyage par rapport au mode de réalisation précédent. On peut également la remplacer par une solution aqueuse de pH neutre, toujours pour la même raison. Selon une variante, on utilise plusieurs, notamment deux, réacteurs d’imprégnation en parallèle pour imprégner la biomasse avec une solution aqueuse avant son introduction dans le réacteur de prétraitement : un premier réacteur d’imprégnation est alimenté en solution aqueuse acide ou en solution aqueuse de pH neutre, et un deuxième réacteur
d’imprégnation est alimenté en solution aqueuse basique, les deux réacteurs fonctionnant en alternance, le deuxième réacteur étant opérationnel pendant au moins une partie de la phase de nettoyage du réacteur de prétraitement. Cette variante permet de mettre en oeuvre les modes de réalisation précédents, en modifiant le type d’imprégnation de la biomasse avant son prétraitement quand le réacteur de prétraitement passe en mode nettoyage, en basculant l’arrivée de biomasse à imprégner d’un réacteur d’imprégnation à l’autre.
De préférence, on peut réaliser une séparation entre biomasse et phase aqueuse sous forme liquide ou vapeur en sortie du réacteur de prétraitement, par un dispositif de séparation ou plusieurs dispositifs de séparation en parallèle, notamment deux dispositifs de séparation, fonctionnant en alternance. Il peut s’agir d’équipements de type cyclones.
Comme précédemment pour les deux réacteurs d’imprégnation en parallèle, utiliser plusieurs dispositifs de séparation en parallèle permet de réduire la période de transition entre le mode production et le mode production + nettoyage du réacteur de prétraitement : avec deux dispositifs en parallèle, un des deux dispositifs peut être dédié à la séparation de la biomasse prétraitée « basique » (celle prétraitée pendant le nettoyage), en ne séparant que la biomasse prétraitée pendant le nettoyage, et l’autre dispositif est alors dédié à la séparation conventionnelle de la biomasse prétraitée avec imprégnation acide ou neutre (celle prétraitée hors période de nettoyage).
La phase de nettoyage du ou des dispositifs de séparation comprend avantageusement, après l’introduction de la solution aqueuse basique dans le réacteur de prétraitement, au moins un rinçage du dispositif de séparation ou d’un des dispositifs de séparation par une solution aqueuse, notamment entre 1 et 10 rinçages successifs. Ce ou ces rinçages ont pour but de nettoyer le séparateur de traces de biomasse « basique » avant de repasser en mode de production conventionnel.
Quand on utilise plusieurs dispositifs de séparation en parallèle, fonctionnant en alternance, en sortie du réacteur de prétraitement, on peut réaliser le rinçage d’un des dispositifs de séparation en discontinu, pendant que le ou les autres dispositifs de séparation continuent de fonctionner et de séparer la biomasse en sortie du réacteur de prétraitement.
On peut recycler la solution aqueuse de rinçage du ou des dispositifs de séparation, notamment celui qui sera dédié à la séparation de la biomasse prétraitée « basique », pour préparer la solution aqueuse basique. On diminue ainsi la consommation en base du nettoyage selon l’invention.
Quand le procédé n’utilise qu’un seul dispositif de séparation, il est effectivement rincé, mais l’eau de rinçage peut être évacuée du dispositif avec le reste de la biomasse pour continuer le procédé en aval, sans avoir besoin de l’extraire ou de la recycler.
L’invention a également pour objet un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique comprenant les étapes suivantes: - la préparation d’une liqueur d’imprégnation contenant un catalyseur, notamment acide, - l’introduction de la biomasse dans un réacteur d’imprégnation pour être imprégnée par la liqueur d’imprégnation, - le transfert de la biomasse imprégnée dans un réacteur de prétraitement pour y subir un prétraitement par cuisson, - l’hydrolyse enzymatique de la biomasse prétraitée, - la fermentation alcoolique du moût d’hydrolyse enzymatique obtenu, tel que le procédé est réalisé en continu sur tout ou partie desdites étapes, et tel qu’on opère un nettoyage du réacteur d’imprégnation sans interrompre sa production en biomasse prétraitée.
L’invention a également pour objet une installation de mise en oeuvre du procédé tel que décrit plus haut, installation qui comprend d’amont en aval :
- un réacteur d’imprégnation de biomasse lignocellulosique en connexion fluidique avec une cuve de préparation d’une solution aqueuse acide,
- un réacteur de prétraitement la biomasse imprégnée, en connexion fluidique avec une cuve de préparation d’une solution aqueuse basique, et
- un dispositif de séparation de la biomasse prétraitée en aval du réacteur de prétraitement et qui est associé à des moyens de rinçage par une solution aqueuse.
La mise en oeuvre de l’invention proposée ajoute donc simplement à l’installation existante une cuve de préparation de la solution basique, qui pourra être alimentée en eau, en base concentrée (KOH, NaOH par exemple, ou toute autre base minérale ou organique), et Il
éventuellement en eau/solution basique recyclée. Cette cuve est équipée de moyens connus pour, notamment, maintenir constant le pH de la solution, par ajout de base (KOH) et/ou d’eau. La cuve peut également être munie de moyens chauffants pour amener/maintenir la solution basique à la température voulue avant introduction dans le réacteur. Les moyens chauffants peuvent, alternativement ou cumulativement, être prévus sur les moyens de connexion fluidique, type conduites, amenant la solution basique depuis la cuve vers le réacteur.
