Fractionnement par voie sèche de la biomasse ligno-cellulosique : broyage poussé de la paille de blé et effets sur ses bioconversions

par Gabriela Ghizzi Damasceno da Silva

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Xavier Rouau.


  • Résumé

    Dans le contexte de la bioraffinerie végétale pour la production de molécules et d'énergie, des prétraitements sont nécessaires pour augmenter la réactivité de la biomasse ligno-cellulosique. Cette thèse s'insère dans une thématique dont l'objectif général est d'établir les bases d'une raffinerie du végétal par des procédés par voie sèche. Cette étude a pour objectif de développer et comprendre le fractionnement mécanique poussé de la paille de blé jusqu'à des tailles sub-millimétriques et d'évaluer les effets sur des procédés de bioconversions énergétiques. La paille de blé présente une grande hétérogénéité à plusieurs niveaux d'échelle (du cm au µm). Un diagramme de broyage multi-étapes à l'échelle pilote (>1kg) a permis d'obtenir une large gamme de tailles de particules, par 3 modes de sollicitation distincts: i) broyages à grille sélective produisant des tailles du grossier (800 µm) au fin (50 µm), ii) broyage à jet d'air (ultrafin, ~20 µm) et iii) broyage à boulets (ultrafin, ~10 µm). Une méthodologie d'analyse morphologique des particules a été développée par analyse d'images de microscopie optique. La paille soumise aux mécanismes complexes de rupture lors de broyages produit une forte variabilité des formes et compositions des particules. L'analyse multiple de co-inertie a permis d'évaluer de façon globale les morphologies des particules. Globalement, le broyage diminue la taille et les facteurs de forme des particules, avec quelques exceptions dues aux configurations matérielles. La dégradabilité enzymatique (saccharification) des poudres produites a été améliorée par la réduction de la taille des particules. Jusqu'à ~100 µm la solubilisation des polysaccharides augmente puis se stabilise à 36 % des polysaccharides totaux et 40 % de la cellulose. Seuls les échantillons issus du broyage à boulets dépassent cette limite et atteignent 46 % d'hydrolyse des polysaccharides totaux et 72 % de la cellulose. Ceci est lié à une augmentation de l'efficacité enzymatique due à la diminution de la cristallinité de la cellulose (de 22 à 13%). Ces résultats du broyage à boulets sont comparables à ceux de l'explosion à la vapeur, avec une meilleure préservation des hémicelluloses. Cette amélioration d'efficacité enzymatique s'est traduite par des dégradations anaérobies (biogaz) accélérées et légèrement augmentées (cas du broyeur à boulets). La décomposition aérobie dans le sol a été améliorée par le broyage grossier, mais les broyages plus fins n'ont pas entrainé de gain. Les caractéristiques de la paille broyée peuvent varier selon l'intensité et le mode de broyage. Bien que tous les broyages permettent la réduction de la taille, le broyage à grilles et le broyage à jet d'air n'engendrent pas de changements dans la structure fine des polymères pariétaux. Seul le broyage à boulets a engendré des changements de la structure interne des particules notamment en réduisant la cristallinité de la cellulose et en solubilisant partiellement les hémicelluloses. Ces résultats permettent de mettre en évidence que la fragmentation mécanique poussée par voie sèche est une alternative possible aux prétraitements utilisés en raffinerie végétale.

  • Titre traduit

    Dry fractionation of lignocellulosic biomass : advanced grinding wheat straw and effects on its bioconversions


  • Résumé

    In a context of plant biorefinery for the production of molecules and energy, pretreatments are necessary to increase the reactivity of the lignocellulosic biomass. This thesis is part of a general project aiming to establish the bases for a dry plant refinery. This study aimed to develop and understand advanced mechanical fractionation of wheat straw down to sub-millimeter sizes and to assess its effects on bioconversion processes for bioenergy. Wheat straw exhibited a high heterogeneity at several scale levels (from cm to μm). A multistep diagram of dry grinding at pilot-scale (> 1 kg) produced a wide range of particle sizes by three distinct mode of action: i) sieve-based grinding producing particle sizes from coarse (800 μm) to fine (50 μm), ii) air-jet milling (ultra-fine, ~ 20 μm) and iii) ball milling (ultra-fine, ~ 10 "m). A morphological analysis of particles was developed by image analysis from light microscopy. Subjecting wheat straw to the complex breaking mechanisms during grinding produced particles highly variable in shapes and compositions. A multiple co-inertia analysis allowed the evaluation of the overall particle morphologies. Generally, grinding reduced the size and shape descriptors of particles, with some exceptions due to equipment configurations. The enzymatic degradability (saccharification) of produced powders was improved by reducing their particle size. Until ~ 100 μm the polysaccharides solubilisation was increased and then stabilised at 36% total polysaccharides and 40% cellulose. Only samples from ball milling overcome this limit and attained hydrolysis yields of 46% total polysaccharides and 72% cellulose. This is due to an increase in enzymatic efficiency by the reduction of cellulose crystallinity (from 22 to 13%). These results of ball milling are comparable to those of steam explosion process, with a better preservation of hemicelluloses. This improved enzymatic efficiency resulted in faster and slightly more extensive (ball milling case) anaerobic degradations (biogas). Aerobic decomposition in the soil was improved by coarse grinding, but finer grinding did not result in a further increase. The characteristics of ground straw varied depending on grinding intensity and mode. Although all grindings could reduce the size, sieve-based grinding and air-jet milling did not allow changes in the fine structure of cell wall polymers. Only ball milling led to changethe internal structure of particles especially reducing cellulose crystallinity and partially solubilising hemicelluloses. These results demonstrate that advanced mechanical fragmentation by dry processes is a possible alternative for pretreatments in a plant refinery


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