1.1. Origine et propriétés des biomasses sélectionnées
Deux types de biomasse, le bois de hêtre et les tiges de tournesol, ont été utilisés pour l’ensemble des tests menés dans ces travaux. Le choix de ces biomasses répond à des critères précis que nous détaillerons par la suite. Par ailleurs, nous utiliserons les abréviations BW (« Beech wood ») et SFS (« Sun Flower Stalk ») pour désigner les bois du hêtre et les tiges de tournesol, respectivement.
Le hêtre (fagus sylvica) est une espèce d’arbre à feuillus caduques habituelle de forêts tempérées
d’Europe et Asia. Dans nos travaux, la sciure du bois du hêtre décortiqué a été choisie comme biomasse de référence. Il s’agit d’un produit homogène de granulométrie contrôlée, commercialisé par la société Allemagne JRS (GmbH) pour des applications, entre autres, de fumage dans l’industrie alimentaire. La référence du produit utilisé est HBK (750-2000 µm). Cette essence de bois est généralement utilisée dans le domaine des procédés de conversion thermique pour sa disponibilité, son homogénéité, et la faible teneur en matières inorganiques.
Figure 24: Images SEM d’une particule du hêtre de 1mm (adapté de143).
Le tournesol (helianthus annuus) est une plante annuelle, appartenant à la famille des Astéracées
(Composées) cultivé dans des climats tempérés par tout le globe pour la production d’huile alimentaire à partir de ses graines. Dans nos travaux nous avons utilisé une fraction résiduelle de la culture du tournesol principalement composée des tiges en excluant le capitule et les graines. Les tiges sont constituées par une écorce externe de nature lignocellulosique, dont la proportion massique représente le 90% du totale, et une moelle interne poreuse de nature pectique et à faible contenu en hémicelluloses et lignine323, dont la proportion massique représente environ le 10% du totale. Contrairement au capitule de la plante dont le haut contenu en pectines favorise sa valorisation alimentaire, les tiges de tournesol n’ont pas actuellement une voie de valorisation de préférence. Des travaux ont porté sur leur possible valorisation pour la production de pulpe papetière324, panneaux/biocomposites325–328, bioethanol329 et production de nanocelluloses330.
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Figure 25: Observation SEM de l’écorce (à droite) et moelle (à gauche) d'une section de 29mm diamètre de tige de tournesol (centre) (adapté de331).
Les propriétés physicochimiques de deux biomasses utilisées dans cette étude sont détaillées dans le Tableau 8.
Tableau 8 : Propriétés physique-chimiques de deux biomasses utilisées dans cette étude et protocoles analytiques.
Résultat exprimés en %(wt bs) Bois du hêtre (BW) Tiges de tournesol (SFS) Reference méthode de mesure
Teneur eau(a) 7,0 ± 0,04 10,0 ± 0,07 AFNOR XP CEN/TS 14774-2
Teneur volatiles 82,6 ± 0,45 72,4 ± 0,6 AFNOR XP CEN/TS 15148
Teneur cendres 0,90 ± 0,01 8,90 ± 0,03 AFNOR XP CEN/TS 14775
Carbone fixe(b) 16,5 ± 0,24 18,7 ± 0,52 Calculé par différence(a)
Analyse élémentaire AFNOR XP CEN/TS 15104
C 51,3 ± 0,01 43,3 ± 0,09
H 6,00 ± 0,07 5,73 ± 0,02
N 0,07 ± 0,02 0,48 ± 0,04
O(c) 41,7 ± 0,05 34,6 ± 0,15
Dosage Inorganiques Méthode de dosage 3 étapes332
SiO2 < LD (0,154) 1,49 ± 0,01
K2O 0,11 ± 0,02 0,90 ± 0,07
CaO 0,22 ± 0,02 1,42 ± 0,25
MgO 0,04 ± 0,005 0,45 ± 0,08
Na2O < LQ (0,012) 0,14 ± 0,02
Total Inorg. quantifiés 0,38 4,40
(a)
% base brute (b) %carbone fixe= 100-%volatiles-%cendres. (c)calculé par différence et corrigé par rapport %cendres. LD=Limite de detection. LQ=limite de quantification.
La quantification des éléments inorganiques majoritaires dans les particules de bois et charbon a été effectuée par l’unité de service Analyses du CIRAD (US49) suivant une méthode constituée de trois étapes:
1) calcination de l’échantillon dans un four à moufle en présence de dioxygène ;
2) minéralisation de cendres (constituées des oxydes des éléments inorganiques) par dissolution dans un réactif approprié ;
3) dosage des éléments inorganiques contenus dans le minéralisât par ICP-AES.