L’installation en question peut utiliser deux réacteurs d’imprégnation et/ou deux dispositifs de séparation et/ou deux réacteurs de prétraitement, fonctionnant en alternance selon que le réacteur de prétraitement est en phase de nettoyage ou non.
L’invention a également pour objet toute installation de mise en oeuvre du procédé de traitement de biomasse mentionné plus haut, telle que cette installation comprend, successivement : - un réacteur d’imprégnation alimenté en solution d’imprégnation par une cuve de préparation de ladite solution, et en biomasse, - un réacteur de prétraitement de la biomasse imprégnée que l’on peut alimenter en solution aqueuse basique par une cuve de préparation de ladite solution, - un réacteur d’hydrolyse enzymatique, et - un réacteur de fermentation alcoolique, l’ensemble des réacteurs étant montés en série, ou au moins deux d’entre eux.
L’invention a également pour objet l’utilisation du procédé ou de l’installation décrits plus haut pour le traitement de biomasses 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.
Liste des figures
La figure 1 représente le schéma bloc du procédé de nettoyage selon l’invention d’un réacteur de prétraitement de biomasse s’insérant dans un procédé de prétraitement de biomasse.
La figure 2 représente une première variante du procédé selon la figure 1.
La figure 3 représente une deuxième variante du procédé selon la figure 1 .
La figure 4 représente une troisième variante du procédé selon la figure 1. La figure 5 représente une quatrième variante du procédé selon la figure 1 .
La figure 6 représente une cinquième variante du procédé selon la figure 1 .
La figure 7 représente une sixième variante du procédé selon la figure 1.
La figure 8 représente une septième variante du procédé selon la figure 1.
La figure 9 représente une huitième variante du procédé selon la figure 1.
La figure 10 représente une neuvième variante du procédé selon la figure 1 .
La figure 1 1 représente une dixième variante du procédé selon la figure 1 .
Description des modes de réalisation
Les figures sont très schématiques, les mêmes références correspondent aux mêmes composants d’une figure à l’autre. Les réacteurs sont représentés dans la position spatiale qu’ils occupent sensiblement en position opérationnelle.
Le procédé de nettoyage d’un réacteur de traitement de biomasse est ici illustré dans le cadre d’un procédé de traitement de biomasse destiné à produire des alcools, notamment du biocarburant du type bioéthanol, selon les étapes du procédé selon la figure 1 , décrit rapidement ci-dessous.
Il s’agit d’un prétraitement, au sens connu dans le domaine de la conversion de la biomasse lignocellulosique. Un mode de réalisation de ce procédé est décrit plus en détails, par exemple, dans le brevet WO 2018/015227 auquel on se rapportera au besoin.
Il est à noter que le procédé de nettoyage selon l’invention peut s’appliquer de la même manière à tout réacteur de prétraitement de biomasse, et, de façon plus générale, à tout réacteur qui est destiné à traiter une biomasse lignocellulosique, le traitement ayant pour objet de modifier une de ses caractéristiques chimiques, physiques ou rhéologiques, et étant généralement opéré à température élevée.
Le procédé de traitement de biomasse ici pris en exemple et représenté à la figure 1 comporte une première étape d’imprégnation de la biomasse dans un réacteur vertical 3, suivie d’une étape de prétraitement de la biomasse une fois imprégnée dans un réacteur d’explosion à la vapeur 4 horizontal.
Ces étapes du procédé sont réalisées en continu et sont détaillées ci-dessous à l’aide de la description des équipements utilisés pour le mettre en oeuvre :
- Une cuve de préparation 1 d’une liqueur d’imprégnation contenant un catalyseur chimique est prévue, qui est constituée à partir d’eau E et de catalyseur A qui viennent l’alimenter, le catalyseur est en l’occurrence un acide fort de type acide sulfurique concentré en phase aqueuse, cette cuve permettant d’alimenter le réacteur d’imprégnation 3 en un mélange d’eau E et de catalyseur chimique A,
- Une vis conique 2 (appelée aussi sous la terminologie anglo-saxonne « plug screw » ou « sealing screw ») d’alimentation en biomasse fraîche (ici de la paille de blé P) dans le réacteur d’imprégnation 3,
- Une alimentation en liqueur d’imprégnation du réacteur reliant la cuve de préparation de liqueur 1 et le réacteur d’imprégnation 3,
- Un réacteur d’imprégnation 3 équipé de deux vis de transport ascendant (non
représentées) permettant à la biomasse de passer de la zone d’imprégnation en partie inférieure du réacteur à la zone d’égouttage en partie supérieure du réacteur, et d’amener la biomasse imprégnée et égouttée en sortie de réacteur située en haut du réacteur.
Cette biomasse imprégnée et égouttée est ensuite envoyée au prétraitement par une alimentation débouchant dans une deuxième vis conique 2’.
