Influence de la cinétique de fermentation sur les étapes de séparation et de

Dans cette deuxième partie, l’influence de la stœchiométrie de fermentation sur les séquences de séparation et de purification est évaluée. L’objectif de ce paragraphe est d’estimer les modifications nécessaires à apporter au procédé lors de l’utilisation de bactéries différentes. En effet, afin d’assurer la robustesse de la bioraffinerie lors de

141 variations des marchés du butanol, de l’éthanol et de l’acétone, différentes fermentations peuvent s’avérer essentielles.

Ainsi, l’étude de sensibilité porte exclusivement sur l’étape de purification afin de déterminer l’influence d’une stœchiométrie différente sur le train de colonnes du procédé optimal. En pratique, le courant d’entrée de l’étape de purification est modifié selon les scénarios proposés puis les conditions opératoires et la taille des unités sont modifiées afin de respecter les contraintes de production tout en gardant si possible une séquence de colonnes identique au procédé optimal, c’est-à-dire que les colonnes conservent la même configuration (même nombre d’étages, même étage d’alimentation). Les 5 scénarios de variation proposés sont :

a. La production d’acétone est divisée par deux et la production de butanol est améliorée pour obtenir une production globale en sortie de l’étape de séparation identique à celle du procédé optimal,

b. La bactérie ne produit pas d’acétone et la production de butanol est améliorée pour obtenir une production globale identique en sortie de l’étape de séparation à celle du procédé optimal,

c. La bactérie produit moitié moins d’éthanol et la production de butanol est améliorée pour obtenir une production globale en sortie de l’étape de séparation identique à celle du procédé optimal,

d. La bactérie ne produit pas d’éthanol et la production de butanol est améliorée pour obtenir une production globale en sortie de l’étape de séparation identique à celle du procédé optimal,

e. La production d’ABE est multipliée par deux en sortie de l’étape de séparation. Les scénarios a et b (respectivement c et d) ont été choisi pour représenter des cas où la bactérie a été modifiée génétiquement pour améliorer la production de butanol au détriment de celle de l’acétone (respectivement de l’éthanol). Quant au dernier scénario, il représente un cas pour lequel la capacité de production de la bactérie a été améliorée mais sans variation des sélectivités.

Tout d’abord, on note que les scénarios b et d n’intègrent que 3 constituants au lieu de 4 car il n’y a plus de production d’acétone ou d’éthanol. Par conséquent, la colonne permettant la purification du produit absent est supprimée du procédé, ce qui réduit la séquence à 2 colonnes de distillation comme décrit sur les schémas des flowsheets des scénarios b et d en Figure 5. 2 et Figure 5. 3.

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Figure 5. 3. Flowsheet de l'étape de purification du scénario de stœchiométrie d (sans production d’éthanol)

Ensuite, certains paramètres des colonnes à distiller doivent être également étudiés : le reflux, le débit de distillat, le diamètre de colonne et la chauffe. Ils sont recensés dans le Tableau 5. 4. Tout d’abord, on remarque que le reflux de la colonne T-401 B n’est pas modifié lors de variation de la quantité d’acétone mais diminue lorsqu’il n’y a pas d’éthanol. En effet, l’absence d’éthanol simplifie la thermodynamique car l’azéotrope eau-éthanol disparait, ce qui impacte les paramètres de la colonne. Cependant, pour les autres colonnes, le reflux augmente lorsque les quantités en acétone et éthanol diminuent. En effet, la chauffe au bouilleur des colonnes est plus importante car la température de bulle des mélanges est plus élevée à cause de la composition en butanol plus grande. Ainsi, le reflux est augmenté pour permettre d’abaisser la température dans la colonne et de permettre le contact entre le liquide et la vapeur. De plus, les reflux des colonnes dans le cas du scénario e sont plus faibles que ceux du procédé optimal. Ainsi, l'augmentation des débits permet de faciliter la distillation.

D’autre part, il est à remarquer que la hauteur de chaque colonne est constante quel que soit le cas d’étude. Donc pour assurer une rétention correcte dans les colonnes, le diamètre de celles-ci varie. Le diamètre de la colonne T-401 B diminue lorsque la fraction en butanol augmente car les équilibres thermodynamiques à chaque plateau de la colonne sont fortement modifiés et la volatilité du mélange est modifiée. D’autre part, le diamètre de la colonne T-402 B diminue lorsque la quantité d’acétone diminue car il s’agit du composé majoritaire dans la colonne. Finalement, le diamètre de la colonne T-403 B n’est pas modifié pour les scénarios a, b, c et d car la thermodynamique de la colonne est peu changée, le mélange étant idéal. De plus, les diamètres des colonnes dans le scénario e sont multipliés par un facteur 1,3 par rapport au procédé optimal.

