CHAPITRE II : MATERIEL ET METHODES
V. Présentation des différents cas d’études
3. Conversion d’une industrie papetière en bioraffinerie de bois
Ce cas d’études permet de modéliser la transformation d’une industrie papetière, basée sur le procédé Kraft, en une bioraffinerie de bois. Traditionnellement, seule la cellulose est extraite du bois et valorisée en pâte à papier. Les autres fractions du bois sont incinérées.
Ici, l’objectif est d’implanter un nouveau procédé d’extraction et de valorisation des hémicelluloses et des tanins de bois. Ce cas d’études est basé sur trois sous-systèmes :
une modélisation détaillée des différents itinéraires sylvicoles correspondant aux proportions des différentes essences de bois utilisées lors du fonctionnement d’une usine de pâte à papier ; le procédé Kraft (dont les impacts ne sont pas présentés dans cette thèse);
la modélisation et simulation du procédé d’extraction et de purification des hémicelluloses et composés phénoliques (tanins).
106
Figure 12. Représentation du système global et des trois sous-systèmes de l'ACV d'une bioraffnerie de bois.
Le tableau 6 détaille la composition des différentes essences de bois de feuillus étudiées, ainsi que du mix représentatif des activités d’une industrie papetière. Ces données sont exprimées par rapport à la matière sèche.
Essences
Peuplier Hêtre Chêne Châtaignier Mix étudié
% Cellulose 61 55 50 52 55 % Hemicelluloses 17 21 20 15 21 % Lignines 18 21 17 16 17 % Glucose 43 47 38 40 42 % Xylose 16 21 17 16 17 % Arabinose 0,5 0 0,9 0 0,4 % Galactose 0,7 1,2 1,6 1,2 1 % Mannose 2,4 1,3 1,8 2,1 2,2 % Hydrosolubles 4 2,8 9,2 11,2 2,4 % Popyphénols totaux hydrosolubles 1 1,3 6,1 8,7 2,2
Tableau 6. Composition d’essences de bois (en % de matière sèche), d'après Van Soest et Wine (1967)37.
L’amont forestier a été modélisé en cinq schémas de procédés (ou arbres des processus) différents, en fonction des itinéraires techniques recommandés pour l’exploitation forestière des différentes essences. De plus, le cycle de croissance de la forêt, avec la prise en compte des scénarios de régénération artificielle a également été modélisé.
107
Le procédé Kraft n’a été modélisé. En effet, il s’agit d’un procédé bien connu et déjà opérationnel et optimisé. Les options d’éco-conception pour ce procédé sont donc limitées et complexes à mettre en œuvre.
Le procédé de valorisation des hémicelluloses et des composés phénoliques comporte différentes étapes :
l’hydrolyse des copeaux de bois, à l’eau, afin d’extraire de façon douce les hémicelluloses et tanins du bois, tout en préservant la structure des copeaux pour leur réintégration dans le procédé Kraft ;
une centrifugation afin de réaliser la séparation liquide-solide ; une ultrafiltration permettant d’isoler les fractions d’intérêt ;
une chromatographie sur résine permettant de purifier les fractions isolées. La figure 13 représente le principe de ce procédé.
Figure 13. Procédé de valorisation d'hémicelluloses et de tanins de bois.
Les travaux réalisés sur ce cas d’études sont présentés dans le chapitre V.
108
Conclusion
En conclusion, l’éco-conception des systèmes agro-industriels est réalisée en couplant des outils de Génie des Procédés (simulateurs de procédés) à l’Analyse du Cycle de Vie. D’un point de vue logiciel, ProsimPlus® et Simapro® ont été choisis et communiquent via Excel®. Des spécificités méthodologiques et opérationnelles sont à considérer lors des travaux de recherche sur les deux champs disciplinaires concernés.
Ainsi, dans un premier temps, il convient de tester la mise en application de la méthode, et de travailler sur un procédé simple, afin de pouvoir comprendre les fondements du couplage entre simulation de procédés et Analyse du Cycle de Vie. Le premier cas d’études traité est donc le procédé de fractionnement de micro-algues. Ce cas d’études permet de travailler sur la simulation de procédés, la réalisation d’inventaires dynamiques et la multifonctionnalité des procédés. Ensuite, les travaux se poursuivent à travers le deuxième cas d’études : le procédé de valorisation des coproduits de blé. La modélisation de la biomasse végétale, la modélisation des procédés par plan d’expériences, leur simulation et le couplage entre opérations unitaires créées et existantes sont les axes principalement développés. L’ACV du procédé complet est réalisée, afin de tester le caractère itératif de la méthode, en réduisant les impacts environnementaux du procédé par modification des conditions opératoires.