- Cette deuxième vis conique 2’ alimente en biomasse imprégnée un réacteur de
prétraitement 4,
- Le réacteur de prétraitement 4 traite la biomasse imprégnée par explosion à la vapeur,
- Un circuit d’eau de lavage des vis coniques 2,2’ du réacteur d’imprégnation 3 et du réacteur de prétraitement 4, représentés symboliquement à la figure 1 par des arrivées d’eau E au niveau desdites vis, est prévu
- Un moyen de séparation de la vapeur 5 est alimentée par le réacteur 4 en biomasse ayant subi la cuisson par explosion à la vapeur, de type cyclone par exemple, avec en sortie haute de la vapeur V et en sortie basse la biomasse prétraité/explosée, appelée aussi moût (ou marc) M.
Ce moût M présente à ce stade une accessibilité de la cellulose aux enzymes suffisante pour être traité par hydrolyse enzymatique pour la production de sucres 2G. Les conditions de l’hydrolyse enzymatique et de la fermentation consécutive ou simultanée qui suivent cette séparation (non représentées à la figure 1 ) sont adaptées aux produits souhaités et sont connues de l’homme du métier.
L’utilisation de la technique de prétraitement décrite plus haut conduit au dépôt de différents types de biomasse (de la paille de blé ici, mais aussi miscanthus, peuplier, etc.), qui s’accumulent/adhérent à la surface d’au moins une des vis de transport internes au réacteur de prétraitement 4. Ces dépôts subissent une cuisson sur des temps plus longs que le temps de séjour normal de la biomasse dans le réacteur, et se transforment en un résidu, qu’on peut appeler ici « coke ». Ce « coke » peut créer divers problèmes opératoires, comme des bouchages de l’orifice de sortie du réacteur 4, une augmentation des frottements de la ou des vis de transport en question sur la paroi de l’enceinte dans laquelle elles sont logées, et il peut en résulter une réduction des performances de l’unité de prétraitement dans son ensemble telle que représentée à la figure 1.
La définition de la composition du « coke » s’est avérée délicate, car il s’agit d’un résidu dont l’aspect et la composition évoluent au fur et à mesure du temps : au début d’un cycle de production, la matière qui se dépose est de la biomasse, elle a donc essentiellement les mêmes caractéristiques que la biomasse qui continue son parcours au travers du réacteur 4 et vers les étapes aval. Le dépôt qui se constitue par adhérence à la paroi interne du réacteur 4 va rester un temps beaucoup plus long dans les conditions de cuisson
(température notamment) que souhaité. L’effet de la température affecte la composition et la morphologie du résidu, qui va évoluer vers un résidu de plus en plus « cuit ». Plus le résidu est « cuit », plus il est compact et plus il adhère aux parois du réacteur.
Ces dépôts de « coke » sont cumulatifs : plus le temps d’opération de l’outil en continu est long, plus la quantité de coke déposée sera importante, et plus les « couches » de coke proches de la paroi vont évoluer vers un solide très dur. Ces dépôts provoquent donc un phénomène d’encrassement, en augmentant l’épaisseur des parois et en diminuant le volume utile du réacteur. Selon la configuration du réacteur de cuisson, et notamment le type d’interne en place, on peut constater une gêne à la rotation de certains éléments comme la vis , ou l’une au moins des vis de transport de la biomasse dans le réacteur en cours de cuisson. Cette gêne s’observe notamment par une montée de la puissance du moteur faisant tourner la vis.
Tout au long de la production, il peut aussi arriver qu’une partie de ce résidu, plus ou moins durcie, se décroche de la paroi du réacteur, sous l’effet, par exemple, de la rotation de la vis ou d’une au moins des vis de transport internes au réacteur ou du passage de la
biomasse au travers du réacteur: ainsi, des particules de densité bien supérieure au lit de biomasse en cours de cuisson peuvent être amenées à se détacher et à être entraînées vers l’orifice de sortie du réacteur, ce qui peut générer des bouchages ou des problèmes opératoires en aval. Malgré ces décrochages, on constate que les dépôts continuent d’augmenter au cours du temps pendant un cycle de production donné. Après arrêt, refroidissement et ouverture du réacteur 4 de cuisson, on a pu constater que le coke se présente sous deux formes : une forme dure au contact direct des parois internes du réacteur et une forme plus friable qui recouvre le coke dur. La différence entre ces deux cokes se trouve dans leurs compositions élémentaires, comme indiqué dans le tableau 1 ci- dessous.
Figure imgf000016_0001
On constate que le pourcentage en carbone contenu dans le coke dur est plus élevé que celui dans le coke friable, tandis qu’on note une tendance inverse pour la teneur en oxygène, et des valeurs similaires pour la teneur en hydrogène. Il en ressort que le coke friable est en quelque sorte le précurseur du coke dense.
L’invention consiste à poursuivre le fonctionnement des deux réacteurs d’imprégnation 3 et de prétraitement 4, tout en procédant au nettoyage chimique du réacteur 4 afin d’extraire ce coke C et/ou d’en ralentir la formation.
Ce nettoyage ne nécessite pas l’ouverture du réacteur et le nettoyage mécanique de l’intérieur du réacteur comme c’était le cas précédemment. Ce nettoyage selon l’invention, détaillé plus bas, est donc plus rapide, plus économique et plus sécuritaire, puisqu’il permet de limiter les risques opératoires liés au montage et démontage de l’unité, et, surtout, puisqu’il permet de ne pas stopper la production.
