Les produits de conversion hydrothermale de biomasse et de lignocelluloses modèles se répartissent en trois phases : une phase gazeuse, une phase aqueuse et une phase condensée hydroinsoluble dont une partie se solubilise dans le méthanol (Figure C-2 du Chapitre C). Les produits de conversion ayant des propriétés de solubilité différentes, les mêmes techniques analytiques ne peuvent pas s'appliquer à l'ensemble des produits. La caractérisation de l'ensemble des produits de conversion nécessite par conséquent l'emploi de plusieurs techniques analytiques. Ainsi, le même niveau de caractérisation n'est pas accessible pour toutes les fractions des effluents étudiés. Par conséquent, développer une approche analytique permettant de caractériser les produits de conversion dans leur ensemble par combinaison de techniques analytiques complémentaires a été une étape clef de ce travail de thèse.
IV.1 Détermination des rendements de conversion
Pour estimer la répartition des produits de conversion dans les différentes phases, les quantités de carbone de celles-ci ont été déterminées. Les produits gazeux sont quantifiés individuellement par GC donnant ainsi accès à la quantité de carbone correspondante. La mesure du TOC permet de déterminer la quantité de carbone globale contenue dans la phase aqueuse alors que celle des produits hydroinsolubles est déterminée par leurs analyses élémentaires. De plus, une méthode GC a été développée de façon à permettre la quantification de la fraction éluables des produits se trouvant en solution. L'identification structurale des analytes a permis leur regroupement en familles chimiques et la détermination de leur teneur en carbone.
La Figure D-60 présente les rendements carbone obtenus au cours des conversions hydrothermales des différentes charges étudiées pour cette étude.
Rendement carbone (%m/m) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Bois Cellulose Lignine Glucose Vanilline
0 100
B o i s L i g n V a n il
Non détecté
Produits hydroinsolubles
Produits aqueux quantifiés par TOC mais non quantifiés par GC Benzenes substitués par des fonctions oxygénées (aqueux) Furanes (aqueux)
Carbonyles cycliques à 4-9 C (aqueux)
Hydroxycarbonyles linéaires à 2-6 C (aqueux) Acides carboxyliques (aqueux)
Gaz
Figure D-60 : Rendement carbone des différents produits quantifiés au cours des conversions hydrothermales des lignocelluloses en mode batch à 370°C, 25 MPa avec un temps de séjour de 30 minutes
Les bilans carbone estimés à environ 80 ± 10 %m/m sont considérés comme satisfaisants pour estimer la répartitions des produits dans les différentes phases, la perte de matière correspondante pouvant être principalement attribuée à des composés hydroinsolubles restant sur les parois de l'autoclave et qui n'ont donc pas pu être récupérés. La comparaison de la quantité de carbone contenue dans les analytes GC avec la mesure du TOC de la phase aqueuse montre que approximativement 8 à 27 %m/m du carbone initialement présent dans la charge lignocellulosique ne sont pas quantifiés par GC. Cette différence peut avoir différentes origines comme décrit dans la partie III.3.b de ce chapitre.
IV.2 Analyse détaillée des produits de conversion
De manière à étudier la réactivité des lignocelluloses, une attention particulière a été portée sur la détermination des masses moléculaires et les structures chimiques car ces données permettent d'étudier les transformations chimiques subies par les charges lignocellulosiques au cours du traitement hydrothermal.