Une description plus complète du protocole analytique a été effectué dans des travaux de recherche precedents332. Rappelons que l’abréviation EAA+Si désigne les éléments alcalins (Potassium, Sodium), alcalinoterreux (Calcium, Magnésium), plus le Silicium, analysés et quantifiés par la méthode ICP-AES.
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Il est important de remarquer que bien que les EAA+Si quantifiés par la méthode ICP-AES correspondent aux éléments inorganiques majoritaires présents dans les deux biomasses, diverses etudes54 ont démontré que des traces d’autres éléments peuvent aussi être présentes dans ces biomasse, p.ex. : le Phosphore dans le cas du hêtre et, le Clore, Aluminium, Phosphore, Fer et Soufre dans le cas des tiges de tournesol.
La distribution de EAA+Si déterminée par ICP-AES pour le bois du hêtre (Ca2+>>K+>Mg2+>SiO2>Na+) est en ligne avec des études precedents332–335 mais diverge de celle déterminée par Vassilev et al.54
(Ca2+>>Si+4>Mg2+>K+>P>Na+). Malgré cette divergence, constatons que dans le deux cas le cation Ca2+
est l’élément majoritaire.
La distribution de EAA+Si obtenue dans le cas des tiges de tournesol (SiO2>Ca2+>K+>Mg2+>Na+) révèle une forte teneur en Silice et Calcium. Nos résultats divergent de la distribution déterminée par le groupe de Varhegy et al.336 (SiO2>K+>Ca2+>Mg2+>Na+). Cette divergence peut être expliquée par la composition hétérogène des tiges de tournesol ou par des autres facteurs (chapitre 1, section 1.2). En résumé, le SFS présente une teneur en matières inorganiques beaucoup plus élevée que celle du bois du hêtre. Malgré cette différence, nous constatons les mêmes éléments majoritaires dans les deux biomasses, soit : le Calcium, le Silicium et le Potassium. Dans le cas du tournesol, la forte présence de Calcium et Silicium est due au rôle de ces éléments en la stabilité structurale de la plante par cristallisation des silicates et oxalates54.
1.2. Répartition des constituants majoritaires : le dosage de Van Soest
La méthode de Van Soest337 est amplement utilisée pour la détermination des constituants pariétaux de végétaux. Cette technique est généralement utilisée pour la détermination des valeurs nutritives des fourrages, dans le cas des produits de compostage ou des diverses litières à usage agronomique. L’échantillon est successivement soumis à l’action d’un solvant neutre puis d’un solvant acide et finalement à l’action de l’acide sulfurique concentré dans des conditions standards censées solubiliser des produits assimilés aux diverses composantes pariétales. Des pertes de masses calculées pour chaque étape sont utilisées pour la détermination des rendements en cellulose, hémicelluloses, lignine et de la fraction autres. Les formules utilisées pour le calcul des rendements sont détaillées dans le Tableau 9.
Tableau 9 : Définitions et calculs du dosage par la méthode de Van Soest. Definitions
Résidu insoluble au détergent neutre NDF
Résidu insoluble au détergent acide ADF
Résidu insoluble à l’acide sulfurique ADL
Cendres Cendres
Calcul rendements wt % (bs)
Rendement en cellulose ADF-ADL
Rendement en hémicellulose NDF-ADF
Rendement en lignine ADL-Cendres
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Les résultats du dosage des Van Soest sont illustrés dans le Tableau 10. Ces résultats indiquent des différences significatives de la composition des deux biomasses. Les tiges de tournesol présentent des valeurs inferieurs de cellulose, hémicelluloses et lignine par rapport au bois du hêtre. En revanche, le rendement de la fraction « autres » pour les tiges de tournesol est bien supérieur que dans le cas du hêtre. En général, une valeur élevée de la fraction « autres » est attribuée à une forte teneur en extractibles, tels que : des polysaccharides solubles (pectines, l’amidon et les fructanes), des acides organiques, des protéines structurales ou des lipides338. Dans le cas des tiges de tournesol, la forte teneur en Azote élémentaire confirme la présence des protéines, concentrées dans la matière moelle de l’intérieur des tiges. En outre, des interactions entre les protéinés azotées et les extraits de lignine peuvent expliquer la faible teneur en lignine339.
Tableau 10 : Proportions des polymères constituants de la biomasse par la méthode Van Soest.