Un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l’invention et ses variantes sont expliqués à l’aide de l’ensemble des figures. Il nécessite les équipements supplémentaires suivants, par rapport à ceux déjà décrits, au vu de la figure 1 :
- Une cuve de préparation 6 d’une liqueur de nettoyage EB contenant une base. Cette cuve 6 permet d’alimenter le réacteur de prétraitement 4 en solution basique à une certaine concentration. Elle est alimentée en eau E et en base B (par exemple d’une base B sous forme d’une solution aqueuse concentrée en KOH), dont l’appoint est ajusté pour obtenir une liqueur en quantité voulue et à la concentration en base/au pH voulu.
- Une alimentation en liqueur de nettoyage du réacteur 4 reliant la cuve de préparation de liqueur de nettoyage 6 et le réacteur de prétraitement 4 à nettoyer, en la préchauffant le cas échéant par des équipements ad hoc (résistances chauffantes entourant les conduites par exemple), avec des équipements adaptés pour injecter la liqueur de nettoyage dans le réacteur 4 sous pression,
- Une arrivée d’eau de rinçage ER pour le cyclone 5.
Le déroulement de l’exemple de réalisation du procédé de nettoyage selon l’invention comprend deux séquences consécutives :
- Séquence 1 : Injection de la liqueur basique EB chauffée préalablement dans le réacteur 4 en cours d’alimentation du réacteur avec la biomasse acide.
Les conditions de l’injection sont les suivantes :
- la solution basique EB est une solution aqueuse de KOH, avec une concentration en KOH de 1 à 50% poids de KOH, de préférence de 5 à 12% poids de KOH , par rapport à l’eau
- le débit de la solution EB dans le réacteur est compris entre 100 et 500 kg/h, notamment d’environ 300 kg/h
- le taux de remplissage par la biomasse imprégnée avec la solution basique EB du réacteur 4 est de 20 à 90%, notamment d’environ 30%
- la température à laquelle la solution EB est injectée dans le réacteur 4 est comprise entre 80°C et 200°C, notamment d’environ 130°C
- la température du réacteur 4 est comprise entre 150 et 220°C, notamment d’environ 200°C
- la durée de cette séquence est compris entre 15 minutes et 8 heures, elle est notamment de 2 heures
- le temps de séjour de la solution EB dans le réacteur 4 est compris entre 5 et 15 minutes, et notamment d’environ 10 minutes.
- Séquence 2 : Nettoyage du cyclone 5 par la réalisation d’un rinçage à l’eau ER pour terminer le nettoyage. On peut parler de « flush d’eau », dans la mesure où le rinçage consiste, dans cet exemple de réalisation, à projeter sous pression de l’eau dans le cyclone, eau qui est ensuite rapidement évacuée.
Les conditions opératoires de cette séquence sont les suivantes :
- nombre de rinçages : de 1 à 10, par exemple égal à 2
- température de l’eau de rinçage : 20°C à 80°C, par exemple de 20°C (donc soit une température à l’ambiante ou proche de l’ambiante, soit une température plus élevée nécessitant un préchauffage de l’eau de rinçage ER) En phase de nettoyage, on obtient en sortie du cyclone 5 un moût qui n’est plus le moût acide M conventionnel, mais un moût basique M1 .
La fréquence de la procédure de nettoyage peut varier largement en fonction du type et de la taille du réacteur de prétraitement 4, du type de biomasse traitée... Par exemple, le nettoyage peut être déclenché quand le couple d’une des vis de transport internes au réacteur augmente de plus de 15% par rapport au couple observé en début de production. Il peut aussi être déclenché au bout d’une période donnée, qui peut aller de 2 heures à 4 mois de production.
Différentes variantes peuvent être apportées à l’exemple de procédé de nettoyage décrit plus haut, tout en restant dans le cadre de l’invention, dont certaines sont détaillées ci- dessous (certaines au moins de ces variantes peuvent être alternatives ou cumulatives) :
A- En cours de nettoyage, la concentration en acide A de la cuve de préparation 1 de la liqueur d’imprégnation peut être réduite jusqu’à une concentration nulle éventuellement, soit, in fine, une imprégnation qui ne se fait plus qu’avec de l’eau.
B- L’eau de lavage E de la vis 2’ (qui est neutre) amenant la biomasse imprégnée dans le réacteur 4 peut être recyclée dans la cuve de préparation 6 de la solution basique EB pendant le nettoyage, ce qui permet de réduire la consommation en eau supplémentaire due au nettoyage, comme représenté en figure 2.
C- On peut réaliser une imprégnation de la biomasse avec une liqueur basique pendant la séquence de nettoyage, soit avec la même liqueur basique EB que celle préparée dans la cuve 6, soit une liqueur basique différente, notamment en termes de concentration en base B. Cette variante permet de réduire la quantité de solution basique pure à introduire dans le réacteur de prétraitement 4, puisqu’il n’y aura plus, ou moins, d’acide à neutraliser pour arriver au pH basique visé. Cependant, une certaine quantité de liqueur basique sera éliminée dans le pressât (qui correspond à l’eau extraite de la vis 2’ )
Ainsi, il peut rester nécessaire de faire un appoint de liqueur basique EB directement dans le réacteur 4 (via la cuve 6).