L'originalité de l'approche analytique développée au cours de cette thèse provient de l'utilisation pour la première fois à notre connaissance d'une méthode FT-ICR/MS pour caractériser les produits de conversion hydrothermale de la biomasse lignocellulosique. La particularité de cette technique réside dans sa très haute résolution qui lui permet de distinguer des ions isobariques et de mesurer leurs masses exactes avec une incertitude de l'ordre de la centaine de ppm. Ainsi la méthode permet de distinguer individuellement les ions provenant de composés qui forment un mélange complexe sans nécessiter une séparation au préalable. Par cette méthode, les masses moléculaires de composés contenus dans l'échantillon ainsi que leurs formules brutes peuvent être déterminées. Ainsi, cette méthode de spectrométrie de masse apporte en plus de la mesure de masse une dimension chimique à la caractérisation. Cependant, la forte sensibilité des coefficients de réponse vis-à-vis de la nature chimique des composés ne permet pas à partir des spectres de masse la détermination les distributions en masses moléculaires ni de quantifier les différents types de produits. Par conséquent, une méthode de chromatographie SEC avec une détection par UV a aussi été développée de manière à avoir une information sur la répartition des composés en fonction des masses moléculaires. Une bonne correspondance entre les deux techniques a été observée pour les ordres de grandeurs des masses moléculaires ainsi que la répartition des produits dans les phases aqueuses et organiques.
La caractérisation des produits montre que l'une des principales différences entre les phases aqueuses et des phases organiques provient des masses moléculaires des composés qui les constituent. En effet, les produits solubles dans l'eau ont des masses de l'ordre de quelques centaines de g/mol alors que les produits hydroinsolubles ont des masses moléculaires pouvant aller jusqu'à l'ordre du millier de g/mol. Les analyses SEC montrent qu'une partie significative des produits de la phase aqueuse et de la phase hydroinsoluble ont des gammes de masses moléculaires communes mais que les produits aqueux sont principalement de faibles masses moléculaires à la différence des produits hydroinsolubles. Des composés de masses moléculaires intermédiaires qui ont une solubilité partielle dans l'eau se répartiraient entre les deux phases. Ainsi, la différenciation entre les produits aqueux et les produits hydroinsolubles proviendrait d'un phénomène physique de solubilité dans l'eau lié principalement aux masses moléculaires et dans une moindre mesure aux fonctions chimiques des composés. Par conséquent, pour l'étude de réactivité, les composés hydroinsolubles dans les conditions ambiantes pourront être assimilés à des composés de plus hautes masses moléculaires que les produits aqueux.
La formule brute d'un composé est une caractéristique intéressante car elle permet de connaître sa composition en hétéroatomes ainsi que son degré d'insaturation. Cependant, les caractéristiques les plus pertinentes pour une étude de réactivité sont les structures chimiques. Pour les produits gazeux, cette information est accessible par GC. Pour les produits solubilisés, l'utilisation de méthodes chromatographiques permet une distinction moléculaire
l'eau ou le méthanol et de masse moléculaire inférieure à environ 200 g/mol. Plus de 150 analytes rencontrés dans les phases aqueuses de conversion hydrothermale des lignocelluloses ont été identifiés par GC-MS parmi lesquels 82 composés dont la structure a été validée par ajout dosé du composé pur dans l'échantillon. L'ensemble des analytes ont différentes combinaisons de groupements chimiques oxygénés comme les fonctions hydroxyles, méthoxyles, carbonyles, acides carboxyliques ainsi que des structures saturées, insaturées et aromatiques. Environ 10% de l'aire des chromatogrammes GC-FID correspondent à des analytes inconnus qui appartiennent principalement dans la zone d'élution des composés benzéniques de plus hautes masses moléculaires. Ainsi, les analytes inconnus seraient principalement des composés aromatiques fortement substitués.
Dans le cadre de l'exploitation des données expérimentales, le diagramme de van Krevelen est un outil intéressant car il permet de visualiser sur un même graphique des caractéristiques chimiques propres aux composés. Ainsi, des différences chimiques entre les produits peuvent être observées d'après leur alignement dans le diagramme. De plus, il a été montré que les différentes familles de réactivités caractérisées par GC apparaissent dans des régions spécifiques du diagramme qui correspondent à des teneurs en oxygène et à degrés d'insaturation différents.
