Délignification assistée par traitements physiques et chimiques à partir de résidus de colza

par Marwa Brahim

Thèse de doctorat en Génie des Procédés Industriels et développement durable : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA 4297)

Sous la direction de Nadia Boussetta et de Nicolas Brosse.

Soutenue le 02-12-2016

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .


  • Résumé

    Dans le contexte de la bioraffinerie végétale, notamment pour la production du bioéthanol, le prétraitement est une étape incontournable pour réduire la récalcitrance et accroitre la réactivité de la biomasse lignocellulosique vis-à-vis des procédés de conversion enzymatique/biologique. La récalcitrance est principalement due à la présence de la lignine et à la forme cristalline de la cellulose. Le but de tout prétraitement de la biomasse est d’altérer la structure du matériau lignocellulosique pour accroitre l’accessibilité de la cellulose et les hémicelluloses aux enzymes. Les prétraitements conventionnels, comportent généralement des étapes agressives, utilisant des réactifs nocifs, en exposant la matière à des températures et pressions élevées et ce pour de longues durées. Dans ce travail, nous avons développé un procédé original de délignification des résidus de colza, en combinant des prétraitements physiques (ultrasons (US), microondes (MO) et électrotechnologies (CEP, DEHT)) aux prétraitements chimiques conventionnels (organosolv, alcalin). Ce couplage a permis d’améliorer les performances du procédé en terme de rendement d’extraction des phytomélanines (jusqu’à 40 % de gain) dans le cas des pellicules de colza et de rendement de délignification (plus que 2 fois la performance d’un procédé chimique seul) dans le cas des menues pailles de colza tout en réduisant pour la plupart des technologies étudiées la sévérité du procédé global. En termes qualitatifs, la caractérisation des pâtes cellulosiques par microscopie électronique a révélé des modifications au niveau du tissu végétal représentées par l’apparition de pores au niveau des pellicules de colza et une déstructuration des fibres des menues pailles de colza traitées induisant de meilleurs rendements d’hydrolyse enzymatique.Cependant, une perte des sucres de la cellulose et des hémicelluloses a été observée avec les prétraitements physiques. L’analyse structurale des lignines récupérées a confirmé la contamination par ces sucres et a permis d’identifier certains mécanismes d’action tels que la recondensation de la lignine sous l’effet des ultrasons et le clivage des ponts férulates sous l’action des décharges électriques à haute tension. Une étude préliminaire concernant la conception d’adhésifs «verts » éco-sourcés a été menée à partir des fractions de phytomélanines isolées par les procédés étudiés. Enfin, une étude de l'incidence des technologies innovantes en terme de performances technico-économiques a été réalisée pour permettre d'envisager une éventuelle suite à plus grande échelle et il a été conclu que l’étape physique permettait de réduire l’écart entre les coûts et les revenus de l’implantation d’une telle bioraffinerie.

  • Titre traduit

    Delignification assisted by physical and chemical treatments from rape by-products


  • Résumé

    In the context of plant biorefinery, especially for bioethanol production, pretreatment step is important to reduce the recalcitrance of lignocellulosic biomass and to increase the reactivity towards enzymatic / biological conversion processes. Recalcitrance is mainly due to the presence of lignin and crystalline cellulose. The goal of any pretreatment of biomass is to alter the structure of the lignocellulosic material in order to increase the accessibility of cellulose and hemicellulose to the enzymes. Conventional pretreatments include aggressive steps, using harmful reagents and exposing the material to high temperatures and pressures for long periods. In this work, we developed a new process for delignification of rapeseed residues, combining physical pretreatments (ultrasounds (US), microwaves (MW)) and electrotechnologies (PEF, HVED)) to conventional chemical pretreatments (Organosolv, alkaline). This coupling has improved the process in terms of phytomelanin extraction yield (up to 40 % gain) in the case of rapeseed hulls and delignification efficiency (more than 2 times more efficient than the chemical process performed alone) in the case of rapeseed straw while reducing for most studied technologies the severity of the overall process. Characterization through electron microscopy revealed changes in plant tissue represented by the appearance of pores in the treated rapeseed hulls and fiber breakdown of treated rapeseed straw inducing better enzymatic hydrolysis performance. However, loss of sugars from cellulose and hemicellulose was observed with physical pretreatments. Analysis of the recovered lignins allowed us to observe lignin modifications during physical treatments such as recondension reactions in presence of ultrasounds and cleavage of ferulates bridges with high-voltage electrical discharges. Then the formulation of « eco-sourced » adhesives from phytomélanins extracted by the previous studied processes was attempted. Finally, a study of the impact of innovative technologies in terms of technical and economic performances was carried out to consider a scale-up of these technologies. It was concluded that physical step enhanced the profitability of this biorefinery.


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