La figure 3 illustre cette variante : la cuve 6 de préparation de liqueur basique EB a toujours deux entrées, une pour la base B concentrée (KOH concentré), l’autre pour l’eau, mais ici elle a aussi deux sorties : une sortie vers le réacteur de prétraitement comme précédemment et une sortie vers le réacteur d’imprégnation 3. Avec cette configuration, on peut alimenter le réacteur d’imprégnation 3 soit avec la solution acide EA depuis la cuve 1 en mode production, soit avec la solution basique EB depuis la cuve 6 en mode production + nettoyage.
La cuve 6 peut ainsi alimenter simultanément les deux réacteurs 3 et 4, ou au moins pendant une période commune pendant le nettoyage du réacteur 4. Il est également possible d’anticiper et de commencer à alimenter en solution basique EB l’un des réacteurs avant l’autre, notamment le réacteur d’imprégnation 3 avant le démarrage du nettoyage par la solution EB du réacteur de prétraitement 4.
D- On peut aussi combiner les deux variantes précédentes, comme représenté à la figure 4, avec, à la fois, le recyclage du pressât (basique) en sortie de la vis 2’ dans la cuve 6 de préparation de liqueur basique EB, et l’alimentation par cette même cuve 6 des deux réacteurs 3 et 4 pendant au moins une partie du nettoyage. L’imprégnation de la biomasse, pendant le nettoyage, est réalisée avec de la liqueur basique en changeant de récateur d’imprégnation pendant le nettoyage.
E- On peut aussi utiliser deux réacteurs d’imprégnation 3, 3’ fonctionnant en alternance, comme représenté en figure 5. Comme dans la variante C, on imprègne la biomasse non pas avec une liqueur acide EA mais avec une liqueur basique EB pendant au moins une partie du nettoyage du réacteur voire également un peu avant, de la façon suivante : en mode production, la biomasse est amenée dans le réacteur 3 de prétraitement alimentée en liqueur acide par la cuve 2, et en mode production + nettoyage (pendant tout ou partie du nettoyage), la biomasse est re-routée vers l’imprégnateur 3’, qui, lui, est alimenté en liqueur basique EB depuis la cuve 6. On utilise donc un second réacteur d’imprégnation 3’ dédié pour le nettoyage. Ce mode de réalisation présente l’avantage, par rapport à la variante C, de réduire les temps de transition entre imprégnations acides et imprégnations basiques.
F- On peut combiner les variantes E et B, c’est-à-dire utiliser les deux réacteurs
d’imprégnation 3 ;3’ et recycler l’eau extraite de la vis 2’ dans la cuve 6 de préparation de liqueur basique EB.
G- On peut recycler le moût (appelé aussi marc), notamment dans le contexte de la variante E à deux réacteurs d’imprégnation : la biomasse prétraitée basique M1 qui sort du dispositif de séparation 5 pendant le nettoyage du réacteur de prétraitement 4. En effet, pendant cette période, il est basique. On peut alors laver ce moût M1 en sortie du dispositif de séparation 5 avec de l’eau, il devient un moût basique lavé M1’, comme représenté en figure 6, et en extraire une phase aqueuse basique E1 qui est recyclée dans la cuve 6 de préparation de la liqueur basique. L’imprégnation , pendant le nettoyage, est réalisée avec une liqueur basique en changeant de réacteur d’imprégnation et de cuve de préparation de liqueur.
H- Une autre variante consiste à utiliser deux dispositifs de séparation 5,5’ (cyclone) fonctionnant en alternance, comme représenté en figure 7 : on ajoute un cyclone 5’ qui est dédié au traitement du marc basique M1. En mode de production, le cyclone 5 est opérationnel, il traite un marc acide M, en mode production + nettoyage, on bascule la sortie du réacteur 4 vers le second cyclone 5’ qui ne séparera donc que du marc basique M1 . L’avantage de cette variante est de réduire le temps de transition entre les deux modes. La figure 7 combine cette variante avec la variante G : on lave également le marc basique une fois séparé dans le cyclone 5’ pour recycler l’eau de lavage basique E1 vers la cuve de préparation 6 de liqueur basique.
J- Cette variante découle de la variante E à deux réacteurs d’imprégnation 3,3’ précédentes, avec la différence suivante : En mode production, on utilise le réacteur d’imprégnation 3 conventionnel alimenté en solution acide EA par la cuve 1. En mode production + nettoyage, on bascule ici sur le second réacteur d’imprégnation 3’ qui n’est alimenté qu’en eau, comme représenté en figure 8 : pendant le nettoyage, la biomasse n’est donc imprégnée que par une solution aqueuse à pH neutre (et non pas une solution basique EB).
K- L’invention s’applique également à des procédés de prétraitement de biomasse sans pré imprégnation préalable avec une liqueur (on parle alors d’auto-hydrolyse) : dans ce cas, la biomasse P, après avoir éventuellement subi un traitement de type mécanique (broyage...), thermique (séchage), ou humidification, est directement introduite dans le réacteur de prétraitement 4, comme représenté en figure 9.
