WO2023241996A1 - Procede de traitement d'une biomasse lignocellulosique - Google Patents

Procede de traitement d'une biomasse lignocellulosique Download PDF

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WO2023241996A1
WO2023241996A1 PCT/EP2023/065093 EP2023065093W WO2023241996A1 WO 2023241996 A1 WO2023241996 A1 WO 2023241996A1 EP 2023065093 W EP2023065093 W EP 2023065093W WO 2023241996 A1 WO2023241996 A1 WO 2023241996A1
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biomass
reactor
residue
solid
impregnation
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PCT/EP2023/065093
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Matthieu ARAGONES
Caroline Aymard
Sophie COUDERC
Gilles Ferschneider
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IFP Energies Nouvelles
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    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
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    • C13K13/002—Xylose
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
    • D21C3/04—Pulping cellulose-containing materials with acids, acid salts or acid anhydrides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C5/00—Other processes for obtaining cellulose, e.g. cooking cotton linters ; Processes characterised by the choice of cellulose-containing starting materials
    • D21C5/005—Treatment of cellulose-containing material with microorganisms or enzymes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis

Definitions

  • the invention relates to a process for treating lignocellulosic biomass to produce so-called second generation (2G) sweet juices.
  • These sweet juices can be used to produce other products biochemically (e.g. alcohols such as ethanol, butanol, or other molecules, e.g. solvents such as acetone etc).
  • This process generally comprises three stages which are the preparation of liquor, the impregnation of the biomass with this liquor and the pretreatment of the impregnated biomass, for example by cooking possibly coupled with a 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 softwoods), co-products from agriculture (wheat straw, corn cobs, etc.) or other industries food industry, paper mills, etc.
  • the biochemical transformation process of lignocellulosic biomass into 2G sweet juices notably includes a pretreatment step and an enzymatic hydrolysis step using an enzymatic cocktail. These processes also most often include an impregnation step before pretreatment.
  • the sweet juices resulting from hydrolysis are then treated, for example by fermentation, and the process also includes separation steps and/or a purification step of the final product.
  • Lignocellulosic biomass is composed of three main polymers: cellulose (35 to 50% by weight), which is a polysaccharide essentially made up of hexoses; hemicellulose (20 to 30% by weight), which is a polysaccharide essentially made up of pentoses; and lignin (15 to 25 wt%), which is a polymer of complex structure and 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 in a complex tangle.
  • cellulose and hemicellulose are those that allow the production of 2G sweet juices.
  • hemicellulose is mainly broken down into sugar during pretreatment, and cellulose is converted to glucose by enzymatic hydrolysis.
  • This pretreatment makes it possible to modify the physicochemical properties of the lignocellulosic biomass in order to improve the accessibility of cellulose to enzymes and its reactivity to enzymatic hydrolysis.
  • One of the most effective pretreatments is steam explosion, particularly in acidic conditions, which allows almost total hydrolysis of the hemicellulose and a significant improvement in the accessibility and reactivity of the cellulose to enzymes.
  • This pretreatment may be preceded by other treatment(s).
  • Patents US-8057639 and US-8512512 propose a process comprising a first step of hydrolysis of hemicellulose into C5 sugars under mild conditions thus preserving them from degradation. This step is carried out in a first reactor under a pressure of 1.5 bar (0.15 MPa) or more, by steam injection, at a temperature of 110°C or more, and possibly in the presence of weak acid. After this step, a washing is carried out to extract and recover the sugar juices from the hemicellulose (generally C5 sugars and C6 sugars, the relative proportion of which depends, in particular, on the nature of the biomass) before send the remaining biomass, enriched in cellulose and lignin, to a second stage (second reactor) where the steam explosion takes place. This second reactor operates at a higher pressure than the first reactor with an injection of steam at high pressure which causes a sudden expansion of the biomass (steam explosion).
  • Patent FR 3 075 203 describes a process with impregnation of the biomass with an acidic liquor, then cooking and steam explosion of the impregnated biomass, with adjustment of the acidity of the acidic liquor and recycling thereof.
  • Patent FR 3 075 201 also describes a process for pre-treating biomass by acid impregnation then steam explosion, with further washing of the reactor supply means and recycling of the washing water in the process.
  • the invention then aims to improve the treatment of lignocellulosic biomass. Its particular aim is to improve the introduction of biomass into a reactor operating one or more of the stages of biomass treatment.
  • the invention aims to make the treatment process, and in particular these two stages, more efficient, in terms of consumption of energy and/or treatment fluid and/or biomass conversion efficiency.
  • the invention firstly relates to a process for treating a lignocellulosic biomass comprising a dry matter content of at most 90% by weight, said process comprising the implementation of at least one treatment reactor of said biomass, said reactor being equipped with a biomass supply device which is provided with a biomass inlet and a biomass outlet, said biomass outlet being in fluid connection with an inlet of the reactor.
  • This process is characterized by the fact - that a residue is extracted from the biomass, during its passage through the feed device towards the reactor, by an extraction outlet provided in said device, said residue, called solid-liquid residue, being a mixture of solid and liquid,
  • this dry matter rate designates the dry matter rate which is measured according to standard ASTM E1756 - 08(2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.
  • solid-liquid residue means a liquid containing solid (solid particles) in suspension.
  • solid residue is meant a residue which comprises at least 20% by weight of solid, (in particular at least 30 or 40%, or even at least 50% by weight of solid depending on the separation method envisaged) and which has a solid consistency.
  • mud type or that of biomass fragments impregnated with acid This residue generally comprises between 20 and 50% by weight of solid.
  • Liquid residue means a residue which comprises at least 50% by weight of liquid, in particular at least 80% by weight of liquid and which has the consistency of a liquid devoid or substantially devoid of suspended solid particles.
  • the invention can advantageously be applied to any type of reactor used in a biomass conversion process, and more particularly to biomass impregnation reactors (when impregnation is planned, whether either by a liquor comprising a chemical compound such as an acid, a base or an oxidizing agent or by a water-based liquor, with autolysis of the biomass naturally releasing an acid, in particular acetic acid) and/or heat treatment reactors such as cooking or steam explosion.
  • biomass impregnation reactors when impregnation is planned, whether either by a liquor comprising a chemical compound such as an acid, a base or an oxidizing agent or by a water-based liquor, with autolysis of the biomass naturally releasing an acid, in particular acetic acid
  • heat treatment reactors such as cooking or steam explosion.
  • the treatment of the lignocellulosic biomass in the treatment reactor can be preceded by one or more preliminary treatment steps, such as, in particular, at least one sorting/cleaning in order to remove foreign metal-type elements from the biomass (“iron removal”), at least one possible mechanical grinding so that the biomass is reduced into particles of size adapted to the treatment in the/each of the treatment reactors, at least one washing, in particular with water, of the biomass, etc. in a variable order and number of steps.
  • preliminary treatment steps such as, in particular, at least one sorting/cleaning in order to remove foreign metal-type elements from the biomass (“iron removal”), at least one possible mechanical grinding so that the biomass is reduced into particles of size adapted to the treatment in the/each of the treatment reactors, at least one washing, in particular with water, of the biomass, etc. in a variable order and number of steps.
  • the invention consisted of proposing to extract from the biomass before entering the reactor a residue which is partly solid and partly liquid, and to take optimal advantage of it.
  • a solid residue, resulting from a solid-liquid residue extracted from a feed device of an impregnation reactor contains sugar polymers, lignin and has a formulation very close to that of the biomass which entered the feed device, which can be either native biomass, i.e. biomass having already undergone one or more treatments (mechanical treatment such as grinding, iron removal, or chemical treatment, such as adding water to adjust the dry matter content of the biomass before impregnation or other treatment).
  • a solid residue, resulting from a solid-liquid residue extracted from a feeding device of a cooking reactor has a formulation which may differ from the native biomass, in particular if the latter has previously been impregnated with a acidic, basic, oxidizing liquor and/or has undergone other prior treatments: in the case of impregnation with a liquor, for example acidic, the residue may contain traces of this liquor (for example it may contain an acid which is in the formulation of the liquor), it may also contain less hemicellulose, part of which may have been converted into sugars under the action of the impregnating liquor, it may also contain less cellulose and lignin.
  • This residue can also contain fewer so-called extractable species (monomeric sugars, ashes, etc.) than the biomass since the impregnation acts on these soluble species.
  • extractable species monomeric sugars, ashes, etc.
  • the yield of the process of converting biomass into sugars is increased (by pretreatment generating sugars in particular at C5, then enzymatic hydrolysis generating sugars of the C6 sugar type) or of biomass into ethanol (by pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation), since we are reincorporating into the conversion process the biomass or a biomass derivative which would otherwise be lost and which includes sugars/components still capable of being converted into sugars)
  • the solid-liquid residue from the feeding device of a cooking reactor can thus contain up to 80% by weight of water , recovering this water is therefore very interesting, the process being water-intensive, and even the solid-liquid residue extracted from the impregnation reactor supply device can include a significant water content, which is at least the water content of native biomass, content variable depending on the nature of the biomass but which can rise to at least 30% by weight.
  • the liquid residue from the solid-liquid residue extracted in the feed device of a cooking reactor and coming from an acid-impregnated biomass will contain a certain acid content, and will therefore be able to be used as supplement to produce the impregnation liquor, and will thus reduce the acid consumption of the process (obviously, the same advantage of reduced chemical product consumption if the impregnation is done with a basic or oxidizing liquor).
  • This liquid residue can also be used to rectify, for example, the pH/the quantity of oxidizing agent contained in the impregnation liquor and present residually in the biomass at different stages of its conversion process, apart from the preparation of the impregnation liquor itself.
  • the washing outlet preferably also being the extraction outlet of the solid-liquid residue.
  • the solid-liquid residue contains a high liquid (water) content, since it includes the water contained in the biomass and the washing water.
  • At least part of the liquid residue can be reintroduced into the same feed device, or into one of said feed devices in the case of a plurality of reactors.
  • the method comprises the implementation of several reactors for treating said biomass, at least part of the solid residue is reintroduced into one of the feed devices of said reactors, and at least one is reintroduced part of the liquid residue in another of said supply devices.
  • the solid residue from a feed device of an impregnation reactor can be reintroduced at the inlet of the feed device, for example together with the biomass feed entering the device.
  • the solid residue from a feeding device of a cooking reactor can be reintroduced at the inlet of the feeding device, for example together with the biomass feed entering the device, which optionally has been impregnated beforehand.
  • At least one of the supply devices creates an increase in pressure between the biomass inlet and the biomass outlet of said device, this increase in pressure generating a compression of the biomass leading to the extraction of the solid-liquid residue.
  • At least one of the feed devices can thus be a feed screw, in particular at least partly conical, comprising a fairing provided with a cage provided with openings which allow the extraction of the solid-liquid residue from the biomass and possibly the circulation of a washing fluid.
  • This compression screw also called “plug screw” according to Anglo-Saxon terminology
  • This compression screw creates a hermetic plug of biomass in the downstream portion of the screw, which creates compression on the biomass resulting in a pressure difference between the inlet of the biomass and the outlet of the biomass of the screw, for example of at least 0.05 MPa, for example of approximately 0.5 MPa.
  • the compression applied to the biomass can thus lead to the expulsion of part of the liquid contained in the biomass, in particular when the MS of the biomass is less than 80% before entering the pressure supply means.
  • the solid-liquid residue can be separated into a solid residue and a liquid residue by at least one separation device chosen from a centrifugation device, a draining or pressing device, a screen.
  • the process according to the invention may comprise a step of impregnating the biomass with an impregnation liquor containing a chemical catalyst, said step being implemented by introducing the biomass into the or one of the reactors by its/their device. 'food.
  • the method according to the invention may comprise a step of treating the biomass by cooking or steam explosion, said step being implemented by introducing the biomass into the or one of the reactors by its/their supply device.
  • the process according to the invention may comprise at least one step of treating the biomass by enzymatic hydrolysis, said step being subsequent to its cooking or explosion with steam, in an enzymatic hydrolysis reactor provided with its supply device.
  • the power supply device for this reactor is conventional, it can for example be an endless screw type device (generally no compression of biomass at this stage).
  • the process according to the invention may comprise at least one step of treating the biomass by fermentation, said step being subsequent to or concomitant with the enzymatic hydrolysis step, in a fermentation reactor provided with its supply device.
  • the feed device for this fermentation reactor is conventional, it can for example be an endless screw type device (generally no compression of biomass at this stage). Note that enzymatic hydrolysis and fermentation can also be carried out in the same reactor.
  • the process according to the invention may comprise at least one biomass treatment step aimed at separating the solvents or alcohols, said step being subsequent to the fermentation step and being carried out in a separation reactor provided with its supply device.
  • this reactor can be any equipment, including, in particular, at least one distillation column, its supply device being any conventional device for this type of equipment.
  • At least part of the solid residue is reintroduced into the supply device of the impregnation reactor or into the supply device of the cooking reactor, and the liquid residue is preferably reused for the preparation of the impregnation liquor.
  • At least part of the solid residue is reintroduced into the feed device of the enzymatic impregnation hydrolysis reactor, and the liquid residue is preferably reused for the preparation of the liquor. 'impregnation.
  • a residue can be extracted from the biomass, during its passage through the feed device towards the impregnation reactor and/or towards the cooking reactor, via an extraction outlet.
  • said residue called solid-liquid residue, being a mixture of solid and liquid
  • the method according to the invention may comprise the following steps
  • the invention also relates to any installation implementing the process described above.
  • the installation according to the invention can thus comprise at least one biomass treatment reactor, said reactor being equipped with a biomass supply device which is provided with a biomass inlet and a biomass outlet, said biomass outlet being in fluidic connection with an inlet of the reactor, with extraction from the biomass, during its passage through the supply device towards the reactor, of a residue via an extraction outlet provided in said device, said residue, called solid-liquid residue, being a mixture of solid and liquid, the installation also comprising
  • At least one device for separating said solid-liquid residue into a solid residue and a liquid residue in particular chosen from a centrifugation device, a draining or pressing device, a screen,
  • the means for reintroducing liquid and/or solid residues are conventional, and may include any appropriate hydraulic connection means (pipes, pump type equipment, filters, valves).
  • the invention also relates to the use of the process or installation as described above for the treatment of lignocellulosic biomasses, such as wood, straw, residues agricultural crops, and all dedicated energy crops, in particular annual or multi-annual plants such as miscanthus, with a view to producing sugars, biofuels or biosourced molecules.
  • lignocellulosic biomasses such as wood, straw, residues agricultural crops, and all dedicated energy crops, in particular annual or multi-annual plants such as miscanthus
  • Figure 1 is a schematic representation of a lignocellulosic biomass conversion installation where the process according to the invention can be applied.
  • Figure 2 is a block diagram of the process according to prior art implementing the installation of Figure 1.
  • Figure 3 is a block diagram of part of the process according to the invention, modifying the process according to Figure 2.
  • Figure 4 is a block diagram illustrating a first variant of the method according to the invention.
  • Figure 5 is a block diagram illustrating a second variant of the method according to the invention.
  • Figure 6 is a block diagram illustrating a third variant of the method according to the invention.
  • Figure 7 is a block diagram illustrating a fourth variant of the method according to the invention.
  • Figure 8 is a block diagram illustrating a fifth variant of the method according to the invention.