Enfin, les spécificités de l’ACV de l’amont agricole, la prise en compte du carbone biogénique et la prise de décision quant au choix d’une technologie pour une opération unitaire du procédé sont analysés via le troisième cas d’études, le procédé de valorisation des hémicelluloses de bois.
109
Références
1. Livre Blanc du Génie des Procédés – SFGP.ASSO.FR.
2. Jacquemin, L., Pontalier, P.-Y. & Sablayrolles, C. Life cycle assessment (LCA) applied to the process industry: a review. Int. J. Life Cycle Assess. 17, 1028–1041 (2012).
3. Banga, J. R., Balsa-Canto, E., Moles, C. G. & Alonso, A. A. Improving food processing using modern optimization methods. Trends Food Sci. Technol. 14, 131–144 (2003).
4. AIChE | The Global Home of Chemical Engineers. Available at: https://www.aiche.org/. (Accessed: 3rd August 2018)
5. Rowley, R. L. et al. DIPPR data compilation of pure compound properties. Des. Inst. Phys.
Prop. (2003).
6. Westhaus, U., Dröge, T. & Sass, R. DETHERM®—a thermophysical property database.
Fluid Phase Equilibria 158, 429–435 (1999).
7. DECHEMA | Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. Available at: http://www.dechema.de/. (Accessed: 3rd August 2018)
8. Simulis Thermodynamics - Calculs de propriétés de mélanges et d’équilibres entre phases, propriétés de transfert, enthalpie, entropie, analyse exergie, propriétés de compressibilité, propriétés d’écar. Available at: http://www.prosim.net/fr/logiciels-simulis-thermodynamics-calculs- proprietes-melanges-equilibres-entre-phases--3.php. (Accessed: 3rd August 2018)
9. Guinée, J. B., Cucurachi, S., Henriksson, P. J. G. & Heijungs, R. Digesting the alphabet soup of LCA. Int. J. Life Cycle Assess. 1–5 (2018). doi:10.1007/s11367-018-1478-0
10. Azapagic, A. Sustainability considerations for integrated biorefineries. Trends Biotechnol.
32, 1–4 (2014).
11. Pereira, L. G., Chagas, M. F., Dias, M. O. S., Cavalett, O. & Bonomi, A. Life cycle assessment of butanol production in sugarcane biorefineries in Brazil. J. Clean. Prod. 96, 557–568 (2015).
12. Jolliet, O., Saadé, M. & Crettaz, P. Analyse du cycle de vie: Comprendre et réaliser un
écobilan. (PPUR Presses polytechniques, 2010).
13. Life Cycle Terminology – Life Cycle Initiative.
14. Corrado, S., Castellani, V., Zampori, L. & Sala, S. Systematic analysis of secondary life cycle inventories when modelling agricultural production: A case study for arable crops. J. Clean.
Prod. 172, 3990–4000 (2018).
15. Colomb, V. et al. AGRIBALYSE®, the French LCI Database for agricultural products: high quality data for producers and environmental labelling. Oilseeds Fats Crops Lipids 22, (2015). 16. Van Der Werf, H. M. G. et al. Creation of a public LCA database of French agricultural raw products : agriBALYSE. 7th International Conference on Life Cycle Assessment in the Agri-Food
Sector, September 22-24, 2010 (2010). Available at: http://agritrop.cirad.fr/561228/. (Accessed:
110
17. Durlinger, B. et al. Agri-Footprint; a Life Cycle Inventory database covering food and feed production and processing. in Proceedings of the 9th International Conference on Life Cycle
Assessment in the Agri-Food Sector 310–7 (2014).
18. Frischknecht, R. & Rebitzer, G. The ecoinvent database system: a comprehensive web- based LCA database. J. Clean. Prod. 13, 1337–1343 (2005).
