Dispositifs d’analyse des gaz condensables et incondensables

3.2.3.1. Analyse des gaz incondensables

Les gaz incondensables sont analysés en ligne par micro-GC. Celle-ci est équipée de deux colonnes chromatographiques (Molsieve 5Å et Poraplot Q) et d’un détecteur de type TCD. Après étalonnage, la micro-GC permet de mesurer la concentration en N2, O2, CO, CO2, CH4,

C2H6, C2H4 et C2H2. Elle est représentée sur la Figure 3.5.

La méthode d’injection de la micro-GC et les méthodes de calcul des rendements en gaz incondensables sont détaillées dans l’Annexe D.

Pour les expériences réalisées sur Aligator, environ trente mesures sont réalisées par expérience, le temps d’acquisition étant de 1 min 45 s en moyenne. Les rendements en gaz incondensables sont calculés à partir du débit de gaz vecteur N2, débit qui est constant

pendant toute la durée de l’expérience, à 55 NmL.min-1.

Figure 3.5. Photographie de la micro-GC.

3.2.3.2. Mesure de la teneur en eau des condensables

La teneur en eau des espèces condensables est déterminée à l’aide d’un titrateur volumétrique Karl Fischer (Mettler Toledo, Karl Fischer V20), suivant la méthode normalisée ASTM E203-08. Cette méthode permet de mesurer la teneur en eau d’un échantillon entre 0,01 % et 100 % v/v. Elle utilise la réaction d’oxydation du dioxyde de soufre par l’iode en présence d’eau selon l’équation (3.8) :

ܫ2+ܱܵ2+ 2ܪ2ܱ! ՜ 2ܪܫ + ܪ2ܱܵ4 (3.8)

Le point final de la réaction se traduit par un léger excès d’iode détecté et dosé de façon potentiométrique par une électrode en platine. La teneur en eau est calculée à partir du volume d’iode introduit.

Les condensables produits sur Aligator sont dilués dans l’acétone. La mesure par titration Karl Fischer donne donc la teneur en eau du mélange. La teneur en eau des condensables hors acétone est obtenue par calcul suivant l’équation (3.9).

ܶ݁݊݁ݑݎ!݁݊!݁ܽݑ!߬ሺ݄݋ݎݏ!ܽܿéݐ݋݊݁ሻ = !߬ሺ݀݋݊ݐ!ܽܿéݐ݋݊݁ሻ × ݉ݐ݋ݐ݈ܽ

݉ܿ݋݊݀݁݊ݏܾ݈ܽ݁ݏ (3.9)

Où :

#(dont%acétone) teneur en eau de l’échantillon dans l’acétone % m/m

mtotal masse totale de l’échantillon g

mcondensables masse des condensables hors acétone g

D’autre part, l’acétone contient de l’eau en traces. Cette quantité d’eau n’est pas négligeable car le volume d’acétone est grand par rapport au volume d’espèces condensables. La teneur en eau de l’acétone est donc mesurée, puis retirée à celle de l’échantillon.

3.2.3.3. Analyse des espèces condensables

Trois types d’analyse sont menés sur les espèces condensables : i. l’identification et quantification des composés par GC-MS ; ii. l’identification de composés par GC-GC ;

iii. l’identification et quantification par HPLC-MS.

La GC-MS est un équipement analytique de base permettant l’identification d’une large gamme d’espèces, et la quantification par étalonnage. Dans un second temps, la GC-GC et la HPLC-MS permettront d’étudier les espèces récupérées et non analysables en GC unidimensionnelle.

3.2.3.3.1. Analyse par GC-MS

Mis à part l’eau, les espèces condensables sont analysées par GC-MS. Cette analyse permet : i. Une quantification de 71 molécules préalablement identifiées et étalonnées ;

ii. Une identification d’un grand nombre de molécules dans un mélange complexe.

La liste des molécules étalonnées, le temps de rétention, la masse molaire, l’ion cible et la gamme d’étalonnage sont détaillés dans l’Annexe E.

La grande majorité des acides, furanes, alcools, aldéhydes, cétones, phénols, guaïacols, anhydrosaccharides identifiés dans la littérature sont étalonnés. De plus, un terpène, l’!-pinène, a été étalonné. En effet, des essais préliminaires de torréfaction sur Aligator ont montré qu’il s’agit du terpène présent en plus grande quantité en termes d’aire de pic. La

quantification de l’!-pinène permettra donc d’estimer les quantités des autres terpènes et terpénoïdes.

La GC-MS est représentée sur la Figure 3.6.

Figure 3.6. Photographie de la GC-MS

3.2.3.3.2. Préparation et injection des espèces condensables

Un volume de 2 mL d’échantillon dilué dans l’acétone est filtré sur un micro-filtre de 0,45 µm d’ouverture, afin d’éliminer d’éventuelles particules solides. Puis, 1 mL est transféré dans un vial, auquel est ajouté 100 µL d’un mélange de quatre composés deutérés (acide acétique-d4, phénol-d6, toluène-d8 et phénanthrène-d10), utilisés comme étalons internes, de concentration connue et permettant la quantification d’espèces condensables préalablement étalonnées. 1 µL de l’échantillon est ensuite injecté en GC-MS (chromatographe Agilent 6890, colonne Agilent DB1701, spectromètre de masse Agilent 5975).