  • Figure 9 is a schematic representation of a variant according to the invention of the lignocellulosic biomass conversion installation described in Figure 1.
  • Figure 1 very schematically represents a non-limiting example of a lignocellulosic biomass conversion installation in which the invention can be applied, an installation which provides for pretreatment of the biomass including impregnation with an acid liquor then cooking/explosion by steam, then enzymatic hydrolysis followed by alcoholic fermentation, to transform the biomass into ethanol.
  • Figure 1 therefore represents a conversion of biomass carried out in the following way: the crushed biomass 5 (impregnated or not with a catalytic liquor) is introduced into an impregnation reactor 9 by means of supply under pressure 6 which is a screw, also called in English "Plug Screw Feeder", the terminal portion of which is conical, which has a fairing with a drip grid, a washing water inlet 7 and a washing water outlet 8.
  • a plug hermetic biomass seal is created in the downstream portion of the screw, which creates compression on the biomass resulting in a pressure difference between the inlet of the biomass and the outlet of the biomass from the screw of at least 0.05 MPa .
  • the compression applied to the biomass can lead to the expulsion of part of the liquid contained in the biomass, in particular when the MS of the biomass is less than 80% before entering the pressure supply means 6.
  • the liquid thus extracted mixes with the washing water and is drawn off with the used washing water 8.
  • the impregnation reactor is also supplied with acid liquor 4 (water with added sulfuric acid) coming from a liquor preparation tank 3, itself supplied with acid 2 and water 1.
  • the reactor comprises a zone 9a for impregnating the biomass, topped by a zone 9b for draining the biomass.
  • the impregnated and drained biomass 10 leaves the reactor 9 to feed a steam explosion cooking reactor 14 via another feed screw 11 similar in its operation to the feed screw 6.
  • a liquid 13 resulting from this pressing also called pressate, which is composed of water and acid.
  • the screw is washed, using a dedicated inlet, by a washing liquid 12 (water and/or a recycled liquid, as seen below), which is then evacuated through the outlet through which is also evacuated the pressate 13.
  • the reactor 14 is also supplied with steam 15. At the outlet of the reactor 14, the biomass-steam mixture passes into a tool 17 for separating the biomass 19 and the steam 18.
  • the biomass 19 is then treated in a hydrolysis reactor enzymatic 20, then once hydrolyzed into sugars, the hydrolyzed biomass 21 (also called hydrolysis must) passes into an alcoholic fermentation reactor 22.
  • the biomass fermented into alcohol 23, also called fermentation must) is then brought into one or several distillation columns to obtain concentrated alcohol 25 and crude stillages 26.
  • Ethanol recovery device for example a distillation column(s)
  • Step a) of conditioning the lignocellulosic biomass comprises in its first step, a step of conditioning the lignocellulosic biomass with at least one grinding so as to obtain biomass particles having a size of at most 300mm. It is of course possible to carry out several successive grinding stages in order to reach the targeted particle size. Generally speaking, crushed biomass has a particle size (the largest size) of at most 300 mm, most often at least 1 mm, and often between 2 and 200 mm. Any method known to those skilled in the art can be implemented to carry out this step. Most often, straw grinding is done with grids of 5 to 100 mm.
  • wood As for wood, it is generally shredded into parallelepiped chips with a length between 20 and 160 mm, a width between 10 and 100 mm and a thickness between 2 and 20 mm.
  • the crushed lignocellulosic biomass is brought to the next step by any means known to those skilled in the art, in particular a transfer screw.
  • the treatment method according to the invention comprises a step b) of impregnating the lignocellulosic substrate with an acidic liquor so as to obtain an impregnated lignocellulosic substrate whose pH is between 0.1 to 3. This step aims to prepare the substrate lignocellulosic for the pretreatment step.
  • the impregnation is carried out in an impregnation reactor at a temperature between 10 and 90°C and preferably at atmospheric pressure.
  • the residence time of the lignocellulosic substrate in the impregnation reactor is usually from 10 seconds to 180 minutes, preferably between 30 seconds and 60 minutes and even more preferably between 30 seconds and 15 minutes.
  • the impregnation step is carried out in a single step.
  • the impregnation reactor or impregnator is equipped with one or more screws which transfer the lignocellulosic substrate from its inlet to the outlet opening.
  • the impregnator is also equipped with one or more pipes to supply the acidic liquor as well as, if necessary, with one or more pipes to draw off the acidic liquor.
  • Said acid liquor inlet and outlet pipes are generally installed so as to operate in co-current or counter-current recycling.
  • the acid liquor is an aqueous solution of a strong acid which is for example chosen from sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, for example with an acid content of between 0.5 and 4% by weight.
  • a strong acid which is for example chosen from sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, for example with an acid content of between 0.5 and 4% by weight.
  • the lignocellulosic substrate impregnated with acid liquor is subjected to a separation step solid/liquid in order to obtain a lignocellulosic substrate having a dry matter content of between 15% and 70% by weight and a spent acid liquor.
  • the lignocellulosic substrate impregnated with acid liquor is first drained in order to extract at least part of the free acid liquor before being treated by solid/liquid separation.
  • the solid/liquid separation step can be carried out using any technique known to those skilled in the art, which can for example be decantation, centrifugation or pressing.
  • pressing of the lignocellulosic substrate is carried out concomitant with its transfer to pretreatment step d) when the latter implements the steam explosion process which is described below.
  • This mode of operation of step c) is for example ensured by a screw called a “plug screw feeder” whose operation has already been described above.
  • the formation of a pressed lignocellulosic substrate plug provides a pressure-tight seal to the steam explosion reactor, preventing dangerous steam leaks.
  • the transfer screw is also equipped with one or more lines for withdrawing the spent liquor (called pressate) separated during pressing. The pressate can be recycled to the impregnation step b) and/or to the washing step by the washing liquid 12 passing through the feed screw 11.
  • the wet biomass obtained at the end of step c) of solid/liquid separation which can be designated by the term "washed and acidified lignocellulosic substrate” has a dry matter content preferably between 15% and 70% by weight. , and more preferably between 40 and 65% by weight.
  • Cellulose (and possibly hemicelluloses) which are the targets of enzymatic hydrolysis are not directly accessible to enzymes. This is the reason why pretreatment of the biomass is carried out before the enzymatic hydrolysis step.
  • the pretreatment aims in particular to modify the physical and physicochemical properties of the cellulose fraction, such as its degree of polymerization and its state of crystallinity.
  • pretreatment Various types of pretreatment are known to those skilled in the art, they combine chemical treatment and heat treatment. These include acidic or basic cooking, the Organosolv process, ionic liquid treatments and the steam explosion process.
  • the preferred pretreatment process is steam explosion ("SteamEx” or “Steam Explosion” according to Anglo-Saxon terminology) carried out in an acidic medium. It is a process in which the lignocellulosic substrate is quickly brought to high temperature by injection of steam under pressure. Treatment is stopped by sudden decompression.
  • Steam explosion or "Steam Explosion” according to Anglo-Saxon terminology
  • the reactor temperature is generally between 150 and 220°C, preferably between 170°C and 210°C,
  • the pressure is between 5 and 25 bars absolute (0.5 and 2.5 MPa), more preferably between 8 and 19 bars absolute (0.8 to 1.9 MPa),
  • the residence time before the relaxation phase varies from 10 seconds to 50 minutes, and preferably between 3 minutes and 30 or 40 minutes
  • the steam explosion can be carried out in batches or continuously and the depressurization step which allows the biomass to be deconstructed can take place in one or more stages.
  • a pretreated lignocellulosic substrate with a high dry matter content generally between 20 and 70% by weight and a vapor phase which is then condensed.
  • the pretreated lignocellulosic substrate obtained at the end of step d) of the treatment process according to the invention is advantageously used as a filler in a so-called second generation process for producing solvents and/or of alcohols from lignocellulosic biomass.
  • the invention also relates to a process for producing solvents and/or alcohols from lignocellulosic biomass, comprising at least the following steps: i) said lignocellulosic biomass is treated by the treatment process according to the invention in a manner obtaining a treated lignocellulosic substrate; ii) enzymatic hydrolysis of the treated lignocellulosic substrate is carried out so as to obtain a hydrolyzate containing fermentable sugars; iii) fermentation of the hydrolyzate resulting from step ii) is carried out to obtain a fermentation must containing solvents and/or alcohols; iv) a separation of the solvents and/or alcohols from the fermentation must is carried out.
  • the pretreated lignocellulosic substrate generally has a pH lower than that which is compatible with the medium for enzymatic hydrolysis.
  • the lignocellulosic substrate treated according to step i) of the process for producing solvents and/or alcohols is subjected to a neutralization step to bring its pH to a value between 4 and 6.
  • an aqueous solution is used containing a neutralization agent which can be chosen from all the weak or strong bases known to those skilled in the art.
  • a neutralization agent which can be chosen from all the weak or strong bases known to those skilled in the art.
  • base we mean any chemical species which, when added to water, gives an aqueous solution with a pH greater than 7.
  • the neutralizing agent is chosen from potassium hydroxide, sodium hydroxide, ammonia, lime. Even more preferably, the neutralizing agent is chosen from potassium hydroxide and ammonia, alone or in combination with each other.
  • the neutralizing agent is used in aqueous solution, with a mass concentration of between 2% and 75%, and even more preferably between 20% and 70%.
  • Neutralization is carried out at a temperature between 15°C and 95°C, and preferably between 20°C and 70°C.
  • the temperature of the neutralization step is not precisely controlled and is simply governed by the heat released by the acid-base neutralization reaction.
  • the neutralization step can be carried out continuously, discontinuously or fed batch (“fed-batch” in English).
  • a possible washing step can be carried out before or after the neutralization step, on all or part of the pretreated lignocellulosic substrate.
  • washing is applied, a liquid stream is contacted with the pretreated lignocellulosic substrate and then the liquid is separated from the solid.
  • the washing step can be carried out by percolation, by successive mixing and liquid/solid separation operations, by washing on a belt filter or by any other technique known to those skilled in the art.
  • the washing liquid used can be water or a process stream.
  • the mass ratio between the added washing liquid and the liquid contained in the substrate to be washed is generally between 0.5 and 4.
  • the washing step generates a sweet washing juice containing a portion of the hemicelluloses solubilized during the pretreatment.
  • This washing juice can, for example, be used as a carbon source for the production of biocatalysts (enzymes and/or microorganisms).
  • the washing step is generally carried out at a temperature between 10°C and 95°C.
  • the pretreated lignocellulosic substrate is sent to enzymatic hydrolysis step ii) of the process.
  • the pretreated lignocellulosic substrate which is sent to the enzymatic hydrolysis step has a dry matter content generally between 15% and 70% by weight.
  • the objective of enzymatic hydrolysis is to hydrolyze (depolymerize), using biocatalysts, hemicelluloses and cellulose into fermentable sugars, preferably glucose.
  • the enzymatic hydrolysis step is carried out under mild conditions, at a temperature of around 40°C and 55°C, preferably between 45°C and 50°C and at a pH of 4.0 to 5. .5, and even more preferably between 4.8 and 5.2.
  • the dry matter content of the enzymatic hydrolysis medium is between 5 and 45% by weight, preferably between 10 and 30% by weight. It is carried out using enzymes produced by a microorganism.
  • Natural or genetically modified microorganisms such as fungi belonging to the genera Trichoderma, Aspergillus, Penicillium or Schizophyllum, or anaerobic bacteria belonging for example to the genus Clostridium, produce a cocktail of enzymes containing in particular cellulases and hemicellulases, adapted to hydrolysis growth of cellulose and hemicelluloses.
  • Enzymatic hydrolysis can be carried out in continuous or batch mode, or continuously fed, in one or more reactors.
  • the residence time is between 12 hours and 200 hours and preferably between 24 hours and 120 hours and even more preferably between 48 hours and 120 hours.
  • step iii a hydrolyzate containing fermentable sugars is recovered from the bioreactor which is then treated in step iii) of fermentation.
  • the hydrolyzate obtained may optionally undergo one or more treatment steps before the fermentation step.
  • it may involve a return to pH, a partial purification with a view to limiting the content of inhibitory compound for the fermenting microorganism, an at least partial separation of the solid residues contained in the hydrolyzate.
  • step iii) of the process for producing solvents and/or alcohols the possibly treated hydrolyzate is sent to the fermentation step allowing the conversion by means of one or more microorganisms of different genera of the fermentable sugars into solvent and/or alcohols of interest.
  • the fermentation methods are known to those skilled in the art.
  • solvent organic compounds other than alcohols, for example organic compounds having a ketone function such as acetone.
  • alcohol refers in particular to ethanol, propanol, isopropanol and butanol.
  • the natural or genetically modified microorganisms can be chosen for example from Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Saccharomyces uvarum, Saccharomyces diastaticus, Kluyveromyces fragilis, Candida shehatae, Pichia stipitis, Pachysolen tannophilis or the bacteria Zymomonas mobilis, Clostridium acetobutylicum, Escherichia coli.
  • the fermentation step makes it possible, for example, to produce ethanol alone or mixed with butanol, propanol, isopropanol and/or acetone.
  • the fermentative microorganism may be capable of producing a mixture called "ABE (acetone-butanol-ethanol)” or called “IBE (isopropanol-butanol-ethanol)”.
  • the chosen microorganism is a natural or genetically modified yeast of the Saccharomyces genus capable of producing ethanol.
  • step iii a fermentation must diluted with products of interest is recovered.
  • steps ii) and iii) are carried out at the same time in at least the same bioreactor so that the enzymatic hydrolysis and the fermentation are carried out simultaneously according to a process designated by the term “Saccharification and Fermentation Simultaneous (SES)” or “Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF)” according to Anglo-Saxon terminology.
  • SES Saccharification and Fermentation Simultaneous
  • SSF Saccharification and Fermentation
  • the temperature can be lowered between 28°C and 45°C, and preferably between 30°C and 35°C when the fermentation is carried out with a yeast of the Saccharomyces genus.
  • the pH is preferably adjusted between 5 and 5.5 in order to promote the performance of the yeasts.
  • the production unit implementing the process according to the invention may include, in addition to the installations already described, units for the in situ production of enzymes and/or yeasts.
  • Step iv separation of solvents and/or alcohols from the fermentation must.
  • the process according to the invention finally comprises a step of separating the product(s) of interest from the fermentation must possibly preceded by a solid/liquid separation step in order to eliminate at least a fraction of the solid matter contained in the must fermentation.
  • a solid/liquid separation step in order to eliminate at least a fraction of the solid matter contained in the must fermentation.
  • the step of separating the product(s) of interest for example ethanol, uses one or more distillations which is a technology well known to those skilled in the art.
  • the load lignocellulosic biomass
  • the process feedstock can be biomass alone or in a mixture.
  • the quantity of water contained in the raw feed is generally at least 10%, in particular between 10 and 70% by weight.
  • the raw biomass is chosen from any type of biomass, preferably solid type biomass, and in particular lignocellulosic type biomass.
  • types of biomass concern, for example, agricultural exploitation residues (in particular straw, corn cobs), logging residues, logging products, sawmill residues, crops dedicated by example short rotation coppice.
  • the raw biomass also called native biomass
  • lignocellulosic biomass is lignocellulosic biomass. It essentially includes three natural constituents present in varying quantities depending on its origin: cellulose, hemicellulose and lignin.