L- Cette variante, illustrée à la figure 10, combine le recyclage du pressât E1 de la variante E avec celui de l’eau de lavage de la vis 2’ de la variante B vers la cuve 6 de préparation de la liqueur basique EB. On diminue ainsi plus sensiblement à la fois la consommation en eau et en base nécessaire au nettoyage selon l’invention.
M- Cette variante représentée à la figure 1 1 préconise une intégration thermique du procédé, par condensation de la vapeur V en sortie du cyclone 5. Cette vapeur V sert à chauffer la liqueur basique EB circulant dans des conduites entre la cuve 6 et le réacteur de
prétraitement 4 via un échangeur thermique (non représenté). Elle sert également à réduire la quantité d’eau utilisée dans la cuve 6 en récupérant le condensât issu du refroidissement de la vapeur sortant du cyclone, via un condenseur (non représenté).
N- Selon une autre variante, on peut choisir d’injecter de la biomasse imprégnée de liqueur acide EA dans le réacteur de prétraitement 4 depuis le réacteur d’imprégnation 3 en mode production, et injecter directement la biomasse P non imprégnée dans le réacteur de prétraitement 4 en mode production + nettoyage, en stoppant alors l’alimentation en biomasse imprégnée de liqueur acide. O- Selon encore une autre variante, cumulable avec toutes les autres, on peut choisir d’injecter dans le réacteur de prétraitement une biomasse imprégnée donnée en mode production, et d’injecter une autre biomasse, imprégnée ou non d’une liqueur, en mode production + nettoyage. Par exemple, en production, on choisit une biomasse de type paille, et en mode production + nettoyage, on choisit une biomasse plus abrasive, à base de peuplier : on augmente ainsi temporairement, le temps du nettoyage, le caractère abrasif de la biomasse, pour aider à décoller plus facilement les résidus solides de coke des parois.
Exemples
Exemple 1 non conforme à l’invention
Il utilise la configuration présentée à la figure 1 , sans l’ajout de la cuve de préparation d’une liqueur aqueuse basique (KOH) propre à l’invention.
Il concerne un nettoyage mécanique du réacteur de prétraitement avec arrêt de la production et ouverture du réacteur, selon une solution antérieure.
Il a été réalisé avec de la paille de blé comme biomasse. Les caractéristiques et composition de la charge sont les suivantes :
- Matière sèche : 91 ,07 %
- Débit de biomasse : 65 kg MS/h
Les conditions opératoires pour produire de la biomasse prétraitée sont les suivantes:
- Imprégnation pour la production dans le réacteur d’imprégnation 3 :
Débit de solution acide H2S04 : 1 ,5 kg/h (pH d’environ 1 )
- Explosion Vapeur de la biomasse imprégnée dans le réacteur de prétraitement 4 :
Temps de séjour : 5 min
Durée de production : 72 heures
- Nettoyage mécanique selon art antérieur :
Temps de descente en température : 48 heures
Temps d’ouverture et démontage : 8 heures
Temps de nettoyage : 8 heures
Temps de remontage du réacteur : 8 heures
La masse de coke C produite est de 16 kg occupant un volume de 0,012 m3 dans le réacteur 4, soit une réduction du volume de réacteur de 8,7 % et un débit de production de coke de 222 g/h.
Exemple 2 conforme à l’invention :
Il utilise la configuration présentée à la figure 1 , avec l’ajout de la cuve de préparation d’une liqueur aqueuse basique (KOH) propre à l'invention.
Les caractéristiques et composition de la charge en paille de blé sont identiques à celles de la paille de blé utilisée à l’exemple 1 . Les conditions opératoires sont détaillées ci-dessous :
Mode 1 = production :
-Imprégnation pour la production dans le réacteur d’imprégnation 3 :
Débit de solution acide: 1 ,5 kg/h (H2S04)
- Explosion Vapeur de la biomasse imprégnée dans le réacteur de prétraitement 4 :
Temps de séjour : 5 min
Durée de production : 20 heures
Le pressât E1 issu de la vis 2’ est entièrement recyclé vers la cuve 1 de préparation de la solution aqueuse acide.
Après 20 heures de production, la séquence de nettoyage est réalisée dans les conditions suivantes :
Mode 2 = production + nettoyage :
- Imprégnation dans le réacteur d’imprégnation 3 :
Débit de solution acide (solution acide EA): 1 ,5 kg/h (H2S04)
- Explosion Vapeur de la biomasse imprégnée dans le réacteur de prétraitement 4 :
Temps de séjour : 10 min
Température dans le réacteur: 200°C
Débit KOH : suffisant afin de faire baisser la MS jusqu’à la valeur de saturation de la biomasse
Durée du nettoyage : 2 heures
Concentration du KOH dans la liqueur : suffisante afin de passer la biomasse d’un pH de 3 à un pH de 13
Nombre de cycles : 3 cycles de mode 1 (production) et de mode 2 (production + nettoyage)
- Nettoyage du cyclone 5 (dispositif de séparation)
Nombre de « flush » d’eau : 2, après chaque nettoyage
Après 3 cycles de mode 1 + mode 2 , pour une durée totale de production de 66 h (60 heures de production et 6 heures de nettoyage), le nettoyage s’est avéré efficace.
En effet, la masse de coke C récupérée à la fin de la procédure (après ces 3 cycles donc) ne dépasse pas les 3 kg, soit un débit de production de coke de 39 g/h.