19. Wernet, G. et al. The ecoinvent database version 3 (part I): overview and methodology. Int.
J. Life Cycle Assess. 21, 1218–1230 (2016).
20. System Models in ecoinvent 3. Available at: https://www.ecoinvent.org/database/system- models-in-ecoinvent-3/system-models-in-ecoinvent-3.html. (Accessed: 2nd August 2018)
21. European Life Cycle Database. Available at: http://eplca.jrc.ec.europa.eu/ELCD3/. (Accessed: 21st May 2018)
22. Forwast - Overview. Available at: http://forwast.brgm.fr/Overview.asp. (Accessed: 21st May 2018)
23. Nielsen, P. H., Nielsen, A. M., Weidema, B. P., Dalgaard, R. & Halberg, N. LCA food data base. Represent. Inventory Resour. Use Environ. Impact Dan. Farms Food Prod. Available -Line
T Httpwww Lcafood Dk (2003).
24. Jungbluth, N., Stucki, M. & Leuenberger, M. Environmental impacts of Swiss consumption
and production: a combination of input-output analysis with life cycle assessment. (BAFU, 2011).
25. NREL: U.S. Life Cycle Inventory Database Home Page. Available at: https://www.nrel.gov/lci/. (Accessed: 21st May 2018)
26. ISO 14046:2014 - Management environnemental -- Empreinte eau -- Principes, exigences et lignes directrices. Available at: https://www.iso.org/fr/standard/43263.html. (Accessed: 10th May 2018)
27. ISO/TS 14067:2013 - Gaz à effet de serre -- Empreinte carbone des produits -- Exigences et lignes directrices pour la quantification et la communication. Available at: https://www.iso.org/fr/standard/59521.html. (Accessed: 10th May 2018)
28. Rosenbaum, R. K. et al. USEtox—the UNEP-SETAC toxicity model: recommended characterisation factors for human toxicity and freshwater ecotoxicity in life cycle impact assessment. Int. J. Life Cycle Assess. 13, 532–546 (2008).
29. Huijbregts, M. A. J. et al. ReCiPe2016: a harmonised life cycle impact assessment method at midpoint and endpoint level. Int. J. Life Cycle Assess. 22, 138–147 (2017).
30. Jolliet, O. et al. IMPACT 2002+: A new life cycle impact assessment methodology. Int. J.
Life Cycle Assess. 8, 324–330 (2003).
31. Bulle, C., Jolliet, O., Humbert, S., Rosenbaum, R. & Margni, M. IMPACT World+: a new global regionalized life cycle impact assessment method. in International Conference on
Ecobalance, Yokohama, Japan. IMPACT World+ method downloadable at www. impactworldplus. org (2012).
32. Bare, J. TRACI 2.0: the tool for the reduction and assessment of chemical and other environmental impacts 2.0. Clean Technol. Environ. Policy 13, 687–696 (2011).
111
33. Itsubo, N. & Inaba, A. A new LCIA method: LIME has been completed. Int. J. Life Cycle
Assess. 8, 305–305 (2003).
34. Fifth Assessment Report - Climate Change 2013. Available at: http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/. (Accessed: 21st May 2018)
35. Safi, C., Zebib, B., Merah, O., Pontalier, P.-Y. & Vaca-Garcia, C. Morphology, composition, production, processing and applications of Chlorella vulgaris: A review. Renew. Sustain. Energy
Rev. 35, 265–278 (2014).
36. Jacquemin, L. Production d’hémicelluloses de pailles et de sons de blé à une échelle pilote. Etude des performances techniques et évaluation environnementale d’un agro-procédé. (2012). 37. Van Soest, P. und & Wine, R. H. Use of detergents in the analysis of fibrous feeds. IV. Determination of plant cell-wall constituents. J. Assoc. Off. Anal. Chem. 50, 50–55 (1967).
38. Marechal, P. Analyse des principaux facteurs impliqués dans le fractionnement combiné
de pailles et de sons de blé en extrudeur bi-vis : obtention d’agro-matériaux. (Toulouse, INPT,
112
MICRO-ALGUES
Modélisation et simulation de la biomasse algale et du procédé de
fractionnement.
Etude de différents scénarios par simulation du procédé. Etude de
l’influence des conditions opératoires du procédé sur les rendements
d’extraction.