  • the lignocellulosic biomass filler is preferably used in its raw form, that is to say in all of these three constituents cellulose, hemicellulose and lignin.
  • the lignocellulosic biomass is chosen from grassy biomass, agricultural residues such as straw waste, corn cobs, sugar cane bagasse, agricultural residues forestry or sawmills such as wood chips or any other type of wood residue.
  • the impregnation fluid :
  • the optional fluid injected for impregnation is an aqueous liquid solution containing or not acid, at a temperature between 10 and 95°C and at atmospheric pressure.
  • the pH of this chemical solution is between 0.1 and 12.0, preferably between 0.1 and 7, preferably between 0.3 and 2.
  • the liquor used is a catalysis liquor.
  • acid and the pH of the liquor is adjusted between 0.1 and 4, in particular between 0.3 and 2.
  • acid one can for example use at least one acid chosen from sulfuric acid, hydrochloric acid, l nitric acid, oxalic acid.
  • Their content, in the aqueous phase is preferably between 0.2 and 8% by weight.
  • FIG. 2 represents the diagram of the pretreatment part of the biomass conversion process which can for example be applied to the installation of Figure 1, with a known sequence of impregnation (optional) with an impregnation fluid followed by a steam cooking/explosion of the biomass, which the invention will modify:
  • the (crushed) biomass 5 enters a transfer zone comprising a compression screw type feed device 6, which can optionally be washed by circulation of a water-type washing fluid 7 (evacuated in the form of a used washing liquid 8), and which brings the biomass into the impregnation reactor 9, also supplied with impregnation fluid 4 by a preparation tank 3 supplied with water 1 and impregnating compound 2 (acid, base type).
  • a preparation tank 3 supplied with water 1 and impregnating compound 2 (acid, base type).
  • the impregnation can also be carried out differently, in batch (soaking of the biomass in a tank containing the impregnation fluid), or continuously, by spraying for example, or by passing the biomass through
  • the impregnated biomass 10 then passes into a transfer zone comprising a feed compression screw 11, washed by a washing fluid 12 (washing water), the used washing water 13 being evacuated.
  • the biomass then comes to feed a cooking reactor 14 in the presence of water vapor 15, then is extracted from the reactor in the form of pretreated biomass 16, to continue its conversion process into sugars or alcohol.
  • FIG 3 highlights the first step of modification by the invention of the process according to Figure 2:
  • This fluid 8 is in fact made up of a liquid phase (water) and solid particles (biomass) in suspension. According to the invention, it is led into a solid/liquid separation device 30, at the outlet of which a phase/liquid residue 31 and a solid residue 32 are recovered. It can be, for example, a screen. These two residues will thus be able to be recovered/reused separately in a very advantageous manner, as described below.
  • the fluid 13 extracted from the supply device 11 of the cooking reactor 14 also consists of a liquid phase (water) and solid particles (biomass) in suspension. According to the invention, it is led into a solid/liquid separation device 40, at the outlet of which a phase/liquid residue 41 and a solid residue 42 are recovered. It may, for example, also be a screen . These two residues will thus be able to be recovered/reused separately in a very advantageous manner, as described below.
  • Figure 4 illustrates a recovery of the solid residue 32 (impregnation step), by reinjection of the residue 32 with the biomass feedstock 5 at the inlet of the feed device 6.
  • the solid residue 32 has a composition close/very close to, or even identical to, that of biomass 5, but it can be found in the form of particles of smaller size (when the feeding device is of the compression screw type, which has a mechanical action on the biomass .
  • Figure 5 illustrates a recovery of the solid residue 42 (cooking step), by reinjection of the residue 42 into the inlet of the device 12 for supplying the cooking device/reactor 14.
  • the solid residue 42 is of composition different from residue 32, insofar as it was obtained from biomass impregnated with an impregnating liquid, in particular strongly acidic, and/or from washing water from the supply device which may also contain a certain content of this fluid/acid.
  • Figure 6 represents both the reinjection of the solid residue 32 according to Figure 4 and that of the solid residue 42 according to Figure 5, and therefore illustrates an embodiment where the invention is applied twice in the biomass conversion process , with the same advantages as those described in Figures 4 and 5.
  • Each of the reuse of the two solid residues can be implemented on all of each of the residues or on only part of them. We can also consider grouping all or part of the two solid residues to reuse them jointly in the process.
  • Figure 7 represents the reinjection of the two solid residues 32 and 42 in accordance with Figure 6, but also the reuse of the two corresponding liquid residues 31 and 41:
  • the liquid residue 31 is reinjected into the washing inlet of the supply device 6 of the impregnation device, it is essentially water.
  • the liquid residue 41 is reinjected into the impregnation liquor preparation tank. Indeed, this residue 41 contains a certain acid content (if we continue to take the example of an acid liquor), and reinjecting it into tank 3 provides an interesting addition of water and acid.
  • liquid residues 31 and 41 allow a reduction in water and impregnation liquid consumption. This recycling can be done on all or part of the liquid residues. As with solid residues, we can also consider grouping them, at least in part, to recycle them jointly in the process.
  • Figure 8 suggests variants, compared to Figure 7, for reusing liquid residues 31 and 41: the dotted arrows indicate different, alternative or cumulative possibilities for reinjecting them in whole or in part into the biomass pretreatment process.
  • the liquid residue 31 (that upstream of the impregnation device) can also be reinjected, in whole or in part, into the tank 3 for preparing the impregnation liquor as additional water. It can also, in whole or in part, be reinjected as washing water 12 for the device feed 11 of the cooking device 14, or as washing water 7 for the feed device 6 of the impregnation device 9, if washing is provided for this device as well. It can also, in whole or in part, be added to the liquid residue 41 and follow its reinjection circuit.
  • the liquid residue 41 can also, in whole or in part, be added to the liquid residue 31, before being jointly reused in the tank 3 for preparing the liquor 4 for example (these two variants not being represented in the figures).
  • liquid residues 31,41 and in particular at least the residue 41 which contains acid, can also be reused/reinjected directly into the impregnation device 9, if its acid content is, preferably, controlled upstream.
  • liquid residues 31,41 can also be reused in the biomass conversion process downstream of its pretreatment, in a stage subsequent to its cooking which requires a supply of water and/or a supply of water with an acidic pH.
  • Figure 9 proposes a modification according to the invention of the installation described in Figure 1: here, the two solid residues from the supply devices of the impregnation reactor 9 and the cooking reactor 14, or at least the one two, is at least partly reintroduced downstream of the pretreatment of the biomass.
  • the dotted lines indicate the different options, alternative or cumulative, for reintroducing these solid residues, in whole or in part: they can therefore be reintroduced at the entrance to the hydrolysis reactor 20 or the fermentation reactor 22 or even at the entrance to the equipment separation 24, in particular via their own supply devices, which are conventional (for example, one or more pipes or endless screw system opening into an inlet provided in the reactor).
  • the solid residue thus mixes with the pretreated biomass flow 19, and/or the hydrolyzate flow 21 and/or the fermentation must 23.
  • a final option shown in Figure 9 consists of directly introducing all or part of the solid residue 32 and/or 42 into the final residue 26 resulting from the separation of the fermentation must, a residue which can be used as fuel.
  • Biomass 5 is a lignocellulosic biomass of wheat straw. Its composition is shown in Table 1 below:
  • cellulose is converted to glucose or glucose oligomers, and hemicellulose is converted to xylose or xylose oligomers.
  • the transfer zone 11 is supplied with the impregnated biomass 10.
  • the transfer zone 11 (compression screw) is washed with 4087.0 kg/h of water 12, a second solid flow/ liquid 13 of 5099.9 kg/h leaves zone 11.
  • This flow 13 there are 2.7 kg/h of potential glucose, 2.2 kg/h of potential xylose and 45.6 kg/h of acid.
  • the cooking reactor 14 is heated by a steam flow 15 of 3471.1 kg/h.
  • the flow of pretreated biomass 16 of 4803.8 kg/h, comprising 237.8 kg/h of potential glucose and 155.2 kg/h of xylose.
  • the pretreatment limits that is to say between the entry of the biomass 5 into the supply device 6 and its exit from the cooking reactor 14, 98.1% by weight of the potential glucose and 78 .8% weight of potential xylose.
  • the biomass load is the same as in example 1.
  • the flow rate is the same as for example 1: 642 kg/h of this crushed 50 mm biomass 5 enters the process with a flow rate of 200 kg/h of washing water 7.
  • a first solid/liquid flow 8 of 203.8 kg/h leaves the transfer zone 6 towards the impregnator 9.
  • This flow is separated in a separation tool 30 into a liquid flow/residue 31 of 192 kg/h and a solid flow/residue 32 of 1 1.8 kg/h.
  • the separation tool 30 is a screen.
  • This solid residue 32 resulting from the solid/liquid separation is relatively humid (25% MS), and is composed of 1.3 kg/h of potential glucose, 1.1 kg/h of potential xylose. It is recycled with the crushed biomass 5 at the inlet of the feed device 6. Surprisingly, the recycling of this solid residue 32 at the impregnation inlet does not cause accumulation in the feed device 6 despite its low particle size. and despite the fact that the solid residue initially passed through the holes in the cage of the feed screw: it is driven by the crushed biomass 5 into the impregnation reactor 9. In the impregnation step, the same quantities of water and sulfuric acid are added to the preparation tank 3 of the impregnation liquid 4 as for example 1.
  • Example 2 The rest of the process is identical to Example 1.
  • pretreated biomass 16 of 4815.5 kg/h, comprising 239.2 kg/h of potential glucose and 156.1 kg/h of potential xylose.
  • the flow rate is the same as for examples 1 and 2: 642 kg/h of this biomass crushed to 50 mm enters the process (it enters the impregnation reactor 9) with a flow rate of 200 kg/h of water washing 7 A first solid/liquid flow 8 13 of 203.8 kg/h leaves the process. In this flow, there are 1.3 kg/h of potential glucose and 1.1 kg/h of potential xylose.
  • the same quantities of water are used as in examples 1 and 2, but only 84 kg/h of sulfuric acid (gain of 0.2% by weight compared to examples previous, are added to the tank 3 for preparing the impregnation liquid 4.
  • the transfer zone 11 is supplied with the impregnated biomass 10.
  • the transfer zone 11 is washed with 4087 kg/h of water 12, a second solid/liquid flow 13 of 5097.9 kg/h leaves the transfer zone 11 towards the cooking reactor 14.
  • This flow 13 is separated in a separation tool 40, here a screen, into a liquid residue flow 41 of 5074.1 kg/h, and a solid residue flow 42 of 23.8 kg/h.
  • This solid flow 42 resulting from the solid/liquid separation is relatively humid (26.1% MS) and is composed of 2.7 kg/h of potential glucose, 2.2 kg/h of potential xylose and 0. 2 kg/h of sulfuric acid. It is recycled with the impregnated biomass 10.
  • this cooking entry residue 42 does not cause accumulation in the circuit in the compression screw type feed device 11, despite its small particle size and despite the fact that the solid residue initially passed through the holes in the feed screw cage. It is driven by the biomass 10 in the cooking reactor 14.
  • the cooking reactor 14 is heated by a steam flow 15 of 3471.1 kg/h. At the outlet of this reactor, comes the flow of pretreated biomass 16 of 4829.6 kg/h, comprising 240.5 kg/h of potential glucose and 157.4 kg/h of xylose.
  • residue 32 has a composition very similar to that of the starting biomass, with a significantly higher water content.
  • Table 3 below again indicates the composition of the crushed biomass 5, and that of the solid residue 42 recovered from the feeding device of the cooking reactor 14:
  • residue 42 has a composition similar to that of the initial biomass, with a significantly higher water content, and an additional sulfuric acid content, which justifies the interest in recycling it.
  • Example 4 (in accordance with the invention) It is carried out in accordance with the variant of the invention shown in Figure 6: here we carry out both the recycling of the solid residue 32 recovered at the inlet of the impregnation reactor 9 and that of the solid residue 42 recovered from the cooking reactor 14. The same load is treated here as in the previous examples.
  • the flow rates resulting from the recycling described in Examples 2 and 3 apply to Example 4: the yield at the pretreatment terminals is increased by recycling these two solid residues, and the acid consumption is reduced.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'une biomasse lignocellulosique, avec la mise en oeuvre d'au moins un réacteur (9;14) de traitement de ladite biomasse, ledit réacteur (9;14) étant équipé d'un dispositif d'alimentation (6;11 ) muni d'une entrée de biomasse et d'une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur, tel que - on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d'alimentation (6;1 1 ) vers le réacteur (9;14), un résidu (8;13) par une sortie d'extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu étant un mélange de solide et de liquide, - on sépare ledit résidu en un résidu solide (32;42) et un résidu liquide (31;41 ), - on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32;42) dans le dispositif d'alimentation, ou dans un desdits dispositifs d'alimentation.

Description

PROCEDE 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, par exemple des solvants tels que l’acétone etc...)- Ce procédé comporte généralement trois étapes qui sont la préparation de liqueur, l’imprégnation de la biomasse par cette liqueur et le prétraitement de la biomasse imprégnée, par exemple par cuisson éventuellement couplée à une explosion à la vapeur.
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 biomasse lignocellulosique en jus sucrés 2G comprend notamment une étape de prétraitement et une étape d’hydrolyse enzymatique par un cocktail enzymatique. Ces procédés comportent aussi le plus souvent une étape d’imprégnation avant le prétraitement. Les jus sucrés issus de l’hydrolyse sont ensuite traités, par exemple par fermentation, et le procédé comprend également des étapes de séparation et/ou une étape de purification du produit final.
La biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux polymères : la cellulose (35 à 50% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué d'hexoses ; l'hémicellulose (20 à 30% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué de pentoses ; et la lignine (15 à 25% poids), qui est un polymère de structure complexe et de haut poids moléculaire, composé d'alcools aromatiques reliés par des liaisons éther. Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent en un enchevêtrement complexe.
Parmi les trois polymères de base qui intègrent la biomasse lignocellulosique, la cellulose et l'hémicellulose sont ceux qui permettent la production de jus sucrés 2G.
Le plus souvent, l’hémicellulose est majoritairement décomposée en sucre durant le prétraitement, et la cellulose est convertie en glucose par l’hydrolyse enzymatique. Toutefois, l’accès à la cellulose brute reste difficilement accessible aux enzymes, d’où la nécessité d’un prétraitement. Ce prétraitement permet de modifier les propriétés physico-chimiques de la biomasse lignocellulosique afin d’améliorer l'accessibilité de la cellulose aux enzymes et sa réactivité à l’hydrolyse enzymatique.