Résultats dosage %(wt bs) Bois hêtre Tiges tournesol
Matière sèche(a) 93,9 ± 0,0 91,6 ± 0,0
Teneur en cendres 0,80 ± 0,1 7,2 ± 0,2 Cellulose 50,9 ± 1,2 40,8 ± 0,1 Hémicelluloses 23,8 ± 0,8 17,2 ± 0,3 Lignine 14,2 ± 0,8 7,2 ± 0,4 Autres(b) 10,3 27,5 (a)
% base brute. (b)Calculé par différence (cendres non incluses)
En accord avec des travaux du groupe de D. Meier334, nos résultats indiquent que le bois du hêtre est constitué approximativement d’un 70 %(wt bs) d’holocelluloses. D’après le groupe de Meier, la distribution monomérique d’holocelluloses est constituée par un 50%(wt bs) de glucose, 18%(wt bs) de xylose et des traces <2%(wt bs) des autres oses telles que : mannose, galactose, arabinose, rhamnose, cellobiose et l’acide 4-O-methyl-glucuronique. Le contenu en lignine obtenu par la méthode Van Soest dans notre étude est légèrement inférieur à ce déterminé par la méthode Klason qui résulte d’environ 20%(wt bs). L’écart obtenu de la teneur en lignine peut être expliqué par les différences entre les méthodes d’analyse Kalson et Van Soest340. Des extractions par la méthode Soxhlet conduites par le même groupe334 ont conduit à un rendement de 2.4%(wt bs) en extractibles qui, dans notre cas, s’engloberait dans le 10%(wt bs) correspondant à la fraction autres.
Contrairement au hêtre, le nombre d’études disponibles détaillant les propriétés physique chimiques des tiges de tournesol est limité. Dans ce cas, la présence de deux fractions : écorce et moelle, complique l’interprétation des résultats. Dans une étude menée par Rigal et al.323, les auteurs ont déterminé la composition pour chaque fraction par moyen d’une séparation mécanique des fractions après broyage. Les résultats de cette étude confirment (1) la nature lignocellulosique de l’écorce, avec une forte teneur en holocelluloses dans des proportions similaires à celle des tiges de maïs et, (2) une composition atypique de la moelle, avec une teneur élevée en pectines et une faible présence de hémicelluloses et lignine. Dans notre étude, nous nous sommes intéressés aux propriétés physique-chimiques du mélange sans séparation préalable. Nos résultats, en ligne avec ceux du groupe de Stahl et al.341, ont montré une composition moyenne constituée par un 60%(wt bs) des holocelluloses et un 20%(wt bs) d’extractives. D’après les résultats du groupe de Stahl et al., la distribution monomérique serait constitué par un 35-40%(wt bs) de glucose et un 15-20%(wt bs) de xylose, avec des traces <2%(wt bs) des autres oses tels que mannose, galactose et arabinose.
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1.3. Conditionnement de la biomasse
Notons que dans l’ensemble des campagnes expérimentales menées dans cette étude, aucun traitement de séchage n’a été appliqué aux biomasses utilisées car celles-ci ont été fournies pré-séchées. Le contrôle de la température de stockage a permis de maintenir l’humidité de la biomasse entre 5 et 10%.
Un total de trois distributions granulométriques ont été utilisées pour l’ensemble des tests. Ces distributions granulométriques correspondent avec :
- La sciure du hêtre HBK (750-2000 µm) commerciale déjà tamisée.
- Un broyage fin de la sciure du hêtre HBK avec une grille de 500µm d’ouverture, sans tamisage.
- Un broyage des tiges de tournesol avec une grille de 2 mm d’ouverture, sans tamisage. Tous les traitements de réduction de taille ont été conduits avec un broyeur à couteau type RETSCH SM100. Les valeurs des diamètres caractéristiques déterminés par granulométrie laser en voie sèche pour les trois distributions sont détaillées dans le Tableau 11.
Tableau 11 : Diamètres caractéristiques et nomenclature pour les différentes distributions granulométriques. Tous les résultats sont exprimés en µm.
référence hêtre HBK (750-2000) Hêtre HBK broyé Tiges de tournesol broyé
nomenclature BW (750-2000) BW (<500) SFS (<2000)
Dx(10) 500 ± 160 35 ± 1 450 ± 110
Dx(50) 1600 ± 230 300 ± 5 1290 ± 50
Dx(90) 2570 ± 110 590 ± 25 2380 ± 50
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