L’échantillon peut éventuellement être dilué de nouveau dans l’acétone si la concentration d’une ou plusieurs espèces étalonnées est supérieure à la limite haute de la gamme d’étalonnage. En pratique, une dilution à 1/10 v/v est systématiquement faite avant l’analyse de l’échantillon brut.

Les spécifications de la GC-MS et les paramètres de la méthode d’injection sont détaillés en

Annexe E.

3.2.3.3.3. Analyse des résultats

L’identification se fait par comparaison du spectre de masse du composé inconnu à la base de données de spectres NIST 2011. Elle est réalisée en mode full scan, permettant l’acquisition de tous les ions, dans une gamme de rapport masse/charge comprise entre 35 et 500.

Passeur d’échantillon

Spectromètre de masse

La quantification est réalisée en mode SIM (en anglais selected ion monitoring) à partir de l’ion majoritaire de chaque composé, ce qui permet d’augmenter la sensibilité de l’analyse par rapport au mode full scan.

La concentration [A], en mg.L-1 est déterminée à partir de l’étalon interne associé, dont la concentration est connue. Cette concentration permet ensuite de calculer :

i. La teneur en composé A dans les condensables, en % m/m, c’est-à-dire le rapport entre la masse du composé A et la masse totale de condensables. La teneur est calculée suivant l’équation (3.10) ;

ii. Le taux de quantification des condensables à partir de chaque composé quantifié, c’est-à-dire le rapport entre la masse des condensables quantifiés et la masse totale de condensables. Le taux de quantification est calculé suivant l’équation (3.11) ;

iii. Le rendement en composé A, en mg.g-1 biomasse ou g.kg-1 biomasse, c’est-à-dire le rapport entre la masse du composé A et la masse de biomasse initiale nécessaire pour le produire par torréfaction. Le rendement est calculé suivant l’équation (3.12).

ܶ݁݊݁ݑݎ!݁݊!ܿ݋݉݌݋ݏé!ܣ ׷ !ݐሺܣሻ =[_݉ܣ] ȉ ܸݐ݋ݐ݈ܽݏ݋݈ݑݐ݅݋݊ ݐ݋ݐܿ݋݊݀݁݊ݏܾ݈ܽ݁ݏ ȉ 100 (3.10) ܶܽݑݔ!݀݁!ݍݑܽ݊ݐ݂݅݅ܿܽݐ݅݋݊ ׷ !߬ =σ [݅]_݉݅ ȉ ܸݐ݋ݐ݈ܽݏ݋݈ݑݐ݅݋݊ ݐ݋ݐܿ݋݊݀݁݊ݏܾ݈ܽ݁ݏ ȉ 100 (3.11) ܴ݁݊݀݁݉݁݊ݐ!݁݊!ܿ݋݉݌݋ݏé!ܣ ׷ !ݎሺܣሻ =[ܣ] ȉ ܸ_݉ݐ݋ݐ݈ܽݏ݋݈ݑݐ݅݋݊ ܾ݅݋݉ܽݏݏ݁ (3.12) Où :

Vtotal solution volume total de la solution L

mtot condensables masse totale de condensables mg

mbiomasse masse de biomasse initiale g

3.2.3.3.4. Analyse par GC-GC

L’analyse en GC-GC d’un échantillon de condensables de pin torréfié à 280 °C a été réalisée au LGC par David Riboul. L’objectif est d’identifier des espèces co-éluées, donc non identifiable en GC-MS. Il s’agit d’une approche qualitative. La première dimension utilisée est apolaire, la seconde polaire. La première colonne est couplée à un FID, la seconde à un MS. Le système de division est de type Deans switch. L’identification des composés inconnus se fait à partir des bibliothèques de spectres FFNSC et NIST. Les caractéristiques de l’appareil et les conditions d’analyse sont détaillés en Annexe E.

Afin de pallier d’éventuels problèmes de dégradation de composés thermolabiles, une méthode d’analyse par HPLC-MS a également été développée au LGC.

3.2.3.3.5. Analyse par HPLC-MS

L’analyse en HPLC-MS d’un échantillon de condensables de pin torréfié à 280 °C a été réalisée au LGC par David Riboul. L’analyse est réalisée en mode gradient de solvants. L’ionisation est réalisée par électronébulisation (ESI) positive et négative. En mode AIF (all-

ion fragmentation), la dissociation est ensuite réalisée dans une cellule de collision HCD

(higher energy collisional dissociation), avant analyse dans l’orbitrap en mode spectrométrie de masse en tandem. Ceci permet d’obtenir la masse exacte des ions moléculaires et des ions fragments. Les spectres de masse sont enregistrés à haute résolution (100 000) grâce à l’Orbitrap afin de faciliter la détermination des formules brutes. Si la masse exacte obtenue correspond à un composé connu, alors une identification est possible. Sinon, une étape de caractérisation, plus longue, permettant d’obtenir une formule brute, est possible. Il s’agit ici d’une approche qualitative, mais la quantification d’espèces est possible si elles sont formellement identifiées.

Les spécifications de la HPLC-MS et les paramètres d’injection sont détaillées en Annexe E.