Développement d'un procédé innovant de dégradation enzymatique des parois végétales pour la production de bioéthanol seconde génération

Innovativ process development of enzymatic degradation cell wall plant to produce second generation of bioethanol

• Auteur / Autrice : Julien Brault
• Direction : Luc Rigal, Gérard Vilarem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des agroressources
• Date : Soutenance le 13/11/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Carole Molina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Rigal, Gérard Vilarem, Carole Molina, Virginie Vandenbossche Maréchal, Martin Hernandez-Luna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Kurek, Eulogio Castro Galiano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioéthanol

Enzymes -- Régulation

Mots clés libres

Dégradation enzymatique

Extrusion bi-vis

Bioéthanol

Parois végétales

Procédé

Enzymatic degradation

Twin screw extrusion

Bioethanol

Cell plant wall

Process

Résumé

Les procédés de transformation de biomasse lignocellulosique en bioéthanol de seconde génération sont actuellement des sujets de recherche très répandus mais ne sont toujours pas compétitifs avec ceux de la première génération. Les facteurs clés limitants sont : l’efficacité et les coûts du prétraitement, les rendements de l’hydrolyse enzymatique, et la co-fermentation C5-C6. Un procédé continu de déconstruction de la matière végétale, compactant un prétraitement thermo-mécano-chimique utilisant un agent alcalin avec une introduction d’enzymes en extrusion bi-vis, appelé bioextrusion, est développé dans cette étude. Il permet de préparer la matière cellulosique à un haut taux de matière sèche (>20%), à une saccharification et une fermentation pouvant être simultanées (SSF). Le traitement continu peut extraire une grande part des hémicelluloses (jusqu’à 97%) et des lignines (>50%) et améliorer l’accessibilité de la cellulose tout en initiant sa dépolymérisation par des cocktails enzymatiques pendant la bioextrusion. Plusieurs matières premières (Résidu de maïs doux, Bagasse d’agave bleue, Résidu d’huilerie de palme, Paille d’orge, Résidu d’Eucalyptus, Sarments de vigne et Bagasse de canne à sucre) ont été caractérisées et leurs comportements vis-à-vis du procédé ont été comparés. L’évolution de la composition de ces matières à travers le procédé et leur hydrolysabilité ont été étudiées. Suite au traitement, une augmentation du rendement de saccharification dans un réacteur (24h de temps de réaction à 20% de consistance) a été obtenue pour ces matières (jusqu’à 85% des C6 théoriques et 70% des C5-C6 théoriques). Les rendements de fermentation non optimisés atteignent un maximum de 85% théorique des sucres C6 convertis, 65% théorique des C5-C6 convertis, et une concentration d’éthanol de 15g/100g extrudat sec. Le procédé de production d’éthanol dans son ensemble (avec addition de l’énergie de la valorisation des coproduits) atteint un ratio « énergie consommée/produite » de 0.5-0.6. Le nouveau procédé présente ainsi les avantages de minimiser la consommation d’énergie par l’application de faibles températures, de minimiser la consommation d’eau par l’utilisation de faibles ratios liquide/solide, de ne pas produire d’inhibiteurs de fermentation et d’être rapide, compact, continu et adaptable sur différentes biomasses.

Lignocellulosic biomass transformation processes in order to produce second generation bioethanol are actually widely studied all around the world but still not yet competitive compare to the first generation. The limiting key factors of the different processes are: the pre-treatment efficiency and costs, the enzymatic hydrolysis yields, and the co-fermentation C5-C6. A continuous plant matter deconstruction process, compacting a thermo-mechanico-chemical pre-treatment using alkali solution with an enzymes injection in twin-screw extruder, called bioextrusion, is developed in this study. It allows preparing the cellulosic material at a high dry matter content (>20%), to a possible simultaneous saccharification and fermentation (SSF). This continuous treatment may extract a big part of hemicelluloses (until 97%) and lignin (>50%) and configures cellulose to a better accessibility and a start of its depolymerisation by enzymes cocktail during the bioextrusion. Several raw matters (Sweet Corn Cob and Spathe, Blue Agave Bagass, Oil Palm Empty Fruit Bunch, Barley Straw, Eucalyptus Residue, Grape Pruning Residue and Sugarcane Bagass) have been characterized and theirs behaviours toward to the process were compared. Evolutions of these matters compositions throughout the process and their hydrolysability have been studied. Further to the treatment, an improvement of the saccharification yields in reactor (24h reaction time at 20% consistency) has been obtained on these matters (until 85% of theoretical C6 and 70% of theoretical C5-C6). The not optimized fermentation yields reach a maximum of 85% of theoretical converted C6 sugars, 65% of theoretical converted C5-C6 sugars, and an ethanol concentration of 15g/100g dry matter extrudate. The whole ethanol production process (with addition of energy from the recovery of the by-products) is achieved with a “consumed/produced energy” ratio of 0.5-0.6. The new process presents the advantages to minimize the energy consumption by operating low temperatures, to minimize water consumption by working at low liquid/solid ratio, to not produce fermentation ‘s inhibitors and to be quick, compact, continuous and adaptable to different biomasses.