Chapitre 5 : Analyses de sensibilité des performances de la bioraffinerie produisant du
5.5. Analyse environnementale
Dans cette dernière partie, une discussion à propos de l’analyse environnementale est présentée. L’analyse environnementale dépend intégralement des bilans globaux sur la bioraffinerie. On recense parmi les données d’entrée nécessaires : la composition et les débits des courants de matières premières, de déchets et des utilités. Ainsi, la diminution de l’impact environnemental de la bioraffinerie revient à diminuer les consommations de matières premières et d’utilités et les rejets de l’usine. L’hypothèse que l’ensemble du matériel avait un très faible impact a été admise compte-tenu de la grande durée de vie d’un procédé. En effet, le remplacement de pièces et la maintenance des appareils induit un impact environnemental, mais celui-ci est négligeable par rapport à celui induit par les consommations et les rejets car ces évènements sont ponctuels.
Une première solution pour réduire l’impact environnemental est une intégration énergétique car la consommation d’utilités est fortement restreinte. Ensuite, l’optimisation du procédé permet de maximiser l’efficacité de l’usine en améliorant les taux de conversions des réactions, les taux de récupération des séparations, etc., et ainsi de baisser la consommation de matières premières et les rejets.
Cependant, une partie des déchets ne peut être supprimée théoriquement, en particulier les purges. En effet, ces dernières sont nécessaires aux niveaux des fermenteurs en continu pour éliminer les bactéries mortes et les sous-produits indésirables. Dans une première approche, ces purges sont considérées comme des déchets car elles sont composées à 98 % d’eau et donc la perte en produits semble négligeable. Cependant, les flux de la bioraffinerie sont constitués majoritairement par un milieu aqueux dilué. Ainsi, pour obtenir une forte production, les débits de la bioraffinerie sont très grands, ce qui induit de gros débits de purge. En réalité, pour 1 kg de ABE produit, 0,6 kg d’ABE est perdu dans les purges, c’est-à-dire que 60 % de la production est perdue. En conséquence, de nouvelles méthodes doivent être développées afin de traiter les purges au sein du procédé afin de diminuer l’impact environnemental, accroitre l’efficacité de la bioraffinerie et améliorer les résultats financiers de l’usine.
Par ailleurs, le Tableau 5. 1 montre que des pertes apparaissent également durant l’étape de purification à raison de 0,06 kg d’ABE perdu pour chaque kilogramme de ABE produit. Ces pertes correspondent aux courants composés d’azéotropes et considérés comme des déchets car la présence d’eau empêche le recyclage du courant. Toutefois, la concentration en produits est fortes, par conséquent il serait intéressant de récupérer les produits composants ce courant.
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5.6. Conclusion
Une première conclusion est que les diverses analyses décrites dans ce chapitre montrent l’importance de la superstructure et des différentes étapes du procédé. En effet, les critères sont calculés de façon globale pour la détermination de la bioraffinerie optimale mais il est nécessaire de s’intéresser aux différentes étapes, voire aux sous-étapes afin de pouvoir améliorer le procédé. Cette démarche est schématisée en Figure 5. 15.
Figure 5. 15. Schéma résumé expliquant l'importance de la superstructure
D’après l’étude de l’influence de la stœchiométrie de fermentation sur l’étape de purification, deux stœchiométrie sont intéressantes : la production du butanol seul et la production d’ABE. Même si la production du butanol seul est risquée car le revenu n’est pas assuré en cas de problème sur le marché du butanol, ce scénario propose un prix minimal du butanol faible et un procédé simplifié. D’autre part, la production doublée d’ABE divise par 2 le prix du butanol tout en proposant des paramètres opératoires simples et des appareils seulement légèrement plus grands.
