A. La cuisson acide

II.2.A.2. Imprégnation ... 89

II.2.A.3. Cuisson ... 90

II.2.B. Le post-traitement ... 90

II.2.B.1. Neutralisation de l’hydrolysat ... 90

II.2.B.2. Séparation du marc brut et du jus de cuisson ... 91

II.2.B.3. Lavage du marc brut afin de récupérer la fraction solide... 91

II.3. Méthodologie expérimentale de détente explosive ... 93

II.3.A. La préparation du substrat par cuisson ... 93

II.3.A.1. Description de l’outil ... 93

II.3.A.2. Imprégnation et cuisson ... 94

II.3.A.3. Etapes intermédiaires ... 94

II.3.B. La détente explosive ... 94

II.3.B.1. Description de l’outil ... 94

II.3.B.2. Prétraitement ... 96

II.3.C. Post-traitement ... 96

II.4. Techniques de caractérisation des substrats lignocellulosiques ... 97

II.4.A. Caractérisation chimique ... 97

II.4.A.1. Analyse du jus ... 97

II.4.A.2. Hydrolyse acide du jus ... 98

II.4.A.3. Hydrolyse acide du marc lavé ... 99

II.4.A.4. Reconstitution du substrat ... 100

II.4.B. Caractérisation de la réactivité en hydrolyse enzymatique ... 100

II.4.B.1. Préparation du mélange réactionnel et démarrage du test ... 101

II.4.B.2. Suivi et arrêt du test ... 101

II.4.B.3. Analyses ... 102

II.4.C. Caractérisation avancée des marcs lavés ... 102

II.4.C.1. Préparation des échantillons ... 102

II.4.C.2. Caractérisations physiques et morphologiques ... 103

II.4.C.3. Caractérisation de la porosité : physisorption à l’azote ... 104

II.4.C.4. Caractérisation physico-chimique... 105

II.5. Conclusion ... 107

87

II.1.Introduction

Afin de comprendre et prédire l’impact d’un prétraitement sur la composition et la

morphologie des substrats lignocellulosiques et donc sur leur réactivité en hydrolyse enzymatique, une

méthodologie expérimentale globale a d’abord été établie en préambule des études expérimentales

Ce chapitre vise donc à décrire, en premier lieu, les méthodologies de prétraitement (cuisson

acide et explosion à la vapeur) qui ont permis de produire une grande variété de substrats aux

caractéristiques physico-chimiques variées. Le second objectif est de préciser l’ensemble des

techniques analytiques qui ont été sélectionnées pour caractériser ces substrats prétraités afin de

comprendre la relation entre leur nature et leur réactivité à l’hydrolyse enzymatique. C’est le cas, par

exemple, des techniques classiques de caractérisation de la biomasse (teneur en matière sèche,

potentiel sucre par hydrolyse acide, etc…) mais aussi de techniques plus pointues comme la

microscopie électronique à balayage, la physisorption d’azote, la granulométrie laser, etc… Le dernier

objectif du chapitre consiste à expliciter le test d’hydrolyse enzymatique qui a été utilisé tout au long

de la thèse et qui a permis de comparer la réactivité des substrats prétraités entre eux.

88

II.2.Méthodologie expérimentale de cuisson acide

Le prétraitement par explosion à la vapeur peut se découpler schématiquement en deux

phases : une phase de vapocraquage et une phase de détente explosive. Afin d’explorer

indépendamment ces deux phases, il a été choisi d’étudier dans un premier temps la phase de

vapocraquage qui peut être assimilée à une cuisson acide (ou auto-hydrolyse en l’absence d’apport

d’acide).

Dans le cadre de la thèse, différentes conditions opératoires de cuisson acide ont donc été

appliquées sur différents substrats afin d’obtenir plusieurs échantillons ayant des caractéristiques

différentes en termes de composition et/ou de réactivité à l’hydrolyse enzymatique. Pour réaliser ces

expérimentations, deux substrats lignocellulosiques ont été utilisés :

 une paille de blé (variété Bermude – blé tendre d’hiver) récoltée en 2014, dans le

département de la Marne (51), prébroyée sur champ (50-100 mm) et pressée en balle

avant stockage sous grange. Elle a ensuite et dépoussiérée et broyée grossièrement à

20 mm avant son envoi et utilisation à IFPEN.

 une pâte à papier blanchie fournie sous forme de pâte séchée (pâte de bois de feuillus)

par le Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2, INP-Pagora, Grenoble).