De nombreuses technologies intéressant l’invention pour réaliser ce prétraitement existent, qui seront ci-après regroupés sous le terme générique de « cuisson » : cuissons acides, cuissons alcalines, cuisson par auto-hydrolyse, explosion à la vapeur, procédés dits « organosolv pulping » selon le terme anglais connu (ou traitement avec organo-solvent en français). Ce dernier procédé concerne un prétraitement en présence d’un ou plusieurs solvants organiques et généralement d’eau. Le solvant peut être un alcool (éthanol), un acide type acide acétique, acide formique, ou encore l’acétone. Les procédés « organosolv pulping » conduisent à une solubilisation au moins partielle de la lignine, une solubilisation partielle des hémicelluloses. On a alors deux flux en sortie : le substrat prétraité avec cellulose, hémicellulose et lignine résiduels et la phase solvant qui contient la lignine solubilisée et une partie des hémicelluloses. Il y a généralement une étape de régénération du solvant qui permet d’extraire un flux de lignine. Certains traitements « organosolv pulping » (notamment avec de l’éthanol) sont couplés avec l’ajout d’un acide fort (du type H2SO4). On peut envisager également d’avoir une mise en contact de la biomasse avec le solvant via un réacteur d’imprégnation avant la phase de cuisson ou d’avoir une mise en contact de la biomasse avec le catalyseur acide avant d’effectuer une cuisson « organosolv pulping ».
Différentes configurations sont reportées par exemple dans le document «Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review », M. Balat, Energy Conversion and Management 52 (201 1 ) 858-875, ou encore dans le document « Bioethanol production from agricultural wastes : an overview », N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.
Un des prétraitements le plus efficace est l’explosion à la vapeur, notamment en condition acide, qui permet une hydrolyse presque totale de l’hémicellulose et une amélioration importante de l’accessibilité et de la réactivité de la cellulose aux enzymes. Ce prétraitement peut être précédé d’autre(s) traitement(s).
Tous ces prétraitements s’appliquent sur des biomasses qui sont initialement sous forme solide, c’est le but du prétraitement de les déstructurer.
Les brevets US-8057639 et US-8512512 proposent un procédé comprenant une première étape d’hydrolyse de l’hémicellulose en sucres C5 dans des conditions douces les préservant ainsi de leur dégradation. Cette étape est réalisée dans un premier réacteur sous une pression de 1 ,5 bar (0,15 MPa) ou plus, par injection de vapeur, à une température de 1 10°C ou plus, et éventuellement en présence d’acide faible. Après cette étape, un lavage est réalisé pour extraire et récupérer les jus de sucres issus de l’hémicellulose (généralement des sucres en C5 et de sucres en C6, dont la proportion relative dépend, notamment, de la nature de la biomasse) avant d’envoyer la biomasse restante, enrichie en cellulose et lignine, dans une seconde étape (second réacteur) où a lieu l’explosion à la vapeur. Ce second réacteur opère à une pression plus élevée que le premier réacteur avec une injection de vapeur à pression élevée qui provoque une détente brutale de la biomasse (explosion à la vapeur).
Dès lors qu’un traitement requiert une étape en pression (imprégnation, prétraitement du type cuisson ou autre), il est nécessaire de faire appel à des moyens d’introduction de biomasse solide compatibles avec ces étapes de pression. C’est par exemple le cas des vis de compression, dont un mode de réalisation est décrit dans le brevet US 4,599,138.
Le brevet FR 3 075 203 décrit un procédé avec imprégnation de la biomasse avec une liqueur acide, puis cuisson et explosion à la vapeur de la biomasse imprégnée, avec un ajustement de l’acidité de la liqueur acide et un recyclage de celle-ci. Le brevet FR 3 075 201 décrit également un procédé de prétraitement de la biomasse par imprégnation acide puis explosion à la vapeur, avec en outre un lavage des moyens d’alimentation des réacteurs et recyclage des eaux de lavage dans le procédé.
L’invention a alors pour but d’améliorer le traitement de biomasse lignocellulosique. Elle a notamment pour but d’améliorer l’introduction de la biomasse dans un réacteur opérant une ou plusieurs des étapes du traitement de la biomasse.
Elle a plus particulièrement pour but d’améliorer les étapes d’imprégnation et/ou de cuisson de type d’explosion à la vapeur de la biomasse telles que décrites dans les documents antérieurs précités. L’invention a aussi pour but de rendre le procédé de traitement, et notamment ces deux étapes, plus performantes, en termes de consommation d’énergie et/ou de fluide de traitement et/ou de rendement de conversion de la biomasse.
Résumé de l’invention
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique comprenant un taux de matière sèche d’au plus 90% en poids, ledit procédé comprenant la mise en oeuvre d’au moins un réacteur de traitement de ladite biomasse, ledit réacteur étant équipé d’un dispositif d’alimentation en biomasse qui est muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur. Ce procédé se caractérise par le fait - qu’on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation vers le réacteur, un résidu par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- en qu’on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide,
- et qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs.
Dans le cadre de l’invention, on comprend par « biomasse lignocellulosique comprenant un taux de matière sèche de X % » soit une biomasse qui comprend naturellement un taux de X % de matière sèche (une biomasse dite native), soit une biomasse qui présente ce taux après une ou plusieurs opérations préalables au procédé selon l’invention. Et ce taux de matière sèche (acronyme "MS") désigne le taux de matière sèche qui est mesuré selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.
Dans le cadre de l’invention, on comprend par « résidu solide-liquide » un liquide contenant du solide (des particules solides) en suspension. On comprend par « résidu solide » un résidu qui comprend au moins 20% poids de solide, (notamment au moins 30 ou 40%, voire même au moins 50% poids de solide selon le mode de séparation envisagé) et qui présente une consistance solide de type boue ou celle de fragments de biomasse imprégnés d’acide. Ce résidu comprend généralement entre 20 et 50% poids de solide.
On comprend par « résidu liquide » un résidu qui comprend au moins 50% poids de liquide, notamment au moins 80% poids de liquide et qui a la consistance d’un liquide dépourvu ou substantiellement dépourvu de particules solides en suspension.
L’invention, comme cela sera détaillé plus loin, peut avantageusement s’appliquer à tout type de réacteur utilisé dans un procédé de conversion de biomasse, et plus particulièrement à des réacteurs d’imprégnation de la biomasse (quand une imprégnation est prévue, que ce soit par une liqueur comprenant un composé chimique comme un acide, une base ou un agent oxydant ou par une liqueur à base d’eau, avec autolyse de la biomasse libérant naturellement un acide, notamment de l’acide acétique) et/ou à des réacteurs de traitement thermique type cuisson ou explosion à la vapeur.
Le traitement de la biomasse lignocellulosique dans le réacteur de traitement peut être précédé d’une ou plusieurs étapes de traitement préalables, comme, notamment, au moins un tri/nettoyage afin de retirer de la biomasse des éléments étrangers type métal (« déferraillage), au moins un broyage mécanique éventuel afin que la biomasse soit réduite en particules de taille adaptée au traitement dans le/chacun des réacteurs de traitement, au moins un lavage, notamment à l’eau, de la biomasse, etc selon un ordre et un nombre d’étapes variables.
L’invention a consisté à proposer d’extraire de la biomasse avant son entrée dans le réacteur un résidu qui est pour partie solide et pour partie liquide, et d’en tirer parti de manière optimale.
En fait, il était déjà connu d’extraire/récupérer un résidu liquide (aqueux) / une eau de lavage liquide des moyens d’alimentation des réacteurs en question, pour ajuster la teneur en matière sèche de la biomasse, pour laver l’équipement qui permet d’alimenter le réacteur en biomasse, etc. ... Il s’agissait alors de récupérer ce résidu pour le réutiliser « tel quel », en appoint de liquide aqueux dans le procédé, en considérant que c’était simplement un liquide, à récupérer pour baisser la consommation en eau et/ou en produit chimique (acide de la liqueur d’imprégnation par exemple) du procédé.
Or ce résidu extrait, s’il pouvait effectivement comprendre une proportion élevée de liquide (d’eau), comprenait également de la matière solide (ne serait-ce qu’en cas de lavage à l’eau des équipements d’alimentation pour éviter leur encrassement) : on a affaire à un liquide chargé en particules solides.
Et il a été mis en avant par les inventeurs que, une fois séparé du reste du résidu extrait, ce résidu solide (ces particules) avait une composition très intéressante et valorisable : Ainsi, un résidu solide, issu d’un résidu solide-liquide extrait d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur d’imprégnation contient des polymères de sucres, de la lignine et présente une formulation très proche de celle de la biomasse qui est entrée dans le dispositif d’alimentation, qui peut être soit de la biomasse native, soit de la biomasse ayant déjà subi un ou plusieurs traitements (traitement mécanique de type broyage, déferraillage, ou chimique, du type ajout d’eau pour ajuster le taux de matière sèche de la biomasse avant imprégnation ou autre traitement).
Un résidu solide, issu d’un résidu solide-liquide extrait d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson a une formulation qui peut différer de la biomasse native, notamment si celle-ci a au préalable été imprégnée d’une liqueur acide, basique, oxydante et/ou a subi d’autres traitements préalables : dans le cas d’une imprégnation par une liqueur, par exemple acide, le résidu peut contenir des traces de cette liqueur (par exemple il peut contenir un acide qui est dans la formulation de la liqueur), il peut contenir aussi moins d’hémicellulose, dont une partie a pu être convertie en sucres sous l’action de la liqueur d’imprégnation, il peut contenir moins de cellulose et de lignine aussi. Ce résidu peut également contenir moins d’espèces dites extractibles (sucres monomères, cendres etc.) que la biomasse puisque l’imprégnation agit sur ces espèces solubles. L’invention a alors mis à profit ces observations pour valoriser de façon séparée ce résidu solide afin améliorer au mieux les performances du procédé dans son ensemble, avec toute une série d’avantages :
- en séparant le résidu solide-liquide, on peut récupérer un résidu liquide dépourvu ou substantiellement dépourvu de particules solides, ce qui permet de recycler plus largement ce liquide (les particules ne venant pas perturber/risquer d’encrasser les équipements faisant recirculer les eaux de lavage par exemple)
- en recyclant le résidu solide séparé, on augmente le rendement du procédé de conversion de biomasse vers les sucres (par prétraitement générant des sucres notamment en C5 , puis hydrolyse enzymatique générant des sucres de type sucres en C6) ou de biomasse vers l’éthanol (par prétraitement, hydrolyse enzymatique et fermentation), puisqu’on vient réincorporer au procédé de conversion de la biomasse ou un dérivé de biomasse qui serait sinon perdu et qui comprend des sucres/ des composants encore susceptibles d’être convertis en sucres)
- le résidu liquide débarrassé de particules solides peut être utilisé pour réduire la consommation en eau du procédé : le résidu solide-liquide issu du dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson peut ainsi contenir jusqu’à 80% en poids d’eau, récupérer cette eau est donc très intéressant, le procédé étant gourmant en eau, et même le résidu solide-liquide extrait du dispositif d’alimentation du réacteur d’imprégnation peut comprendre une teneur significative en eau, qui est au moins la teneur en eau de la biomasse native, teneur variable selon la nature de la biomasse mais qui peut monter à au moins 30% poids.
- Le résidu liquide issu du résidu solide-liquide extrait dans le dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson et provenant d’une biomasse imprégnée à l’acide va contenir une certaine teneur en acide, et va donc pouvoir être utilisé comme appoint pour produire de la liqueur d’imprégnation, et va ainsi baisser la consommation en acide du procédé (évidemment, même avantage de baisse de consommation de produit chimique si l’imprégnation se fait avec une liqueur basique ou oxydante). Ce résidu liquide peut aussi être utilisé pour rectifier par exemple le pH/la quantité d’agent oxydant contenu dans la liqueur d’imprégnation et présent de façon résiduelle dans la biomasse à différentes étapes de son procédé de conversion, en dehors de la préparation de la liqueur d’imprégnation elle-même.
Selon l’invention, on peut réaliser un lavage du ou d’au moins un des dispositifs d’alimentation par circulation d’un fluide de lavage entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation, la sortie de lavage étant de préférence également la sortie d’extraction du résidu solide-liquide. Dans ce cas, le résidu solide-liquide contient une teneur en liquide (en eau) élevée, puisque comprenant l’eau contenue dans la biomasse et l’eau de lavage.
Selon l’invention, on peut réintroduire au moins une partie du résidu liquide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs.
Selon l’invention, dans une variante, le procédé comprend la mise en oeuvre de plusieurs réacteurs de traitement de ladite biomasse, on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans un des dispositifs d’alimentation desdits réacteurs, et on réintroduit au moins une partie du résidu liquide dans un autre desdits dispositifs d’alimentation.
Dans une variante, le résidu solide issu d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur d’imprégnation peut être réintroduit en entrée du dispositif d’alimentation, par exemple conjointement avec la charge de biomasse entrant dans le dispositif.
Dans une autre variante, le résidu solide issu d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur de cuisson peut être réintroduit en entrée du dispositif d’alimentation, par exemple conjointement avec la charge de biomasse entrant dans le dispositif, qui optionnellement a été imprégnée au préalable.
Il est également possible que le résidu solide issu d’un dispositif d’alimentation d’un réacteur d’imprégnation soit renvoyé dans le dispositif d’alimentation du réacteur de cuisson (ou inversement), avec moins d’impact favorable, cependant, sur le rendement de conversion de la biomasse que dans les deux variantes précédentes.
Avantageusement, au moins un des dispositifs d’alimentation crée une augmentation de pression entre l’entrée de biomasse et la sortie de biomasse dudit dispositif, cette augmentation de pression générant une compression de la biomasse conduisant à l’extraction du résidu solide-liquide.
Un des dispositifs d’alimentation au moins peut ainsi être une vis d’alimentation, notamment au moins en partie conique, comprenant un carénage muni d’une cage munie d’ouvertures qui permettent l’extraction du résidu solide-liquide de la biomasse et éventuellement la circulation d’un fluide de lavage. Cette vis de compression (appelée aussi « plug screw » selon la terminologie anglo-saxonne), de façon connue, vient créer un bouchon hermétique de biomasse dans la portion aval de la vis, ce qui crée une compression sur la biomasse se traduisant par une différence de pression entre l’entrée de la biomasse et la sortie de la biomasse de la vis, par exemple d’au moins 0,05 MPa, par exemple d’environ 0,5 MPa. La compression s’appliquant sur la biomasse peut ainsi conduire à l’expulsion d’une partie du liquide contenu dans la biomasse, notamment lorsque la MS de la biomasse est inférieure à 80% avant son entrée dans le moyen d’alimentation sous pression.
Selon l’invention, on peut séparer le résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide par au moins un dispositif de séparation choisi parmi un dispositif de centrifugation, un dispositif d’égouttage ou de pressage, un dégrilleur.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une étape d’imprégnation de la biomasse par une liqueur d’imprégnation contenant un catalyseur chimique, ladite étape étant mise en oeuvre par introduction de la biomasse dans le ou un des réacteurs par son/leur dispositif d’alimentation.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une étape de traitement de la biomasse par cuisson ou explosion à la vapeur, ladite étape étant mise en oeuvre par introduction de la biomasse dans le ou un des réacteurs par son/leur dispositif d’alimentation.
Le procédé selon l’invention peut comprendre au moins une étape de traitement de la biomasse par hydrolyse enzymatique, ladite étape étant postérieure à sa cuisson ou explosion à la vapeur, dans un réacteur d’hydrolyse enzymatique muni de son dispositif d’alimentation. Le dispositif d’alimentation de ce réacteur est conventionnel, il peut par exemple s’agir d’un dispositif de type vis sans fin (pas de compression de biomasse à ce stade généralement).
