Use of Ionic Liquids for the Treatment of Biomass Materials and Biofuel Production

par El Sayed Rabie El Sayed Hassan

Thèse de doctorat en Génie des procédés et des produits

Sous la direction de Fabrice Mutelet et de Jean-Charles Moïse.

Le président du jury était Nicolas Brosse.

Le jury était composé de Amina Negadi.

Les rapporteurs étaient Micheline Draye, Mireille Turmine.

  • Titre traduit

    Utilisation des liquide ioniques pour le traitment de la biomasse et la production de biocarburant


  • Résumé

    Le remplacement des solvants organiques classiques par une nouvelle génération de solvants moins toxiques et moins polluants est un défi majeur pour l'industrie chimique. Les liquides ioniques (LIs) ont été largement identifiés comme substituts intéressants aux solvants traditionnels. Le but de ce travail est d'étudier la solubilité des sucres ou des constituants issus de la biomasse dans les liquides ioniques afin de pallier au manque de données expérimentales sur les équilibres de phases de systèmes {sucres + LIs} ou {biomasse + LIs}. Les données de solubilité ont été corrélées avec succès en utilisant les modèles thermodynamiques NRTL et UNIQUAC. Cette étude démontre que la méthode de l'antisolvant est une bonne technique pour l'extraction des sucres des LIs. Par conséquent, les liquides ioniques peuvent être facilement recyclés pour être réutilisés. Les natures fondamentales des interactions entre les sucres et les liquides ioniques ont été définies en utilisant le calcul ab initio. Les résultats obtenus par simulation sont en accord avec les données expérimentales et indiquent que les liquides ioniques interagissent avec les sucres par liaisons hydrogène. La seconde partie de ce travail met en évidence que le prétraitement du miscanthus avec les liquides ioniques permet d'obtenir une bonne production d'éthanol (jusqu'à 150 g d'éthanol par kg de miscanthus). Les résultats montrent que les liquides ioniques sont des solvants performants dans le domaine de la conversion des matières premières issues de la biomasse en biocarburant. Ainsi, l'application à l'échelle industrielle de ces procédés d'extraction de la cellulose pourrait être d'un grand intérêt


  • Résumé

    The replacement of conventional organic solvents by a new generation of solvents less toxic, less flammable and less polluting is a major challenge for the chemical industry. Ionic liquids have been widely promoted as interesting substitutes for traditional solvents. The purpose of this work is to study the solubility of carbohydrates or biomass based materials in ionic liquids in order to overcome the lack of experimental data on phase equilibria of {biomass or carbohydrate-ILs} mixtures. Solubility data were successfully correlated using NRTL and UNIQUAC thermodynamic models. It was found that the antisolvent method is a good technique for the extraction of carbohydrates from ILs. Ionic liquids could be then recycled successfully for reuse. The fundamental natures of the interaction between carbohydrates and ionic liquids were investigated using ab initio calculations. The theoretical results are in good agreement with experimental data. It was concluded that ionic liquids mainly interact with carbohydrates via hydrogen bonding formation. This confirms that the process of dissolution and regeneration of cellulose in ionic liquids is accompanied only with a physical change. The preatreatment of miscanthus with ionic liquids resulted in the regeneration of amorphous, porous cellulose almost free of lignin, which is suitable for enzymatic hydrolysis and fermentation processes. A successful ethanol production was obtained with an overall ethanol yield reached up to 150 g ethanol kg-1 miscanthus. This indicates the high performance of ionic liquids in converting biomass feedstocks into biofuel. Indeed, applying the cellulose extraction processes on the industrial scale could be of great interest


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