Ensuite, la comparaison entre les différents scénarios de réseaux d’échangeurs établis lors de l’intégration énergétique a permis de déterminer le réseau optimal. Il est caractérisé par un investissement élevé mais également une des plus basses consommations en utilités. Il a été estimé que l’utilisation de ce réseau permettrait d’économiser presque 47,0 M$ durant la durée d’exploitation de l’usine pour un investissement initial de 23,6 M$. Cependant, le réseau ne couple que les courants proches dans les niveaux de températures, ainsi la consommation des utilités très froide et très chaude ne changent pas alors qu’ils sont onéreux.
Par ailleurs, le modèle détaillé de l’évaluation économique a été décrit puis analysé afin d’établir l’influence de paramètres importants tels le taux d’intérêt et le taux d’imposition. On a alors déduit de ces analyses de nouveaux paramètres plus adéquats
Prétraitement Fermentation Séparation Purification
Bois Bioproduits Bioraffinerie Critère économique C1 Critère d’efficacité C2 Critère environnemental C3 Intégration énergétique C4 Pertes en produits C5
172 pour le cas d’étude. Le nouveau prix minimal du butanol est inférieur de 34 %, ce qui assure une meilleure compétitivité face à l’industrie pétrochimique.
Finalement, l’analyse de l’évaluation environnementale a permis de prouver l’importance de l’intégration énergétique et de l’optimisation du procédé. De plus, un obstacle notable qui restreint l’optimisation a également été décelé : les purges des fermenteurs sont indispensables pour le fonctionnement du procédé mais entrainent une perte conséquente de produits, un coût de traitement des déchets et un important impact environnemental. En conséquence, le prochain chapitre sera consacré au traitement des purges afin d’optimiser plus encore la bioraffinerie.
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5.7. Bibliographie
(1) Jang, Y.-S.; Lee, J. Y.; Lee, J.; Park, J. H.; Im, J. A.; Eom, M.-H.; Lee, J.; Lee, S.- H.; Song, H.; Cho, J.-H.; et al. Enhanced Butanol Production Obtained by Reinforcing the Direct Butanol-Forming Route in Clostridium Acetobutylicum. mBio 2012, 3 (5).
(2) Lee, J. Y.; Jang, Y.-S.; Lee, J.; Papoutsakis, E. T.; Lee, S. Y. Metabolic Engineering of Clostridium Acetobutylicum M5 for Highly Selective Butanol Production. Biotechnol. J.
2009, 4 (10), 1432–1440.
(3) Yee, T. F.; Grossmann, I. E. Simultaneous Optimization Models for Heat integration—II. Heat Exchanger Network Synthesis. Comput. Chem. Eng. 1990, 14 (10), 1165–1184.
(4) Rafione, T.; Marinova, M.; Montastruc, L.; Domenech, S.; Srinivasan, B.; Paris, J. Optimization of Water and Energy Consumption in an Integrated Forest Biorefinery. J--
Jounal Sci. Technol. For. Prod. Process. 2012, 2 (4), 54–59.
(5) Winter, O. Preliminary Economic Evaluation of Chemical Processes at the Research Level. Ind. Eng. Chem. 1969, 61 (4), 45–52.
(6) Peters, M.; Timmerhaus, K.; West, R. Plant Design and Economics for Chemical
Engineers; McGraw-Hill Education, 2003.
(7) United States Corporate Tax Rate | 2000-2016 | Data | Chart | Calendar http://www.tradingeconomics.com/united-states/corporate-tax-rate (accessed Apr 25, 2016).
(8) Corporate tax rates table | KPMG | GLOBAL https://home.kpmg.com/xx/en/home/services/tax/tax-tools-and-resources/tax-rates- online/corporate-tax-rates-table.html (accessed Apr 25, 2016).
(9) Impôt sur les sociétés : entreprises concernées et taux d’imposition - professionnels | service-public.fr https://www.service-public.fr/professionnels- entreprises/vosdroits/F23575 (accessed Apr 25, 2016).
(10) From the Sugar Platform to Biofuels and Biochemicals; European Comission Directorate-General Energy, 2015.
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