Le procédé selon l’invention peut comprendre au moins une étape de traitement de la biomasse par fermentation, ladite étape étant postérieure ou concomitante à l’étape d’hydrolyse enzymatique, dans un réacteur de fermentation muni de son dispositif d’alimentation. Le dispositif d’alimentation de ce réacteur de fermentation est conventionnel, il peut par exemple s’agir d’un dispositif de type vis sans fin (pas de compression de biomasse à ce stade généralement). A noter que l’hydrolyse enzymatique et la fermentation peuvent être aussi opérées dans un même réacteur.
Le procédé selon l’invention peut comprendre au moins une étape de traitement de la biomasse visant à séparer les solvants ou alcools, ladite étape étant postérieure à l’étape de fermentation et étant réalisée dans un réacteur de séparation muni de son dispositif d’alimentation. Comme détaillé plus loin, ce réacteur peut être tout équipement, dont, notamment, au moins une colonne de distillation, son dispositif d’alimentation étant tout dispositif conventionnel pour ce type d’équipement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans le dispositif d’alimentation du réacteur d’imprégnation ou dans le dispositif d’alimentation du réacteur de cuisson, et on réutilise de préférence le résidu liquide pour la préparation de la liqueur d’imprégnation.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans le dispositif d’alimentation du réacteur d’hydrolyse enzymatique d’imprégnation, et on réutilise de préférence le résidu liquide pour la préparation de la liqueur d’imprégnation.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut extraire de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation vers le réacteur d’imprégnation et/ou vers le réacteur de cuisson, un résidu par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- puis on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide,
- et on réintroduit au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation (du réacteur d’imprégnation ou de cuisson donc) ou dans au moins un des dispositifs d’alimentation du réacteur d’hydrolyse enzymatique ou du réacteur de fermentation ou du réacteur de séparation.
Dans cette configuration, on vient donc réemployer un résidu solide issu d’un prétraitement de biomasse (cuisson avec imprégnation préalable optionnelle) pour l’introduire dans un réacteur en aval du ou des réacteurs de prétraitement, qui visent à convertir la biomasse prétraitée (en sortie du réacteur de cuisson) en sucres, (on parle alors d’hydrolysat) puis éventuellement en solvant ou alcool de type éthanol (on parle alors de moût de fermentation dont on sépare de façon connue l’alcool ou le solvant d’intérêt).
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention peut comprendre les étapes suivantes
- a) Préparation d’une liqueur d’imprégnation contenant un catalyseur chimique destinée à l’imprégnation de la biomasse, catalyseur choisi parmi un catalyseur acide, un catalyseur basique et un catalyseur oxydant, et de préférence un catalyseur acide, dans une zone de préparation,
- b) Introduction de la biomasse dans un réacteur d’imprégnation à l’aide d’un premier dispositif d’alimentation, ledit premier dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un premier fluide de lavage entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif (6),
- c) Introduction de la liqueur dans le réacteur d’imprégnation par une première entrée de liqueur (4) du réacteur,
- d) Transfert de la biomasse imprégnée puis égouttée depuis une sortie du réacteur d’imprégnation vers une entrée d’un réacteur de prétraitement par cuisson par au moins un deuxième dispositif d’alimentation, ledit deuxième dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un deuxième fluide de lavage entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation,
- e) Prétraitement de ladite biomasse dans ledit réacteur par cuisson ou explosion à la vapeur,
- f) Extraction à partir de la biomasse d’un résidu solide-liquide traversant au moins un des deux dispositifs d’alimentation, puis séparation dudit/ de chacun des résidus solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide avec réintroduction d’au moins une partie du résidu solide en tant qu’appoint de biomasse dans au moins un des dispositifs d’alimentation, et réintroduction d’au moins une partie du résidu liquide en tant qu’appoint de fluide de lavage dans au moins un des dispositifs d’alimentation ou en tant qu’appoint pour la liqueur d’imprégnation dans la zone de préparation de la liqueur ou dans le réacteur d’imprégnation.
L’invention a également pour objet toute installation mettant en oeuvre le procédé décrit plus haut.
L’installation selon l’invention peut ainsi comprendre au moins un réacteur de traitement de biomasse, ledit réacteur étant équipé d’un dispositif d’alimentation en biomasse qui est muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur, avec extraction à partir de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation vers le réacteur, d’un résidu par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide, l’installation comprenant également
- au moins un dispositif de séparation dudit résidu solide-liquide en un résidu solide et un résidu liquide, notamment choisi parmi un dispositif de centrifugation, un dispositif d’égouttage ou de pressage, un dégrilleur,
- des moyens pour réintroduire au moins une partie du résidu solide dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs
- éventuellement des moyens pour réintroduire au moins une partie du résidu liquide dans l’installation, notamment dans le/un des dispositifs d’alimentation.
Les moyens pour réintroduire les résidus liquides et/ou solides sont conventionnels, et peuvent comprendre tout moyen de connexion hydraulique approprié (conduites, équipements de type pompe, filtre, vannes).
L’invention a également pour objet l’utilisation du procédé ou de l’installation tels que décrits plus haut pour le traitement de biomasses lignocellulosiques, du type bois, paille, résidus agricoles, et toutes cultures énergétiques dédiées, notamment des plantes annuelles ou pluriannuelles telles que le miscanthus, en vue de produire des sucres, des biocarburants ou des molécules biosourcées.
Liste des figures
La figure 1 est une représentation schématique d’une installation de conversion de biomasse lignocellulosique où le procédé selon l’invention peut être appliqué.
La figure 2 est un schéma-bloc du procédé selon un art antérieur mettent en oeuvre l’installation de la figure 1 .
La figure 3 est un schéma-bloc d’une partie du procédé selon l’invention, modifiant le procédé selon la figure 2.
La figure 4 est un schéma-bloc illustrant une première variante du procédé selon l’invention.
La figure 5 est un schéma-bloc illustrant une deuxième variante du procédé selon l’invention.
La figure 6 est un schéma-bloc illustrant une troisième variante du procédé selon l’invention.
La figure 7 est un schéma-bloc illustrant une quatrième variante du procédé selon l’invention.
La figure 8 est un schéma-bloc illustrant une cinquième variante du procédé selon l’invention
La figure 9 est une représentation schématique d’une variante selon l’invention de l’installation de conversion de biomasse lignocellulosique décrite à la figure 1 .
A noter que les mêmes références concernent le même flux, le même dispositif, d’une figure à l’autre.
Description des modes de réalisation
La figure 1 représente de façon très schématique un exemple non limitatif d’une installation de conversion de biomasse lignocellulosique dans laquelle on peut appliquer l’invention, installation qui prévoit un prétraitement de la biomasse incluant une imprégnation avec une liqueur acide puis une cuisson/explosion à la vapeur, puis une hydrolyse enzymatique suivie d’une fermentation alcoolique, pour transformer la biomasse en éthanol.
L’invention s’applique de façon analogue à des installations différentes, notamment :
- des installations qui ne visent que la production de sucres, et qui ne prévoient donc pas de fermentation alcoolique,
- des installations qui prévoient un prétraitement par cuisson sans imprégnation préalable par une liqueur (autolyse par exemple),
- des installation qui prévoient un prétraitement par cuisson avec une imprégnation préalable par une liqueur non acide, par exemple une liqueur basique ou oxydante. L’invention a en effet vocation à s’appliquer à tout réacteur, dont, mais pas exclusivement, les réacteurs d’imprégnation et de cuisson, utilisé dans un procédé de conversion de biomasse.
La figure 1 représente donc une conversion de biomasse opérée de la façon suivante : la biomasse 5 broyée (imprégnée ou pas d’une liqueur catalytique) est introduite dans un réacteur 9 d’imprégnation par un moyen d’alimentation sous pression 6 qui est une vis, appelée aussi en anglais « Plug Screw Feeder », dont la portion terminale est conique, qui présente un carénage avec une grille d’égouttage, une entrée d’eau de lavage 7 et une sortie d’eau de lavage 8. Un bouchon hermétique de biomasse se crée en portion aval de la vis, qui crée une compression sur la biomasse se traduisant par une différence de pression entre l’entrée de la biomasse et la sortie de la biomasse de la vis d’au moins 0,05 MPa. La compression s’appliquant sur la biomasse peut conduire à l’expulsion d’une partie du liquide contenu dans la biomasse, notamment lorsque la MS de la biomasse est inférieure à 80% avant son entrée dans le moyen d’alimentation sous pression 6. Le liquide ainsi extrait se mélange avec l’eau de lavage et est soutiré avec l’eau de lavage usée 8.
Le réacteur d’imprégnation est également alimenté en liqueur acide 4 (de l’eau additionnée d’acide sulfurique) provenant d’une cuve de préparation de liqueur 3, elle-même alimentée en acide 2 et en eau 1. Le réacteur comprend une zone 9a d’imprégnation de la biomasse, surmontée d’une zone 9b d’égouttage de la biomasse.
La biomasse imprégnée et égouttée 10 sort du réacteur 9 pour alimenter un réacteur 14 de cuisson par explosion à la vapeur via une autre vis d’alimentation 1 1 similaire dans son fonctionnement à la vis d’alimentation 6. Dans cette vis, du fait de la compression exercée sur la biomasse, on récupère un liquide 13 résultat de ce pressage, aussi appelé pressât, qui est composé d’eau et d’acide. La vis est lavée, à l’aide d’une entrée dédié, par un liquide de lavage 12 (de l’eau et/ou un liquide recyclé, comme vu plus loin), qui est ensuite évacué par la sortie par laquelle est aussi évacué le pressât 13.
Le réacteur 14 est également alimenté en vapeur 15. En sortie de réacteur 14, le mélange biomasse-vapeur passe dans un outil 17 de séparation de la biomasse 19 et de la vapeur 18. La biomasse 19 est ensuite traitée dans un réacteur d’hydrolyse enzymatique 20, puis une fois hydrolysée en sucres, la biomasse hydrolysée 21 (appelée également moût d’hydrolyse) passe dans un réacteur de fermentation alcoolique 22. La biomasse fermentée en alcool 23, appelée aussi moût de fermentation) est ensuite amenée dans une ou plusieurs colonnes de distillation pour obtenir de l’alcool concentré 25 et des vinasses brutes 26.
Ce n’est qu’un exemple d’installation, qui peut aussi présenter de nombreuses variantes. Ainsi, on peut opérer conjointement l’hydrolyse enzymatique et la fermentation dans un même réacteur, on parle alors de SSCF pour « Simultaneous Saccharification and Co- Fermentation » en anglais.
1 : Entrée d’eau dans la cuve de préparation de la liqueur
2 : Entrée d’acide dans la cuve de préparation de la liqueur
3 : Outil (cuve) de préparation de la liqueur
4 : Liqueur acide vers outil (réacteur) d’imprégnation
5 : Biomasse broyée
6 : Vis ( « plug-screw feeder ») de l’outil d’imprégnation
7 : Eau de lavage de la plug-screw feeder de l’outil d’imprégnation
8 : Sortie liquide de lavage de la » plug screw feeder » 6 de l’outil d’imprégnation
9 : Outil (réacteur) d’imprégnation
9a : Zone d’imprégnation de la cuve d’imprégnation 9
9b : Zone d’égouttage de la cuve d’imprégnation 9
10 : Biomasse imprégnée et égouttée
11 : Vis (« plug-screw feeder ») de l’outil de prétraitement
12 : Eau de lavage de la « plug screw feeder » de l’outil de prétraitement
13 : Pressât de la « plug screw feeder » de l’outil de prétraitement
14 : Outil de cuisson (réacteur d’explosion) de prétraitement
15 : Injection de vapeur pour le prétraitement
16 : Biomasse prétraitée et vapeur
17 : Outil (cyclone) de séparation vapeur et biomasse prétraitée
18 : Vapeur vers condensation
19 : Biomasse prétraitée
20 : Réacteur d’hydrolyse enzymatique
21 : Hydrolysat contenant des sucres
22 : Réacteur Fermentation alcoolique (éthanolique)
23 : Vin de fermentation contenant de l’éthanol (alcool)
24 : Dispositif de récupération de l’éthanol, par exemple une colonne(s) de distillation
25 : Alcool concentré
26 : Résidus (solides et liquides, en mélanges ou séparés selon l’agencement de 24)
Le procédé
Ci-dessous un descriptif plus détaillé des différentes étapes d’un procédé de conversion de biomasse utilisant une telle installation et auquel peut avantageusement s’appliquer l’invention : (c’est un exemple auquel ne se limite pas l’invention).
Etape a) de conditionnement de la biomasse lignocellu losique Le procédé de traitement comporte dans sa première étape, une étape de conditionnement de la biomasse lignocellu losique avec au moins un broyage de façon à obtenir des particules de biomasse ayant une taille d’au plus 300mm. Il est bien entendu possible de procéder à plusieurs étapes de broyage successives afin d'atteindre la taille de particule visée. De façon générale, la biomasse broyée présente une taille de particule (la plus grande taille) d’au plus 300 mm, le plus souvent d’au moins 1 mm, et souvent comprise entre 2 et 200 mm. Toute méthode connue de l'homme du métier peut être mise en oeuvre pour réaliser cette étape. Le plus souvent, le broyage des pailles se fait avec des grilles de 5 à 100 mm. Quant au bois, il est généralement déchiqueté en plaquettes parallélépipédiques avec une longueur comprise entre 20 et 160 mm, une largeur comprise entre 10 et 100 mm et une épaisseur comprise entre 2 et 20 mm. La biomasse lignocellulosique broyée est amenée à l’étape suivante par tout moyen connu de l’homme du métier, en particulier une vis de transfert.
Etape b) d'imprégnation par une liqueur acide
Le procédé de traitement selon l'invention comporte une étape b) d’imprégnation du substrat lignocellulosique avec une liqueur acide de façon à obtenir un substrat lignocellulosique imprégné dont le pH est compris entre 0,1 à 3. Cette étape vise à préparer le substrat lignocellulosique pour l'étape de prétraitement.
L’imprégnation est réalisée dans un réacteur d'imprégnation à une température comprise entre 10 et 90°C et de préférence à pression atmosphérique. Le temps de séjour du substrat lignocellulosique dans le réacteur d’imprégnation est habituellement de 10 secondes à 180 minutes, de préférence entre 30 secondes et 60 minutes et encore plus préférentiellement entre 30 secondes et 15 minutes. De préférence, l'étape d'imprégnation est effectuée en une seule étape.
Le réacteur d'imprégnation ou imprégnateur est muni d’une ou plusieurs vis qui transfère(nt) le substrat lignocellulosique depuis son entrée vers l’ouverture de sortie. L’imprégnateur est par ailleurs équipé d’une ou plusieurs conduites pour amener la liqueur acide ainsi que, si besoin, d’une ou plusieurs conduites pour soutirer de la liqueur acide. Lesdites conduites d’entrée et de sortie de la liqueur acide sont généralement installées de façon à fonctionner en recyclage co-courant ou contre-courant.
La liqueur acide est une solution aqueuse d'un acide fort qui est par exemple choisi parmi l’acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, par exemple à une teneur en acide comprise entre 0,5 et 4% poids.