En ce qui concerne la caractérisation chimique des produits hydroinsolubles à l'état solide, les informations obtenues correspondent à des données moyennes c'est-à-dire la composition élémentaire globale ainsi que la proportion des différents types de carbone
déterminée par Echo-MAS 13C RMN. Les résultats montrent que les conversions
hydrothermales sont à l'origine de la formation de composés hydroinsolubles moins oxygénés et plus insaturés que les composés modèles ou que les charges lignocelluloses initiales.
V Perspectives d'amélioration de l'approche analytique
Pour étudier la réactivité de la biomasse lignocellulose, une approche analytique a été développée pour la caractérisation des produits de conversion hydrothermale. Le challenge analytique se trouvait dans la combinaison de plusieurs techniques analytiques complémentaires de manière à caractériser les masses moléculaires et les structures chimiques de l'ensemble des composés. Néanmoins, deux axes d'amélioration peuvent ressortir : la quantification des espèces en solution aqueuse et la caractérisation structurale des composés de hautes masses moléculaires.
V.1 Quantification des espèces en solution aqueuse
Il a été montré que 20 à 50 %m/m du carbone organique quantifié par le TOC dans l'ensemble des phases aqueuses n'est pas quantifié par GC. Plusieurs causes pouvant expliquer la différence observée ont été identifiées (III.3.b). Ainsi, plusieurs hypothèses inhérentes à la méthode GC ont été avancées. Cependant, les contributions de chacun des phénomènes sur les valeurs de quantification n'ont pas pu être estimées avec précision. Certaines pistes peuvent être proposées de manière à identifier quels phénomènes contribuent de façon significative à la différence de quantification du carbone dans les phases aqueuses :
(i) De manière à déterminer la quantité représentée par les composés ayant un temps
de rétention inférieur à celui du méthanol rajouté dans l'échantillon, une méthode de quantification par GC-MS pourrait être envisagée ainsi que de la GC headspace. Elle aurait
l'avantage de ne pas nécessiter l'ajout de méthanol ce qui permettrait de pourvoir quantifier la fraction produite au cours des conversions ;
(ii) L'élution des analytes dans notre méthode étant limitée principalement par la «
volatilité » des composés, donc par leur masse moléculaire, des méthodes analytiques quantitatives adaptées aux composées de hautes masses moléculaires comme la GC haute température, la GCxGC, l'HPLC ou la RMN DOSY pourraient permettre de quantifier des composés non détectés par la méthode GC développée dans ce travail de thèse ;
(iii) De manière à augmenter la justesse de la méthode de quantification par GC, un
développement plus poussé serait nécessaire : d'une part l'identification des analytes inconnus pourrait être envisagée par exploitation des spectres de masse de fragmentation des pics chromatographiques inconnus et d'autre part les coefficients de réponse pourraient être déterminés soit par une approche expérimentale mettant en œuvre des gammes étalon de composés purs, soit par une approche théorique qui permet de les estimer par exemple à partir des propriétés physicochimiques (Katritzky et al., 1994). En ce qui concerne la quantification des acides carboxyliques, d'autres méthodes chromatographiques mieux adaptées à la quantification de ces composés comme par exemple l'HPLC d'exclusion d'ion ou la chromatographie ionique pourraient être envisagées ;
(iv) De manière à limiter la précipitation de la matière organique dans les échantillons
aqueux, le processus de fractionnement des effluents pourrait être modifié en utilisant par exemple des solvants organiques. Cependant, contraint par les effets de dilution, le protocole de conversion devra aussi être modifié de façon à travailler avec des concentrations plus importantes. Part conséquent, optimiser l'échantillonnage est un problème complexe car il est influencé par les conditions de réaction en unité pilote et il influence l'approche analytique utilisée sur les échantillons ainsi que les méthodes employées.