De plus, dans le cadre de l’étude sur la formation des humines, trois substrats modèles ont

aussi été sélectionnés afin de représenter les trois fractions majoritaires de la biomasse

lignocellulosique : de la cellulose Avicel PH101 commandée chez Sigma-Aldrich, du xylane d’épis de

maïs provenant de chez Roth (≥ 95% de xylooligosaccharides) et de la lignine commerciale de paille

de blé, extraite par traitement alcalin, achetée auprès de Green Value SA (Protobind 1000).

II.2.A.La cuisson acide

II.2.A.1.Description de l’outil

L’unité U868, disponible à IFPEN sur le site de Lyon, est une unité pilote travaillant en batch

et pouvant fonctionner à la pression maximale de 40 bar et à la température maximale de 250°C

(Figure II.1). Son réacteur autoclave est constitué d’un corset métallique permettant de tenir la

pression, à l’intérieur duquel se trouve une chemise amovible en hastelloy

10

d’une capacité totale de

0.9 L (hauteur interne = 14.5 cm ; diamètre interne = 9 cm).

L’autoclave est chauffé puis maintenu à la température de consigne à l’aide de cartouches

électriques situées dans les parois de l’autoclave (permettant de réguler la température de la phase

liquide à l’aide d’un thermocouple plongé dans le mélange réactionnel) et dans la bride supérieure

(permettant de réguler la température de la phase gaz à l’aide d’un thermocouple situé dans le ciel

gazeux). Un manomètre permet aussi de suivre la pression dans l’autoclave. A la fin de

l’expérimentation, l’autoclave est refroidi grâce à un vortex d’air passant entre la chemise et le corset

métallique. Le refroidissement est régulé par le thermocouple mesurant la température de la phase

10

Superalliage contenant principalement du nickel, mais aussi plusieurs métaux comme le chrome, le

magnésium, le fer et le titane. Il est extrêmement résistant à la corrosion même pour des températures de plus de

800°C.

89

liquide. Le milieu réactionnel est agité grâce à un agitateur mécanique ayant la forme d’une ancre. La

vitesse maximale d’agitation est de 400 tr/min.

Figure II.1 : Photographie de l’unité de cuisson U868

L’outil possède également un coffret de contrôle composé d’un jeu de commandes Fuji (mise

en marche de l’alimentation générale, de l’agitation et de la chauffe) et d’un écran tactile permettant

d’introduire et de suivre les consignes d’essai. Les profils de température et de pression peuvent aussi

être récupérés informatiquement.

II.2.A.2.Imprégnation

Les cuissons acides réalisées durant la thèse ont toutes été effectuées en présence d’acide

sulfurique. Avant le démarrage de l’essai, une liqueur d’imprégnation est donc préparée à partir

d’acide sulfurique à 72 %pds (LCH Chimie). La concentration de la liqueur, préparée

indépendamment pour chaque essai, est vérifiée par dosage acido-basique.

Le volume total disponible dans la chemise de l’unité étant de 0.9 L, la masse maximale du

mélange réactionnel est fixée à 400 g (substrat + liqueur d’imprégnation) afin de conserver un ciel

gazeux et garantir une bonne homogénéisation du mélange durant la cuisson. La teneur en matière

sèche du mélange est adaptée selon le substrat étudié et sera donc précisée dans chaque chapitre

expérimental.

Une fois le mélange réactionnel préparé, l’ensemble est pesé exactement et le pH initial du

mélange est noté. La chemise est ensuite introduite dans le corset du réacteur, l’ensemble est fermé

90

d’assurer une bonne imprégnation lorsque cela se révèle nécessaire (paille de blé notamment qui

nécessite plusieurs heures pour être parfaitement imbibée par la liqueur).

II.2.A.3.Cuisson

Après la phase d’imprégnation, l’agitation est augmentée à 300 tr.min

-1

pour garantir une

bonne homogénéisation du mélange lors de l’étape de cuisson. Le système de chauffe est aussi mis en

marche pour atteindre la température de consigne. Pour cette unité, la montée et la descente en

température sont respectivement d’environ +12°C.min

-1

et –10°C.min

^-1

. Le temps de séjour est calculé

comme étant la durée de cuisson à la température de consigne ; les temps de montée et de descente en

température ne sont donc pas pris en compte.

L’évolution de la température et de la pression est enregistrée, ce qui permet de calculer le

facteur de sévérité pour chaque essai grâce à une formule qui intègre l’ensemble du profil de

température durant la cuisson (montée et descente de température comprises) :

Equation II.1 :  

pH

T

T

e

t

F

Dans le document Relation morphologie/réactivité des substrats lignocellulosiques : impact du prétraitement par explosion à la vapeur (Page 101-106)