Etape c) de séparation solide/liquide sur le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide
Conformément à l'étape c) du procédé de traitement selon l'invention, le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide est soumis à une étape de séparation solide/liquide en vue d'obtenir un substrat lignocellulosique ayant un taux de matière sèche compris entre 15% et 70% poids et une liqueur acide usée. De préférence, le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide est d'abord égoutté afin d'extraire au moins une partie de la liqueur acide libre avant d'être traité par séparation solide/liquide.
L'étape de séparation solide/liquide peut être en oeuvre toute technique connue de l'homme du métier, qui peut être par exemple la décantation, la centrifugation ou le pressage.
De préférence on réalise un pressage du substrat lignocellulosique concomitant à son transfert à l'étape d) de prétraitement lorsque cette dernière met en oeuvre le procédé d'explosion à la vapeur qui est décrite ci-dessous. Ce mode de conduite de l'étape c) est par exemple assuré par une vis appelée « plug screw feeder » dont le fonctionnement a été déjà décrit plus haut. La formation d’un bouchon de substrat lignocellulosique pressé assure l’étanchéité à la pression du réacteur d’explosion à la vapeur, empêchant ainsi les fuites de vapeur dangereuses. La vis de transfert est également munie d’une ou plusieurs conduites de soutirage de la liqueur usée (dite pressât) séparée lors du pressage. Le pressât peut être recyclé à l’étape b) d’imprégnation et/ou à l’étape de lavage par le liquide de lavage 12 traversant la vis d’alimentation 1 1 .
La biomasse humide obtenue à l’issue de l'étape c) de séparation solide/liquide, qui peut être désigné par le vocable "substrat lignocellulosique lavé et acidifié" présente un taux de matière sèche de préférence compris entre 15% et 70% poids, et plus préférentiellement compris entre 40 et 65% poids.
Etape d) de prétraitement du substrat lignocellulosique lavé et acidifié
Le substrat lignocellulosique lavé et acidifié, conformément à l'étape c) du procédé subit une étape de prétraitement d).
La cellulose (et éventuellement les hémicelluloses) qui sont les cibles de l'hydrolyse enzymatique ne sont pas directement accessibles aux enzymes. C'est la raison pour laquelle un prétraitement de la biomasse est mise en oeuvre avant l'étape d'hydrolyse enzymatique. Le prétraitement vise notamment à modifier les propriétés physiques et physicochimiques de la fraction cellulosique, telles que son degré de polymérisation et son état de cristallinité.
Divers types de prétraitement sont connus de l’homme du métier, ils associent un traitement chimique et un traitement thermique. On peut notamment citer la cuisson acide ou basique, le procédé Organosolv, les traitements aux liquides ioniques et le procédé par explosion à la vapeur.
Le procédé de prétraitement préféré est l’explosion à la vapeur ("SteamEx" ou "Steam Explosion" selon la terminologie anglo-saxonne) réalisé en milieu acide. C'est un procédé dans lequel le substrat lignocellulosique est porté rapidement à haute température par injection de vapeur sous pression. L'arrêt du traitement s'effectue par décompression brutale. Les conditions opératoires du procédé d’explosion à la vapeur sont les suivantes :
- la vapeur est injectée directement dans le réacteur ;
- la température du réacteur est généralement comprise entre 150 et 220°C, de préférence comprise entre 170°C et 210°C,
- la pression est comprise entre 5 et 25 bars absolu (0,5 et 2,5 MPa), plus préférentiellement comprise entre 8 et 19 bars absolu (0,8 à 1 ,9 MPa),
- le temps de séjour avant la phase de détente varie de 10 secondes à 50 minutes, et de préférence entre 3 minutes et 30 ou 40 minutes
L’explosion à la vapeur peut être réalisée en batch ou en continu et l’étape de dépressurisation qui permet de déstructurer la biomasse peut se dérouler en une ou plusieurs étapes.
A l'issue de l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur, on obtient un substrat lignocellulosique prétraité à haut taux de matière sèche, généralement compris entre 20 et 70% poids et une phase vapeur qui est ensuite condensée.
Dans le cadre de l'invention, le substrat lignocellulosique prétraité obtenu à l'issue de l'étape d) du procédé de traitement selon l'invention est avantageusement utilisé comme charge dans un procédé dit de seconde génération de production de solvants et/ou d'alcools à partir de biomasse lignocellulosique.
L'invention se rapporte également à un procédé de production de solvants et/ou d'alcools à partir de biomasse lignocellulosique, comprenant au moins les étapes suivantes : i) on traite ladite biomasse lignocellulosique par le procédé de traitement selon l'invention de manière à obtenir un substrat lignocellulosique traité; ii) on effectue une hydrolyse enzymatique du substrat lignocellulosique traité de manière à obtenir un hydrolysat contenant des sucres fermentescibles; iii) on effectue une fermentation de l'hydrolysat issu de l'étape ii) pour obtenir un moût de fermentation contenant des solvants et/ou des alcools; iv) on réalise une séparation des solvants et/ou des alcools du moût de fermentation.
A la suite de l’explosion à la vapeur en conditions acides, le substrat lignocellulosique prétraité a généralement un pH inférieur à celui qui est compatible avec le milieu pour l'hydrolyse enzymatique. Ainsi le substrat lignocellulosique traité selon l'étape i) du procédé de production de solvants et/ou d'alcools est soumis à une étape de neutralisation pour amener son pH à une valeur comprise entre 4 et 6.
Pour l'étape de neutralisation, on emploie une solution aqueuse contenant un agent de neutralisation peut être choisi parmi toutes les bases faibles ou fortes connues de l’homme de l’art. Par le terme base, nous désignons toute espèce chimique qui, lorsqu'elle est ajoutée à de l'eau, donne une solution aqueuse de pH supérieur à 7. De manière préférée, l’agent de neutralisation est choisi parmi hydroxyde de potassium, hydroxyde de sodium, ammoniaque, chaux. De manière encore plus préférée, l’agent de neutralisation est choisi parmi hydroxyde de potassium et ammoniaque, seuls ou en combinaison entre eux. De manière préférée, l’agent de neutralisation est utilisé en solution aqueuse, avec une concentration massique comprise entre 2% et 75%, et de manière encore plus préférée entre 20% et 70%.
La neutralisation s’effectue à une température comprise entre 15°C et 95°C, et de préférence entre 20°C et 70°C. En général, la température de l’étape de neutralisation n’est pas précisément contrôlée et est simplement régie par la chaleur dégagée par la réaction acido- basique de neutralisation.
L’étape de neutralisation peut être réalisée en continu, discontinu ou en discontinu alimenté (« fed-batch » en anglais).
Il est à noter qu'une étape éventuelle de lavage peut être pratiquée avant ou après l’étape de neutralisation, sur tout ou partie du substrat lignocellulosique prétraité.
Si un lavage est appliqué, un flux liquide est mis en contact avec le substrat lignocellulosique prétraité, puis le liquide est séparé du solide. L'étape de lavage peut être réalisée par percolation, par opérations de mélange et séparation liquide/solide successives, par lavage sur filtre à bande ou par toute autre technique connue de l'homme de l'art. Le liquide de lavage utilisé peut être de l’eau ou un flux du procédé. Le rapport massique entre le liquide de lavage ajouté et le liquide contenu dans le substrat à laver est généralement compris entre 0,5 et 4. L'étape de lavage génère un jus sucré de lavage contenant une partie des hémicelluloses solubilisées au cours du prétraitement. Ce jus de lavage peut par exemple être utilisé comme source de carbone pour la production des biocatalyseurs (enzymes et/ou microorganismes). L'étape de lavage s’effectue généralement à une température comprise entre 10°C et 95°C.
Etape ii) d'hydrolyse enzymatique
Le substrat lignocellulosique prétraité, éventuellement neutralisé et lavé, est envoyé à l’étape d’hydrolyse enzymatique ii) du procédé.
Le substrat lignocellulosique prétraité qui est envoyé à l'étape d'hydrolyse enzymatique présente un taux de matière sèche généralement compris entre 15% et 70% poids.
L'objectif de l'hydrolyse enzymatique est d'hydrolyser (dépolymériser), au moyen de biocatalyseurs, les hémicelluloses et la cellulose en sucres fermentescibles, de préférence il s'agira du glucose. L'étape d'hydrolyse enzymatique s'effectue dans des conditions douces, à une température de l'ordre de 40°C et 55°C, de préférence entre 45°C et 50°C et à pH de 4,0 à 5,5, et encore plus préférentiellement entre 4,8 et 5,2. Le taux de matière sèche du milieu d'hydrolyse enzymatique est compris entre 5 et 45% poids, de préférence compris entre 10 et 30% poids Elle est réalisée au moyen d'enzymes produites par un microorganisme. Des microorganismes naturels ou génétiquement modifiés, comme les champignons appartenant aux genres Trichoderma, Aspergillus, Pénicillium ou Schizophyllum, ou les bactéries anaérobies appartenant par exemple au genre Clostridium, produisent un cocktail d'enzymes contenant notamment des cellulases et des hémicellulases, adaptées à une hydrolyse poussée de la cellulose et des hémicelluloses.
L’hydrolyse enzymatique peut être réalisée en mode continu ou discontinu, ou en continu alimenté, dans un ou plusieurs réacteurs. Le temps de séjour est compris entre 12 heures et 200 heures et de préférence entre 24 heures et 120 heures et encore plus préférentiellement entre 48 heures et 120 heures.
A l'issue de l'étape ii) on récupère du bioréacteur un hydrolysat contenant des sucres fermentescibles qui est ensuite traité à l'étape iii) de fermentation.
Il est à noter que l'hydrolysat obtenu peut éventuellement subir une ou plusieurs étapes de traitement avant l'étape de fermentation. Par exemple il peut s'agir d'une remise au pH, d'une purification partielle en vue de limiter la teneur en composé inhibiteur pour le microorganisme fermentaire, d'une séparation au moins partielle des résidus solides contenus dans l'hydrolysat.
Etape iii) de fermentation de l'hydrolysat
Selon l'étape iii) du procédé de production de solvants et/ou d'alcools, l'hydrolysat éventuellement traité est envoyé à l'étape de fermentation permettant la conversion au moyen d'un ou plusieurs microorganismes de genres différents des sucres fermentescibles en solvant et/ou alcools d'intérêt. Les méthodes de fermentation sont connues de l'homme de l'art.
Par le terme "solvant", on entend désigner des composés organiques autres que les alcools, par exemple des composés organiques ayant une fonction cétone tel que l'acétone.
Le terme "alcool" désigne notamment l'éthanol, le propanol, l'isopropanol et le butanol. Les microorganismes naturels ou génétiquement modifiés peuvent être choisis par exemple parmi Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Saccharomyces uvarum, Saccharomyces diastaticus, Kluyveromyces fragilis, Candida shehatae, Pichia stipitis, Pachysolen tannophilis ou les bactéries Zymomonas mobilis, Clostridium acetobutylicum, Escherichia coli.
Dans le cadre de l'invention, l'étape de fermentation permet par exemple de produire de l'éthanol seul ou en mélange avec du butanol, du propanol, de l'isopropanol et/ou de l'acétone. Par exemple le microorganisme fermentaire peut être capable de produire un mélange dit "ABE (acétone-butanol-éthanol)" ou bien dit "IBE (isopropanol-butanol-éthanol)".
De manière préférée, le microorganisme choisi est une levure naturelle ou génétiquement modifiée du genre Saccharomyces capable de produire de l'éthanol.
A l'issue de l'étape iii) on récupère un moût de fermentation dilué en produits d'intérêt.
Selon un mode de réalisation du procédé, les étapes ii) et iii) sont réalisées en même temps dans au moins un même bioréacteur de sorte que l'hydrolyse enzymatique et la fermentation sont menées simultanément selon un procédé désigné par le terme "Saccharification et Fermentation Simultanées (SES)" ou "Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF)" selon la terminologie anglo-saxonne. Lorsque l’étape d’hydrolyse est confondue avec l’étape de fermentation, les conditions opératoires, notamment de température, peuvent être adaptées pour s’adapter aux tolérances du microorganisme de fermentation. Par exemple, la température peut être abaissée entre 28°C et 45°C, et préférentiellement entre 30°C et 35°C lorsque la fermentation est conduite avec une levure du genre Saccharomyces. Le pH est ajusté de préférence entre 5 et 5,5 afin de favoriser la performance des levures.
L'unité de production mettant en oeuvre le procédé selon l'invention peut comprendre outre les installations déjà décrites, des unités de production in situ d'enzymes et/ou de levures.
Etape iv) de séparation des solvants et/ou des alcools du moût de fermentation.
Le procédé selon l'invention comprend enfin une étape de séparation du ou des produits d'intérêt du moût de fermentation éventuellement précédée d'une étape de séparation solide/liquide afin d'éliminer au moins une fraction de la matière solide contenu dans le moût de fermentation. De préférence l'étape de séparation du ou des produits d'intérêt, par exemple l'éthanol, met en oeuvre une ou plusieurs distillations qui est une technologie bien connue de l'homme du métier.
La charge : la biomasse lignocellulosique
Conformément à l’invention, la charge du procédé peut être une biomasse seule ou en mélange. La quantité d’eau contenue dans la charge brute est généralement d’au moins 10%, notamment comprise entre 10 et 70 % massique.
La biomasse brute est choisie parmi tout type de biomasse, de préférence de la biomasse de type solide, et en particulier de la biomasse de type lignocellulosique. Des exemples non limitatifs de types de biomasse concernent par exemple les résidus d’exploitation agricole (notamment paille, rafles de maïs), les résidus d’exploitation forestière, les produits de l’exploitation forestière, les résidus de scieries, les cultures dédiées par exemple taillis à courte rotation.
De préférence, la biomasse brute, dite aussi biomasse native, est de la biomasse lignocellulosique. Elle comprend essentiellement trois constituants naturels présents en quantités variables selon son origine : la cellulose, l'hémicellulose et la lignine. La charge biomasse lignocellulosique est de préférence utilisée sous sa forme brute, c'est-à- dire dans l’intégralité de ces trois constituants cellulose, hémicellulose et lignine.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la biomasse lignocellulosique est choisie parmi la biomasse herbeuse, les résidus d’exploitation agricole tel que les déchets de paille, rafles de maïs, la bagasse de canne à sucre, les résidus d’exploitation forestière ou de scieries tels que les copeaux de bois ou tout autre type de résidus ligneux.
Le fluide d’imprégnation :
Le fluide optionnel, injecté pour l’imprégnation est une solution liquide aqueuse contenant ou non de l’acide, à une température comprise entre 10 et 95°C et à pression atmosphérique. Le pH de cette solution chimique est compris entre 0,1 et 12,0, de préférence entre 0,1 et 7, de préférence entre 0,3 et 2. Selon un mode de réalisation préféré, la liqueur utilisée est une liqueur à catalyse acide, et on règle le pH de la liqueur entre 0,1 et 4, notamment entre 0,3 et 2. Comme acide, on peut par exemple utiliser au moins un acide choisi parmi l’acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l’acide oxalique. Leur teneur, en phase aqueuse, est de préférence comprise entre 0,2 et 8% poids. Reprenons une à une les différentes figures 2 à 8 : Toutes ces figures sont des déclinaisons d’un prétraitement de biomasse. A noter qu’elles sont décrites en proposant une imprégnation par un fluide acide puis une cuisson de type explosion à la vapeur, pour illustrer simplement l’invention, mais que l’invention s’applique tout aussi bien à un prétraitement sans imprégnation, ou avec imprégnation non acide, ou encore à une cuisson sans explosion à la vapeur.