Analyse du Cycle de Vie comparative de divers scénarios, basés sur
différents jeux de conditions opératoires. Faisabilité de la méthode.
Analyse de sensibilité sur le choix de la méthode d’allocation pour
l’Analyse du Cycle de Vie de procédés multifonctionnels.
114
Sommaire
CHAPITRE III : PROCEDE DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES ... 112 Introduction ... 115 I. Modélisation et simulation de la biomasse algale et du procédé ... 116 1. Modélisation de la biomasse algale ... 116 2. Modélisation du procédé de fractionnement ... 117 2.1 Etape de broyage ... 118 2.2 Etape de centrifugation ... 119 2.3 Etape d’extraction liquide-liquide ... 119 2.4 Etape d’ultrafiltration ... 120 3. Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues pour la génération de bilans matière et énergie ... 121 3.1 Simulation de la biomasse algale ... 121 3.2 Simulation du procédé de fractionnement ... 122 II. ... Analyse du Cycle de Vie du procédé : comparaison des impacts environnementaux associés à différents jeux de conditions opératoires ... 130 1. Définition des objectifs et du champ de l’étude ... 130 2. Inventaire du cycle de vie... 131 3. Evaluation des impacts environnementaux et interprétations ... 133 III. ... ACV de procédés multifonctionnels : étude de sensibilité sur la problématique de l’allocation ... 138 1. Extension du système ... 139 2. Allocation massique ... 142 3. Allocation économique ... 143 4. Sensibilité sur le choix de la méthode d’allocation ... 144 Conclusions ... 149 Références ... 150
115
Introduction
Les travaux de recherche présentés au sein de ce chapitre sont basés sur l’étude d’un procédé de fractionnement de micro-algues. Cette biomasse est essentiellement composée de quatre fractions d’intérêt, à fort potentiel valorisable1,2 :
Les lipides
Les polysaccharides Les protéines
Les pigments (chlorophylle, caroténoïde…)
Comme expliqué au cours du chapitre II, section V.1, le fractionnement de la biomasse algale est réalisé à l’aide de quatre opérations unitaires successives :
Une étape de broyage, pour faciliter la rupture cellulaire et le passage des fractions d'intérêt dans la phase liquide3 ;
Une étape de centrifugation, afin de séparer la phase solide de la phase liquide ;
Une extraction liquide-liquide, en utilisant un mélange de solvants chloroforme-méthanol, basée sur la méthode de Bligh et Dyer4, afin de récupérer les lipides ;
Une étape d’ultrafiltration, pour isoler les protéines et les polysaccharides.
Ainsi, trois des quatre fractions potentiellement valorisables sont récupérées à l’aide de ce procédé. Les pigments, présents en de faibles quantités (2 à 3 % de la matière sèche initiale dans le cas de la micro-algue Chlorella Vulgaris), ne sont pas isolés des autres fractions, et sont essentiellement extraits en même temps que les lipides, lors de l’extraction liquide-liquide.
Ce cas d’études permet plus particulièrement de mettre en évidence trois axes de recherche. Tout d’abord, les travaux sur la modélisation de la biomasse algale au sein du simulateur de procédés sont détaillés. Ensuite, la modélisation, puis la simulation des différentes opérations unitaires du procédé de fractionnement sont explicitées. Une étude détaillée de la simulation du procédé permet d’analyser l’influence des différentes conditions opératoires applicables au procédé sur les rendements d’extraction des fractions d’intérêt.
Dans un second temps, l’évaluation environnementale du procédé de fractionnement de micro- algues est mise en évidence, en s’appuyant sur la méthodologie de l’Analyse du Cycle de Vie. Différents scénarios, basés sur des conditions opératoires différentes appliquées aux étapes du procédé, sont comparés, afin de démontrer le potentiel de cette méthodologie d’éco-conception. En effet, il est possible de réaliser des inventaires du cycle de vie dits « dynamiques », qui évoluent en fonction des modifications apportées au procédé (ici, les conditions opératoires).
Enfin, une étude de sensibilité est présentée afin d’apporter une réflexion méthodologique sur la problématique de l’allocation lors de l’Analyse du Cycle de Vie des procédés dits multifonctionnels, c’est-à-dire des procédés permettant de créer plusieurs produits simultanément.
116