Ainsi, la procédure de nettoyage a permis de réduire le débit de production de 222 g/h en 72 heures à seulement 39 g/h après une production de 60 h séparée de 3 nettoyages de 2 heures chacun. Exemple 3 conforme à l’invention :
Il est identique à l’exemple 2 à la différence près que la production ne dure pas 20 heures, mais 80 heures.
Après 3 cycles de production et de nettoyage pour une durée totale de fonctionnement de 246 heures (240 heures de mode production et 6 heures de mode production + nettoyage), le nettoyage s’est avéré efficace.
En effet, la masse de coke C récupérée à la fin de ces trois cycles ne dépasse pas les 3 kg, soit un débit de production de coke de 41 g/h.
Ainsi, la procédure de nettoyage a permis de réduire le débit de production de 222 g/h en 72 h à seulement 41 g/h après une production de 240 heures séparée de 3 nettoyages de 2 heures chacun.
Exemple 4 conforme à l’invention :
La charge est encore de la paille de blé, dont les caractéristiques et composition sont les suivantes :
- Matière sèche : 88,30 %poids
- Débit de biomasse : 65 kg MS/h
Les conditions opératoires sont détaillées ci-dessous :
Mode 1 = production :
- Imprégnation pour la production dans le réacteur d’imprégnation 3 :
Débit de solution acide : 1 ,5 kg/h
- Explosion Vapeur de la biomasse imprégnée dans le réacteur de prétraitement 4 :
Temps de séjour : 5 min
Durée de production : 80 heures
Après 80 heures de production, la séquence de nettoyage est enclenchée dans les conditions suivantes :
Mode 2 = production + nettoyage :
- Imprégnation dans le réacteur d’imprégnation 3 :
Débit de solution acide : 1 ,5 kg/h
- Explosion Vapeur de la biomasse imprégnée dans le réacteur de prétraitement 4 :
Temps de séjour : 10 min
Température du réacteur : 200°C
Débit KOH : suffisant afin de faire baisser la MS jusqu’à la valeur de saturation de la biomasse
Durée du nettoyage : 2 h Concentration du KOH dans la liqueur : suffisante afin de passer la biomasse d’un pH 3 à un pH 13
Nombre de cycles : 8 cycles de mode 1 (production) et de mode 2 ( nettoyage + production)
- Nettoyage du cyclone 5
Nombre de « flush » d’eau : 2
Après ces 8 cycles, pour une durée totale de fonctionnement de 656 heures (640 heures de production et 16 heures de production + nettoyage), le nettoyage s’est avéré efficace.
En effet, au total, 14,96 kg de coke C ont été récupérés, soit un débit de production de coke de 22 g/h.
Exemple 5 conforme à l’invention :
Il a été réalisé avec bois de peuplier TCR, dont les caractéristiques et composition sont les suivantes, avec la configuration de la figure 1 avec ajout de la cuve 6 de préparation de liqueur basique, comme pour l’exemple 2:
- Matière sèche : 55,50 %poids
- Débit de biomasse : 80 kg MS/h
Mode 1 = production :
- Imprégnation pour la production dans le réacteur d’imprégnation 3 :
Débit de solution acide (2,5%poids) : 2,7 kg/h
- Explosion Vapeur de la biomasse imprégnée dans le réacteur de prétraitement 4 :
Temps de séjour : 7,5 min
Durée de production : 60 heures
Après 60 heures de production, la séquence de nettoyage est enclenchée dans les conditions suivantes :
Mode 2 = production + nettoyage :
- Imprégnation dans le réacteur d’imprégnation 3 :
Débit de solution acide (2,5%poids) : 2,7 kg/h
- Explosion Vapeur de la biomasse imprégnée dans le réacteur de prétraitement 4 :
Temps de séjour : 7,5 min
Température du réacteur : 200°C Débit KOH : suffisant afin de faire baisser la MS jusqu’à la valeur de saturation de la biomasse
Durée du nettoyage : 2 h
Concentration du KOH dans la liqueur : suffisante afin de passer la biomasse d’un pH 3 à un pH 13
Nombre de cycles : 3 cycles de mode 1 et de mode 2
- Nettoyage du cyclone 5
Nombre de « flush » d’eau : 2
Après ces 3 cycles, pour une durée totale de fonctionnement de 186 heures (180 heures production et 6 heures de nettoyage), le nettoyage s’est avéré efficace.
En effet, au total, 8 kg de coke ont été récupérés, soit un débit de production de coke de 121 g/h.
En conclusion, le nettoyage selon l’invention évite d’avoir à arrêter la production, avec tous les inconvénients qui y sont liés (perte de temps, perte de rendement, maintenance d’opérateurs plus lourde), ou, tout au moins, permet d’espacer très significativement les nettoyages complets avec arrêt de production.