La figure 2 représente le schéma de la partie prétraitement du procédé de conversion de biomasse pouvant par exemple s’appliquer à l’installation de la figure 1 , avec un enchaînement connu d’une imprégnation (optionnelle) par un fluide d’imprégnation suivie d’une cuisson/explosion à la vapeur de la biomasse, que l’invention va modifier : La biomasse (broyée) 5 entre dans une zone de transfert comprenant un dispositif d’alimentation type vis de compression 6, qui peut optionnellement être lavé par circulation d’un fluide de lavage 7 type eau (évacuée sous forme d’un liquide de lavage usé 8), et qui amène la biomasse dans le réacteur d’imprégnation 9, également alimenté en fluide d’imprégnation 4 par une cuve de préparation 3 alimentée en eau 1 et en composé d’imprégnation 2 (type acide, base). Comme indiqué plus haut, il peut ne pas y avoir d’imprégnation. L’imprégnation peut aussi être opérée différemment, en batch (trempage de la biomasse dans une cuve contenant le fluide d’imprégnation), ou en continu, par aspersion par exemple, ou par passage de la biomasse dans un réacteur agité.
On peut ainsi un mode d’alimentation et un mode d’imprégnation différents, comme un tapis convoyeur amenant la biomasse sous un dispositif de pulvérisation de fluide d’imprégnation.
La biomasse imprégnée 10 passe ensuite dans une zone de transfert comprenant une vis de compression d’alimentation 11 , lavée par un fluide de lavage 12 (eau de lavage) , l’eau de lavage usée 13 étant évacuée. La biomasse vient ensuite alimenter un réacteur de cuisson 14 en présence de vapeur d’eau 15, puis est extraite du réacteur sous forme de biomasse prétraitée 16, pour poursuivre son procédé de conversion en sucres ou en alcool.
La figure 3 met en avant la première étape de modification par l’invention du procédé selon la figure 2 : Le fluide 8 extrait du dispositif d’alimentation 6 du réacteur d’imprégnation 9, qui peut être de l’eau provenant de la biomasse native (ou de l’eau ajoutée à la biomasse avant d’entrer dans le dispositif d’alimentation) et/ou de l’eau de lavage usée issue de l’eau de lavage 7. Ce fluide 8 est en fait constitué d’une phase liquide (l’eau) et de particules solides (de biomasse) en suspension. Selon l’invention, il est conduit dans un dispositif de séparation solide/liquide 30, en sortie duquel on récupère une phase/un résidu liquide 31 et un résidu solide 32. Il peut s’agir, par exemple, d’un dégrilleur. Ces deux résidus vont ainsi pouvoir être valorisés/réutilisés séparément de façon très avantageuse, comme décrit plus loin.
De manière analogue, le fluide 13 extrait du dispositif d’alimentation 11 du réacteur de cuisson 14 est aussi constitué d’une phase liquide (l’eau) et de particules solides (de biomasse) en suspension. Selon l’invention, il est conduit dans un dispositif de séparation solide/liquide 40, en sortie duquel on récupère une phase/un résidu liquide 41 et un résidu solide 42. Il peut s’agir, par exemple, également d’un dégrilleur. Ces deux résidus vont ainsi pouvoir être valorisés/réutilisés séparément de façon très avantageuse, comme décrit plus loin.
Cette séparation et ces valorisations/réutilisations des résidus solides et liquides peuvent n'être réalisées que sur le dispositif d’alimentation du dispositif /réacteur d’imprégnation 9 ou que sur celui du dispositif /réacteur de cuisson 14, ou sur les deux dispositifs, naturellement.
La figure 4 illustre une valorisation du résidu solide 32 (étape d’imprégnation), par réinjection du résidu 32 avec la charge de biomasse 5 en entrée du dispositif d’alimentation 6. Dans ce cas de figure, le résidu solide 32 a une composition proche/très proche de, voire identique à celle que la biomasse 5, mais il peut se trouver sous forme de particules de plus petite taille (quand le dispositif d’alimentation est de type vis de compression, qui a une action mécanique sur la biomasse.
Le recyclage du résidu solide 32 en entrée du réacteur imprégnation 9 avec la biomasse broyée 5 permet de ne pas perdre ce flux solide, et d’obtenir un résidu liquide 31 « clair » (dépourvu de particules visibles en suspension), qui est réutilisable également. Ce recyclage solide permet d’augmenter le rendement du procédé, puisque le résidu 32 contient des polymères de sucres, d’augmenter le rendement en lignine, car le résidu 32 contient de la lignine, et de diminuer la consommation d’eau du procédé, puisque le résidu contient aussi de l’eau. La séparation solide/liquide peut se faire sur tout ou une partie du flux 8 sortant du dispositif d’alimentation 6, et ce recyclage du résidu solide 32 peut se faire sur tout ou une partie dudit résidu solide.
La figure 5 illustre une valorisation du résidu solide 42 (étape de cuisson), par réinjection du résidu 42 en entrée du dispositif 12 d’alimentation du dispositif/réacteur de cuisson 14. Dans ce cas de figure, le résidu solide 42 est de composition différente du résidu 32, dans la mesure où il a été obtenu à partir de biomasse imprégnée par un liquide d’imprégnation, notamment fortement acide, et/ou à partir d’eaux de lavage du dispositif d’alimentation qui peuvent aussi contenir une certaine teneur de ce fluide/de cet acide.
Le recyclage du résidu solide 42 avec la biomasse imprégnée 10 permet de ne pas perdre ce flux solide, et d’obtenir un résidu liquide 41 (aussi appelé pressât) clair. Ce recyclage solide permet d’augmenter le rendement du procédé, puisque le flux 42 contient des polymères de sucres, d’augmenter le rendement en lignine, puisque le flux 42 contient de la lignine, et de diminuer la consommation du liquide d’imprégnation 2, puisque le résidu 42 contient du liquide d’imprégnation. La séparation solide/liquide peut se faire sur tout ou une partie du flux 13 sortant du dispositif d’alimentation 11 , et ce recyclage du résidu solide 42 peut se faire sur tout ou une partie dudit résidu solide.
On peut aussi recycler tout ou partie du résidu solide 42 avec la biomasse broyée 5 en entrée d’imprégnation, mais ce recyclage parait moins avantageux, car on réalise alors une seconde imprégnation de la biomasse, déjà acide, du résidu 42.
La figure 6 représente à la fois la réinjection du résidu solide 32 selon la figure 4 et celle du résidu solide 42 selon la figure 5, et illustre donc un mode de réalisation où l’invention est appliquée deux fois dans le procédé de conversion de biomasse, avec les mêmes avantages que ceux décrits au sujet des figures 4 et 5. Chacune des réutilisations des deux résidus solides peut être mise en oeuvre sur l’ensemble de chacun des résidus ou sur une partie seulement de ceux-ci. On peut aussi envisager de regrouper tout ou partie des deux résidus solides pour les réutiliser conjointement dans le procédé.
La figure 7 représente la réinjection des deux résidus solides 32 et 42 conformément à la figure 6, mais également la réutilisation des deux résidus liquides 31 et 41 correspondants :
- Le résidu liquide 31 est réinjecté dans l’entrée de lavage du dispositif d’alimentation 6 du dispositif d’imprégnation, il s’agit essentiellement d’eau.
- Le résidu liquide 41 est réinjecté dans la cuve de préparation de la liqueur d’imprégnation. En effet, ce résidu 41 contient une certaine teneur en acide (si on continue de prendre l’exemple d’une liqueur d’acide), et le réinjecter dans la cuve 3 apporte un appoint d’eau et d’acide intéressant.
Le recyclage des résidus liquides 31 et 41 permet une diminution de consommation en eau et en liquide d’imprégnation. Ce recyclage peut se faire sur tout ou une partie des résidus liquides. Comme pour les résidus solides, on peut aussi envisager de les regrouper, au moins en partie, pour les recycler conjointement dans le procédé.
La figure 8 propose des variantes, par rapport à la figure 7, pour réutiliser les résidus liquides 31 et 41 : les flèches pointillées indiquent différentes possibilités, alternatives ou cumulatives pour les réinjecter en tout ou partie dans le procédé de prétraitement de la biomasse. Ainsi, le résidu liquide 31 (celui en amont du dispositif d’imprégnation) peut aussi être réinjecté, en tout ou partie, dans la cuve 3 de préparation de la liqueur d’imprégnation en tant qu’appoint d’eau. Il peut aussi, en tout ou partie, être réinjecté comme eau de lavage 12 pour le dispositif d’alimentation 11 du dispositif de cuisson 14, ou comme eau de lavage 7 pour le dispositif d’alimentation 6 du dispositif d’imprégnation 9, si un lavage est prévu pour ce dispositif également. Il peut aussi, en tout ou partie, être additionné au résidu liquide 41 et suivre son circuit de réinjection. Inversement, le résidu liquide 41 peut lui aussi, en tout ou partie, être additionné au résidu liquide 31 , avant d’être conjointement réutilisés dans la cuve 3 de préparation de la liqueur 4 par exemple (ces deux variantes n’étant pas représentées aux figures).
A noter aussi que ces résidus liquides 31 ,41 , et notamment au moins le résidu 41 qui contient de l’acide, peuvent aussi être réutilisés/réinjectés directement dans le dispositif d’imprégnation 9, si sa teneur en acide est, de préférence, contrôlée en amont.
A noter enfin qu’au moins un de ces résidus liquides 31 ,41 peut aussi être réutilisé dans le procédé de conversion de la biomasse en aval de son prétraitement, dans une étape ultérieure à sa cuisson qui a besoin d’un apport d’eau et/ou d’un apport d’eau présentant un pH acide.
La figure 9 propose une modification selon l’invention de l’installation décrite à la figure 1 : ici, les deux résidus solides issus des dispositifs d’alimentation du réacteur d’imprégnation 9 et du réacteur de cuisson 14, ou au moins l’un deux, est au moins en partie réintroduit en aval du prétraitement de la biomasse. Les lignes pointillées indiquent les différentes options, alternatives ou cumulatives, pour réintroduire ces résidus solides, en tout ou partie : on peut donc les réintroduire en entrée du réacteur d’hydrolyse 20 ou du réacteur de fermentation 22 ou même en entrée de l’équipement de séparation 24, notamment via leurs propres dispositifs d’alimentation, qui sont conventionnels (par exemple, une/des conduites ou système de vis sans fin débouchant dans une entrée ménagée dans le réacteur). Le résidu solide vient ainsi se mêler au flux de biomasse prétraitée 19, et/ou au flux d’hydrolysat 21 et/ou au moût de fermentation 23.
Une dernière option représentée à la figure 9 consiste à introduire directement tout ou partie du résidu solide 32 et/ou 42 dans le résidu final 26 issu de la séparation du moût de fermentation, résidu qu’on peut valoriser en tant que combustible. Dans ce cas, on augmente directement la quantité de résidu final 26, donc la quantité de combustible réutilisable dans l’installation elle-même ou hors de l’installation. C’est un autre type de valorisation, qui cherche non pas à augmenter le rendement de conversion de la biomasse du procédé, mais à exploiter au mieux les résidus du procédé.
Exemples
Ils concernent un procédé de prétraitement de biomasse lignocellulosique avec imprégnation à la liqueur acide puis explosion à la vapeur, comme décrit à la figure 1 . Le terme « sucre (xylose, glucose) potentiel » utilisé plus loin définit l’addition des différents sucres, peu importe leur forme : sucre monomère ou polymère. En effet, après prétraitement par cuisson, une partie des sucres reste sous forme de polymère de sucres (cellulose ou hémicellulose par exemple), et une partie des sucres est sous forme de monomère de sucres (glucose ou xylose par exemple). Cette mesure peut être réalisée en utilisant la norme ASTM £1758-01 (2020) « Standard Test Method for Determination of Carbohydrates in Biomass by High Performance Liquid Chromatography ». Comme défini dans la norme, pour exprimer cette quantité de sucres sous forme de polymère (cellulose par exemple), il faut retrancher l’eau de l’hydrolyse cette quantité.
Exemple 1 (comparatif)
La biomasse 5 est une biomasse lignocellulosique de paille de blé. Sa composition est indiquée dans le tableau 1 ci-dessous :
[Table 1]
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Après hydrolyse, la cellulose est convertie en glucose ou en oligomères de glucose, et l’hémicellulose est convertie en xylose ou en oligomères de xylose.
642 kg/h de cette biomasse broyée 5 à 50 mm entre dans le procédé avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7. Un premier flux solide/liquide 8 de 203,8 kg /h sort du procédé, dans ce flux se trouve 1 ,3 kg/h de glucose potentiel, 1 ,1 kg/h de xylose potentiel. Dans l’étape d’imprégnation (réacteur 9), 1622,6 kg/h d’eau et 84,2 kg/h d’acide sulfurique sont ajoutés au réacteur à partir de la cuve de préparation 3 et constituent le liquide d’imprégnation 4.
En entrée du réacteur de cuisson 14, on alimente la zone de transfert 11 avec la biomasse imprégnée 10. La zone de transfert 11 (vis de compression) est lavée avec 4087,0 kg/h d’eau 12, un second flux solide/liquide 13 de 5099,9 kg/h sort de la zone 11. Dans ce flux 13, se trouvent 2,7 kg/h de glucose potentiel, 2,2 kg/h de xylose potentiel et 45,6 kg/h d’acide. Le réacteur de cuisson 14 est chauffé par un flux de vapeur 15 de 3471 ,1 kg/h. En sortie de ce réacteur 14, sort le flux de biomasse prétraitée 16 de 4803.8 kg/h, comprenant 237,8 kg/h de glucose potentiel et 155,2 kg/h de xylose. Aux bornes du prétraitement, c’est-à-dire entre l’entrée de la biomasse 5 dans le dispositif d’alimentation 6 et sa sortie du réacteur de cuisson 14, ont donc été conservés 98,1% poids du glucose potentiel et 78,8% poids du xylose potentiel.
Exemple 2 (conforme à l’invention)
Il est réalisé conformément à la variante de l’invention représentée à la figure 4 : on réalise le recyclage du résidu solide récupéré en entrée du réacteur d’imprégnation. La charge biomasse est la même que dans l’exemple 1 . Le débit est le même que pour l’exemple 1 : 642 kg/h de cette biomasse 5 broyée 50 mm entre dans le procédé avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7. Un premier flux 8 solide/liquide de 203,8 kg /h sort de la zone de transfert 6 vers l’imprégnateur 9. Ce flux est séparé dans un outil de séparation 30 en un flux/résidu liquide 31 de 192 kg/h et un flux/résidu solide 32 de 1 1 ,8 kg/h. L’outil de séparation 30 est un dégrilleur.