V.2 Caractérisation structurale des composés de hautes masses moléculaires Les produits de conversion hydrothermale des lignocelluloses forment un mélange très polydisperse en terme de masses moléculaires même pour des composés initiaux « simples » comme le glucose. Bien que la présence de composés de hautes masses moléculaires ait été suggérée par différents auteurs dans les échantillons de conversion, leur caractérisation structurale a rarement fait l'objet d'études publiées. L'apport de la spectrométrie de masse FT-ICR/MS dans l'approche analytique développée a permis d'obtenir des informations inédites sur ces espèces. Cependant, la caractérisation structurale de ces composés de hautes masses moléculaires devrait être améliorée de manière à mieux prévoir leurs propriétés physicochimiques ainsi que mieux comprendre les voies réactionnelles à l'origine de leurs formations au cours des conversions hydrothermales.
Des essais d'analyse des composés de hautes masses moléculaires ont été réalisés en GCxGC et en HPLC-MS mais le développement de ces méthodes doit encore être poursuivi. D'autres approches pourraient être envisagées comme par exemple des combinaisons off-line de techniques séparatives préparatives comme la SEC ou la nano-filtration avec des techniques spectroscopiques et spectrométriques de caractérisation structurale.
VI Conclusion
L'approche analytique multi-techniques présentée dans ce chapitre a été développée spécifiquement dans cette thèse pour caractériser des mélanges complexes de produits de conversion hydrothermale de composés lignocellulosiques. L'objectif de ce développement était de combiner des techniques analytiques complémentaires de manière à obtenir une analyse détaillée et une quantification des produits de conversion couvrant le plus possible l'ensemble de leur importante diversité en fonctions chimiques et en masses moléculaires. Pour juger des apports et des limites de cette approche analytique, celle-ci a été appliquée à quelques échantillons judicieusement choisis qui couvrent la diversité des charges lignocellulosiques étudiées dans la thèse (biomasse réelle, composés glucidiques et phénoliques) et qui ont été obtenus pour des conditions de réaction identiques (mode batch, 370°C, 25 MPa et 30 minutes). Ainsi, les apports de notre approche multi-techniques ont été décrits et des améliorations ont pu être proposées.
L'approche analytique développée combine des techniques d'analyses élémentaires, de spectrométrie de masse FT-ICR/MS, de chromatographies SEC, GC et HPLC ainsi que de
spectroscopie Echo-MAS 13C RMN. Dès lors, cette approche nous permet la réalisation de
bilans carbone et l'estimation de la répartition des produits dans les différentes phases mais également la détermination des masses moléculaires et des formules brutes de composés en solution ainsi que la comparaison des distributions en masses moléculaires des produits en solution. Cette approche rend également possible l'identification et la quantification des produits gazeux et de celles des composés en solution de masses moléculaires inférieures à 200 g/mol, de même que la quantification des oses résiduels et l'étude de l'évolution des liaisons covalentes du carbone dans les solides.
Par rapport aux données de la littérature, l'approche analytique développée au cours de cette thèse permet d'apporter des éléments nouveaux sur les caractéristiques physico-chimiques des composés de hautes masses moléculaires et ainsi d'étudier leurs mécanismes de formation. Cependant, bien que mettant en oeuvre des techniques complémentaires les unes des autres, notre approche analytique ne permet pas de quantifier la totalité des produits aqueux et hydroinsolubles sur l'ensemble de la gamme des masses moléculaires. Pour permettre cela, le développement analytique pourra par la suite être complété à l'aide de techniques pluri-dimensionnelles off- ou on-line.
Toutefois, l'objectif de cette thèse n’étant pas de développer des méthodes analytiques pour caractériser l'ensemble des produits de conversion avec un détail moléculaire, l'approche analytique mise en œuvre ici apparaît comme satisfaisante pour une première étude de réactivité. Nous allons ainsi pouvoir appliquer dans le chapitre E suivant cette démarche efficace et pertinente à l'étude de la réactivité de la biomasse lignocellulosique et de composés modèles représentatifs en conversion hydrothermale.