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Tableau 5. 4. Caractéristiques des colonnes de distillation de l’étape de purification pour les différents scénarios de l'analyse de sensibilité de la stœchiométrie de fermentation

Colonne Scénario Optimal a b c d e

T-401 B Reflux 1,58 1,58 1,58 1,58 0,37 1,08 Distillat (kg/h) 4545 3319 2118 4367 4539 9987 Diamètre (m) 1,83 1,68 1,52 1,83 1,37 2,44 Hauteur (m) 21,34 21,34 21,34 21,34 21,34 21,34 Chauffe (Mcal/h) 2813 2325 1786 2717 1572 5178 T-402 B Reflux 9,78 11,00 / 9,89 10,06 7,77 Distillat (kg/h) 2492 1248 / 2495 2494 4990 Diamètre (m) 1,98 1,52 / 1,98 1,98 2,59 Hauteur (m) 58,52 58,52 / 58,52 58,52 58,52 Chauffe (kcal/h) 3330 1882 / 3368 3420 5416 T-403 B Reflux 7,98 8,51 9,10 14,43 / 7,26 Distillat (kg/h) 267 273 273 124 / 546 Diamètre (m) 1,07 1,07 1,07 1,07 / 1,37 Hauteur (m) 28,04 28,04 28,04 28,04 / 28,04 Chauffe (kcal/h) 829 896 956 739 / 1584

Par ailleurs, la chauffe de la colonne T-401 B est plus faible lorsque la concentration en butanol est plus importante. Il faut savoir que la chauffe sert à vaporiser les composés volatiles présents dans la colonne comme par exemple l’eau et l’acétone. Par conséquent, puisque la quantité de ces produits est plus faibles, la quantité de chauffe est moins importante.

De plus, le prix minimal du butanol (Tableau 5. 5) diminue de façon inversement proportionnelle à l’augmentation de la production en butanol, ce qui vérifie que le butanol est prépondérant par rapport à l’acétone et l’éthanol dans l’évaluation économique. Par ailleurs, le prix minimal du butanol pour le scénario e, c’est-à-dire pour une production doublée, diminue à 2,5 $/kg. En d’autres termes, le ratio entre le prix de butanol calculé et le prix du butanol du marché baisse à 1,4 alors qu’il est d’environ 2,8 dans le cas du procédé optimal.

Tableau 5. 5. Production en butanol et prix minimal de vente du butanol pour chaque scénario de cinétiques de fermentation

Scénario Optimal a b c d e

Production

(t/h) 15,5 16,9 18,1 16,0 16,1 30,6

Prix ($/kg) 5,10 4,71 4,52 4,95 4,93 2,50

D’après les résultats précédents, la séquence de distillation et les configurations de colonne sont robustes pour des stœchiométrie différentes de fermentation pour des caractéristiques fixées. Une autre conclusion s’impose : une cinétique qui double la production au fermenteur est extrêmement intéressante car les paramètres des colonnes

144 sont moins sévères, le prix minimal du butanol beaucoup plus faible et ainsi la bioraffinerie plus performante et plus compétitive.

Actuellement, des travaux réalisés dans l’équipe ont pour objectif d’étudier la flexibilité du procédé de production de biobutanol, et plus particulièrement sur l’étape de purification. Ce travail consiste à déterminer si la séquence de purification permet de purifier les trois produits lors de variations de composition et de débit du courant d’entrée de l’étape de purification, pour des paramètres des colonnes fixés.

Au travers de cette section, l’influence de la stœchiométrie de fermentation sur le procédé a été étudiée. Les conclusions concernent tout d’abord le fait que la création d’une bactérie produisant uniquement du butanol est intéressante pour chaque critère retenu pour l’optimisation mais présente des risques supplémentaires car la bioraffinerie est alors davantage dépendante du marché du butanol. Ensuite, il a été établi que la stœchiométrie modifie peu les coûts de productions des étapes de prétraitement et du couplage, ainsi l’étude de l’étape de purification est suffisante pour estimer l’influence de la cinétique. Enfin, l’étude de scénarios utilisant des cinétiques de fermentation différentes a été proposé pour déterminer la flexibilité de l’étape de purification en cas de modification génétique de la bactérie avec l’objectif d’améliorer la production de butanol. Elle a permis de montrer que la multiplication par deux de la production du couplage fermentation / stripping entraîne une bioraffinerie beaucoup plus performante pour chaque critère de l’optimisation, pour des colonnes avec des paramètres fixés.

5.3. _{Analyse de l’intégration énergétique de la}