Ce résidu solide 32 résultant de la séparation solide/liquide est relativement humide (25% MS), et est composé de 1 ,3 kg/h de glucose potentiel, de 1 ,1 kg/h de xylose potentiel. Il est recyclé avec la biomasse broyée 5 en entrée du dispositif d’alimentation 6. De manière surprenante, le recyclage de ce résidu solide 32 en entrée d’imprégnation ne provoque pas d’accumulation dans le dispositif d’alimentation 6 malgré sa faible granulométrie et malgré le fait que le résidu solide soit dans un premier temps passé par les trous de la cage de la vis d’alimentation: il est entraîné par la biomasse broyée 5 dans le réacteur d’imprégnation 9 . Dans l’étape d’imprégnation , les mêmes quantités d’eau et d’acide sulfurique sont ajoutées dans la cuve de préparation 3 du liquide d’imprégnation 4 que pour l’exemple 1 .
La suite du procédé est identique à l’exemple 1 . En sortie de du réacteur de cuisson 14, sort le flux de biomasse prétraitée 16 de 4815,5 kg/h, comprenant 239,2 kg/h de glucose potentiel et 156,1 kg/h de xylose potentiel.
Aux bornes du prétraitement (même acception de ce terme que dans l’exemple 1 ), ont donc été conservés 98,6% poids du glucose potentiel et 79,2% poids du xylose potentiel, soit une hausse de rendement de 1 ,0 point. De plus, l’invention a permis de recycler un solide 32 qui n’avait jusque-là pas de finalité.
Exemple 3 (conforme à l’invention)
Il est réalisé conformément à la variante de l’invention représentée à la figure 5 : on réalise ici le recyclage du résidu solide récupéré en entrée du réacteur de cuisson. On traite ici la même charge que dans les deux exemples précédents. 642 kg/h de cette biomasse 5 broyée à 50 mm entre dans le procédé avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7. Un premier flux solide/liquide 13 de 203,8 kg /h sort du procédé, par compression de la biomasse imprégnée dans la vis d’alimentation 1 1 . Dans ce flux, se trouvent 1 ,3 kg/h de glucose potentiel et 1 ,1 kg/h de xylose potentiel. Dans l’étape d’imprégnation, 1622,6 kg/h d’eau et 84,2 kg/h d’acide sulfurique sont ajoutés à partir de la cuve de préparation 3 du liquide d’imprégnation 4.
Le débit est le même que pour les exemples 1 et 2 : 642 kg/h de cette biomasse broyée à 50 mm entre dans le procédé (elle entre dans le réacteur d’imprégnation 9) avec un débit de 200 kg/h d’eau de lavage 7 Un premier flux 8 solide/liquide 13 de 203,8 kg /h sort du procédé. Dans ce flux, se trouvent 1 ,3 kg/h de glucose potentiel et 1 ,1 kg/h de xylose potentiel. Dans l’étape d’imprégnation (réacteur 9), on utilise les mêmes quantités d’eau que dans les exemples 1 et 2, mais seulement 84 kg/h d’acide sulfurique (gain de 0,2%pds par rapport aux exemples précédents, sont ajoutés dans la cuve 3 de préparation du liquide d’imprégnation 4.
En entrée du réacteur de cuisson 14, on alimente la zone de transfert 1 1 avec la biomasse imprégnée 10. La zone de transfert 11 est lavée avec 4087 kg/h d’eau 12, un second flux 13 solide/liquide de 5097,9 kg/h sort de la zone de transfert 11 vers le réacteur de cuisson 14. Ce flux 13 est séparé dans un outil de séparation 40, ici un dégrilleur, en un flux-résidu liquide 41 de 5074,1 kg/h, et un flux-résidu solide 42 de 23,8 kg/h. Ce flux solide 42 résultant de la séparation solide/liquide est relativement humide (26,1 %MS) et il est composé de 2,7 kg/h de glucose potentiel, de 2,2 kg/h de xylose potentiel et de 0,2 kg/h d’acide sulfurique. Il est recyclé avec la biomasse imprégnée 10. De manière surprenante, le recyclage de ce résidu 42 entrée cuisson ne provoque pas d’accumulation dans le circuit dans le dispositif d’alimentation 1 1 de type vis de compression, malgré sa faible granulométrie et malgré le fait que le résidu solide soit dans un premier temps passé par les trous de la cage de la vis d’alimentation. Il est entraîné par la biomasse 10 dans le réacteur de cuisson 14.
Le réacteur de cuisson 14 est chauffé par un flux de vapeur 15 de 3471 ,1 kg/h. En sortie de ce réacteur, sort le flux de biomasse prétraitée 16 de 4829,6 kg/h, comprenant 240,5 kg/h de glucose potentiel et 157,4 kg/h de xylose.
Aux bornes du prétraitement (depuis l’entrée dans le dispositif d’alimentation 6 jusqu’à la sortie du réacteur 14) , sont donc conservés 99,2%poids du glucose potentiel et 79,9%poids du xylose potentiel, soit une hausse de rendement de 2,2 points. De plus, le solide 42 a été recyclé, alors qu’il n’avait jusque-là pas de finalité, et on a diminué la consommation d’acide de 0,2%poids. Le tableau 2 ci-dessous indique les compositions de la biomasse 5 broyée et du résidu solide 32 récupéré du dispositif d’alimentation du réacteur d’imprégnation 9.
[Table 2]
Figure imgf000030_0001
On voit que le résidu 32 a une composition très analogue à celle de la biomasse de départ, avec une teneur en eau nettement plus élevée.
Le tableau 3 ci-dessous indique à nouveau la composition de la biomasse 5 broyée, et celle du résidu solide 42 récupéré du dispositif d’alimentation du réacteur de cuisson 14 :
[Table 3]
Figure imgf000030_0002
On voit que le résidu 42 a une composition analogue à celle de la biomasse de départ, avec une teneur en eau nettement plus élevée, et une teneur en acide sulfurique en plus, ce qui justifie l’intérêt de le recycler.
Exemple 4 (conforme à l’invention) II est réalisé conformément à la variante de l’invention représentée à la figure 6 : on réalise ici à la fois le recyclage du résidu solide 32 récupéré en entrée du réacteur d’imprégnation 9 et celui du résidu solide 42 récupéré en du réacteur de cuisson 14. On traite ici la même charge que dans les exemples précédents. Les débits résultats des recyclages décrits dans l’exemple 2 et 3 s’appliquent à l’exemple 4 : on augmente le rendement aux bornes du prétraitement en recyclant ces deux résidus solides, et on diminue la consommation d’acide.
Aux bornes du prétraitement, ont été conservé 99,7%poids du glucose potentiel et 80,3%poids du xylose potentiel, soit une hausse de rendement de 3,2 points. De plus, deux solides 32,42 ont été recyclés, qui n’avaient pas de finalité jusque-là. Le débit brut cumulé de ces deux résidus n’est pas négligeable, puisqu’il représente 6% du débit brut de biomasse lignocellulosique. Enfin, la consommation d’acide a été diminuée de 0,2%poids.

Claims

Revendications
1. Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique comprenant un taux de matière sèche d’au plus 90% en poids, ledit procédé comprenant la mise en oeuvre d’au moins un réacteur (9 ;14) de traitement de ladite biomasse, ledit réacteur (9 ;14) étant équipé d’un dispositif d’alimentation (6 ;1 1 ) en biomasse qui est muni d’une entrée de biomasse et d’une sortie de biomasse, ladite sortie de biomasse étant en connexion fluidique avec une entrée du réacteur, caractérisé
- en ce qu’on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation (6 ;11 ) vers le réacteur (9 ;14), un résidu (8 ;13) par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- en ce qu’on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41 ),
- et en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32 ;42) dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on réalise un lavage du ou d’au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;11 ) par circulation d’un fluide de lavage (7 ;12) entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation, la sortie de lavage étant de préférence également la sortie d’extraction du résidu solide-liquide.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu liquide (31 ;41 ) dans le même dispositif d’alimentation, ou dans un desdits dispositifs d’alimentation dans le cas d’une pluralité de réacteurs.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit procédé comprend la mise en oeuvre de plusieurs réacteurs (9 ;14) de traitement de ladite biomasse, en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32 ;42) dans un des dispositifs d’alimentation desdits réacteurs, et en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu liquide (31 ;41 ) dans un autre desdits dispositifs d’alimentation.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce le ou au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;1 1 ) crée une augmentation de pression entre l’entrée de biomasse et la sortie de biomasse dudit dispositif, cette augmentation de pression générant une compression de la biomasse conduisant à l’extraction du résidu solide-liquide (8 ;13).
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;1 1 ) est une vis d’alimentation, notamment au moins en partie conique, comprenant un carénage muni d’une cage munie d’ouvertures qui permettent l’extraction du résidu solide-liquide (8 ; 13) de la biomasse et éventuellement la circulation d’un fluide de lavage (7 ;12).
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on sépare ledit résidu solide-liquide (8 ;13) en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41 ) par au moins un dispositif de séparation (30 ;40) choisi parmi un dispositif de centrifugation, un dispositif d’égouttage ou de pressage, un dégrilleur.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’imprégnation de la biomasse par une liqueur d’imprégnation (4) contenant un catalyseur chimique, ladite étape étant mise en oeuvre par introduction de la biomasse dans le ou un des réacteurs d’imprégnation (9) par son/leur dispositif d’alimentation (6).
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de traitement de la biomasse par cuisson ou explosion à la vapeur, ladite étape étant mise en oeuvre par introduction de la biomasse dans le ou un des réacteurs de cuisson (14) par son/leur dispositif d’alimentation (1 1 ).
10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de traitement de la biomasse par hydrolyse enzymatique, ladite étape étant postérieure à sa cuisson ou explosion à la vapeur, dans un réacteur d’hydrolyse enzymatique (20) muni de son dispositif d’alimentation.
1 1 . Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de traitement de la biomasse par fermentation, ladite étape étant postérieure ou concomitante à l’étape d’hydrolyse enzymatique, dans un réacteur de fermentation (22) muni de son dispositif d’alimentation.
12. Procédé selon l’une des revendications 8 à 1 1 , caractérisé en ce qu’on extrait de la biomasse, lors de son passage dans le dispositif d’alimentation (6 ;11 ) vers le réacteur d’imprégnation (9) et/ou vers le réacteur de cuisson (14), un résidu (8 ;13) par une sortie d’extraction prévue dans ledit dispositif, ledit résidu, dit résidu solide-liquide, étant un mélange de solide et de liquide,
- en ce qu’on sépare ledit résidu solide-liquide en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41 ),
- et en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32 ;42) dans le même dispositif d’alimentation (6 ;1 1 ) ou dans au moins un des dispositifs d’alimentation du réacteur d’hydrolyse enzymatique (20) et/ou du réacteur de fermentation (22) et/ ou du réacteur de séparation (24).
13. Procédé selon la revendication 9 et la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32 ;42) dans le dispositif d’alimentation du réacteur d’imprégnation (9) ou dans le dispositif d’alimentation du réacteur de cuisson (14), et en ce qu’on réutilise le résidu liquide (31 ;41 ) pour la préparation de la liqueur d’imprégnation.
14. Procédé selon la revendication 10 et la revendication 12, caractérisé en ce qu’on réintroduit au moins une partie du résidu solide (32 ;42) dans le dispositif d’alimentation du réacteur d’hydrolyse enzymatique (20) d’imprégnation (9), et en ce qu’on réutilise le résidu liquide (31 ;41 ) pour la préparation de la liqueur d’imprégnation.
15. Procédé selon l’une des revendications précédentes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes
- a) Préparation d’une liqueur d’imprégnation (4) contenant un catalyseur chimique (2) destinée à l’imprégnation de la biomasse (5), catalyseur choisi parmi un catalyseur acide, un catalyseur basique et un catalyseur oxydant, et de préférence un catalyseur acide, dans une zone de préparation (3),
- b) Introduction de la biomasse (5) dans un réacteur d’imprégnation (9) à l’aide d’un premier dispositif d’alimentation (6), ledit premier dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un premier fluide de lavage (7) entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif (6),
- c) Introduction de la liqueur dans le réacteur d’imprégnation (9) par une première entrée de liqueur (4) du réacteur,
- d) Transfert de la biomasse imprégnée puis égouttée (10) depuis une sortie du réacteur d’imprégnation vers une entrée d’un réacteur (14) de prétraitement par cuisson par au moins un deuxième dispositif d’alimentation (11 ), ledit deuxième dispositif d’alimentation étant lavé par circulation d’un deuxième fluide de lavage (12) entre une entrée de lavage et une sortie de lavage dudit dispositif d’alimentation,
- e) Prétraitement de ladite biomasse (10) dans ledit réacteur par cuisson ou explosion à la vapeur (14),
- f) Extraction à partir de la biomasse d’un résidu solide-liquide(8 ;13) traversant au moins un des deux dispositifs d’alimentation (6 ;11 ), puis séparation dudit/ de chacun des résidus solide- liquide en un résidu solide (32 ;42) et un résidu liquide (31 ;41 ), avec réintroduction d’au moins une partie du résidu solide en tant qu’appoint de biomasse dans au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;11), et réintroduction d’au moins une partie du résidu liquide (31 ;41) en tant qu’appoint de fluide de lavage dans au moins un des dispositifs d’alimentation (6 ;11 ) ou en tant qu’appoint pour la liqueur d’imprégnation dans la zone (3) de préparation de la liqueur ou dans le réacteur d’imprégnation (9).
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4599138A (en) 1977-05-02 1986-07-08 Mooch Domsjo Aktiebolag Process for pretreating particulate lignocellulosic material to remove heavy metals
US8057639B2 (en) 2008-02-28 2011-11-15 Andritz Inc. System and method for preextraction of hemicellulose through using a continuous prehydrolysis and steam explosion pretreatment process
WO2014060674A1 (fr) * 2012-10-18 2014-04-24 IFP Energies Nouvelles Procédé de production d'ethanol à partir de biomasse avec recyclage d'un flux interne comprenant de l'ethanol en amont ou au sein du pretraitement
FR3075201A1 (fr) 2017-12-20 2019-06-21 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement de biomasse ligno-cellulosique
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003060443A1 (fr) 2001-12-21 2003-07-24 Spectral Dimensions, Inc. Surveillance d'un procede spectrometrique

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4599138A (en) 1977-05-02 1986-07-08 Mooch Domsjo Aktiebolag Process for pretreating particulate lignocellulosic material to remove heavy metals
US8057639B2 (en) 2008-02-28 2011-11-15 Andritz Inc. System and method for preextraction of hemicellulose through using a continuous prehydrolysis and steam explosion pretreatment process
US8512512B2 (en) 2008-02-28 2013-08-20 Andritz Inc. System and method for preextraction of hemicellulose through using a continuous prehydrolysis and steam explosion pretreatment process
WO2014060674A1 (fr) * 2012-10-18 2014-04-24 IFP Energies Nouvelles Procédé de production d'ethanol à partir de biomasse avec recyclage d'un flux interne comprenant de l'ethanol en amont ou au sein du pretraitement
FR3075201A1 (fr) 2017-12-20 2019-06-21 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement de biomasse ligno-cellulosique
FR3075203A1 (fr) 2017-12-20 2019-06-21 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement de biomasse ligno-cellulosique par impregnation

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. BALAT: "Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review", ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT, vol. 52, 2011, pages 858 - 875, XP055567536, DOI: 10.1016/j.enconman.2010.08.013
N. SARKARS. KUMAR GHOSHS. BANNERJEEK. AIKAT: "Bioethanol production from agriculturalwastes : an overview", RENEWABLE ENERGY, vol. 37, 2012, pages 19 - 27

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