Claims

Revendications
1 . Procédé de traitement à pH acide ou neutre dans un réacteur de traitement (4) d’une biomasse lignocellulosique (P), ledit procédé comprenant une phase de nettoyage en continu du réacteur qui comprend l’introduction d’une solution aqueuse basique (EB) dans ledit réacteur contenant la biomasse en cours de traitement.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on chauffe la solution aqueuse basique (EB) avant introduction dans le réacteur de traitement (4), notamment à une température d’au moins 40°C, notamment d’au moins 80°C.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’introduction de la solution basique dans le réacteur de traitement (4) s’effectue dans ledit réacteur dont le volume intérieur est à une température d’au moins 120°C, notamment d’au moins 140°C.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase de nettoyage du réacteur de traitement (4) avec la solution basique (EB) a une durée comprise entre 15 minutes et 8 heures, notamment entre 1 et 3 heures.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de la phase de nettoyage du réacteur de traitement (4), le temps de séjour dans ledit réacteur de la biomasse (P) imprégnée de solution aqueuse basique (EB) est compris entre 5 et 15 minutes.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de la phase de nettoyage du réacteur de traitement (4), le débit de la solution aqueuse basique (EB) en entrée dudit réacteur est réglé de manière à ce que la teneur en matière sèche MS de la biomasse (P) diminue lors de son passage dans le réacteur, d’une valeur de 30 à 60% MS, notamment de 50% MS, à une valeur de 15 à 25% MS, notamment de 20% MS.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on règle de la concentration en base de la solution aqueuse basique (EB) de façon à augmenter le pH de la biomasse (P) entrant dans le réacteur (4) depuis une gamme de pH acide comprise entre 0,5 et 3, de préférence au voisinage de 3, vers une gamme de pH basique comprise entre 8 et 14, de préférence au voisinage de 13.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase de nettoyage en continu du réacteur de traitement (4) est réalisée selon une fréquence donnée et/ou quand il y a dépassement d’une valeur-seuil d’une caractéristique physico-chimique ou rhéologique du milieu réactionnel dans ledit réacteur.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on change une des caractéristiques physiques, chimiques ou rhéologiques ou la nature de la biomasse (P) alimentant le réacteur de traitement (4) pendant au moins une partie de sa phase de nettoyage.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement est une cuisson avec explosion à la vapeur, et en ce qu’on épuise thermiquement, au moins en partie, la chaleur de la vapeur (V) en sortie d’un dispositif de séparation (5) disposé en sortie du réacteur de traitement (4), par récupération via un échangeur thermique, pour chauffer la ou une des solutions aqueuses (E, EA,EB) utilisées dans ledit procédé, la portion de vapeur (V) qui est condensée, notamment via un condenseur, étant de préférence recyclée comme appoint d’eau.
1 1 . Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on imprègne la biomasse (P) avec une solution aqueuse acide (EA) dans un réacteur d’imprégnation (3) avant son introduction dans le réacteur de traitement qui est un réacteur de prétraitement (4).
12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en que, pendant au moins une partie de la phase de nettoyage en continu du réacteur de traitement (4), on diminue ou on supprime la teneur en acide de la solution aqueuse acide (EA) mise en contact avec la biomasse lors de son imprégnation préalable dans le réacteur d’imprégnation (3).
13. Procédé selon les revendications 1 1 , caractérisé en ce que, pendant au moins une partie de la phase de nettoyage en continu du réacteur de traitement (4), on remplace la solution aqueuse acide (EA) mise en contact avec la biomasse (P), lors de son imprégnation préalable dans le réacteur d’imprégnation (3), par une solution aqueuse basique (EB), notamment la même que celle qui est injectée pendant ladite phase dans le réacteur de traitement (4), ou par une solution aqueuse (E ) de pH neutre.
14. Procédé selon l’une des revendications précédentes 1 à 10, caractérisé en ce qu’on utilise plusieurs, notamment deux, réacteurs d’imprégnation (3,3’) en parallèle pour imprégner la biomasse (P) avec une solution aqueuse avant son introduction dans le réacteur de prétraitement, un premier réacteur d’imprégnation (3) étant alimenté en solution aqueuse acide (EA) ou en solution aqueuse (E ) de pH neutre, et un deuxième réacteur d’imprégnation (3’) étant alimenté en solution aqueuse basique (EB), les deux réacteurs (3,3’) fonctionnant en alternance, le deuxième réacteur (3’) étant opérationnel pendant au moins une partie de la phase de nettoyage du réacteur de prétraitement (4).
15. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on réalise une séparation entre biomasse (P) et phase aqueuse sous forme liquide ou vapeur en sortie du réacteur de prétraitement (4) par un dispositif de séparation (5), et en ce que la phase de nettoyage comprend, après l’introduction de la solution aqueuse basique (EB) dans le réacteur de prétraitement (4), au moins un rinçage du dispositif de séparation par une solution aqueuse (E ), notamment entre 1 et 10 rinçages successifs.
16. Installation de mise en oeuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend d’amont en aval un réacteur d’imprégnation (3) de biomasse lignocellulosique (P) en connexion fluidique avec une cuve (1 ) de préparation d’une solution aqueuse acide (EA) ou neutre (E ), un réacteur de traitement qui est un réacteur de prétraitement (4) la biomasse imprégnée, en connexion fluidique avec une cuve de préparation (6) d’une solution aqueuse basique (EB), et un dispositif de séparation (5) de la biomasse prétraitée qui est disposé en aval du réacteur de prétraitement (4) et qui est associé à des moyens de rinçage par une solution aqueuse (E).
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