Prétraitement par extrusion réactive pour améliorer la production de biométhane à partir de co-produits agricoles et agro-industriels

Reactive extrusion pretreatment to improve biomethane production from agricultural and agro-industrial byproducts

• Auteur / Autrice : Arthur Chevalier
• Direction : Virginie Vandenbossche Maréchal, Philippe Evon, Cécilia Sambusiti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Agroressources
• Date : Soutenance le 09/01/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Toulouse ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Guillermina Hernandez-Raquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Vandenbossche Maréchal, Cécilia Sambusiti, Bernard Kurek, Hélène Carrère, Thierry Ribeiro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Kurek, Hélène Carrère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Conversion

Méthanisation

Mots clés libres

Prétraitements

Extrusion bi-vis

Méthanisation

Biomasse lignocellulosique

Chaux

Analyse technico-économique

Pretreatments

Twin-screw extrusion

Anaerobic digestion

Lignocellulosic biomass

Lime

Techno-economic assessment

Résumé

La biomasse lignocellulosique, en particulier les co-produits agricoles, constitue une ressource attractive pouvant être valorisée par méthanisation. Cependant, son utilisation est limitée par ses propriétés physico-chimiques complexes et sa faible biodégradabilité initiale, nécessitant une étape de prétraitement. L'extrusion bi-vis est un prétraitement mécanique déjà appliqué à l'échelle industrielle, qui pourrait être amélioré via l’extrusion réactive, à savoir sa combinaison avec des additifs chimiques, pour améliorer le potentiel méthanogène (BMP) et les cinétiques de production de biogaz à partir de ces substrats en améliorant leur biodégradabilité. Une revue bibliographique évaluant l'impact de l'extrusion sur les co-produits agricoles lignocellulosiques pour la production de biométhane a d'abord été réalisée. Elle détaille les paramètres clés de l'extrusion et ses effets importants sur certains aspects physico-chimiques tels que : réduction de la taille et teneur en matière sèche, mais limités sur la composition lignocellulosique et la cristallinité de la cellulose. L'extrusion réactive, peu étudiée dans ce contexte, s'est avérée quant à elle prometteuse pour altérer la composition lignocellulosique, améliorant ainsi le BMP. En outre, la nécessité de mener davantage de tests pilotes a également été mise en évidence afin de valider l'applicabilité et la faisabilité de ces prétraitements à plus grande échelle, tout en évaluant leurs aspects énergétiques, économiques et environnementaux. Des tests d'extrusion ont d'abord été réalisés à l’échelle du laboratoire sur un extrudeur Clextral BC45 en utilisant deux profils de vis avec des niveaux de contrainte mécanique différents. Quatre biomasses lignocellulosiques, des co-produits de maïs doux ensilé, du triticale frais, de la paille de blé et des cannes de maïs, ont été sélectionnées en fonction de leurs différentes teneurs en lignine. Les résultats ont démontré une amélioration de la cinétique du BMP jusqu'à +106%, en raison de changements morphologiques après l'extrusion, mais pas d'amélioration du BMP. Une extrusion réactive a ensuite été réalisée sur les cannes de maïs en utilisant de la chaux (Ca(OH)2) afin de bénéficier de ses effets délignifiants connus pour améliorer le BMP. Un taux d'humidité de 70% et une dose de chaux de 10 g/100gMS se sont avérés efficaces pour améliorer le BMP jusqu'à +28%, en raison d'une dépolymérisation de la lignocellulose jusqu'à +17%. Une comparaison des effets de l'extrusion entre échelles laboratoire, pilote et industrielle a été effectuée à l'aide de trois extrudeurs : Clextral BC45 (laboratoire), Clextral Evolum HT 53 (pilote) et Lehmann MSZK-B74e (industriel). Ici, l’objectif était de s'assurer de la reproductibilité des procédés développés. Les résultats ont montré une homogénéité des BMP et de la composition lignocellulosique, démontrant une bonne reproductibilité malgré les différences de capacité entre ces trois appareils. La production semi-continue de biométhane en réacteurs de 20L a ensuite été étudiée. Ces essais ont révélé des paramètres biologiques stables, et une augmentation du BMP (jusqu'à +35%) et de la cinétique de production (jusqu'à +18%) pour les cannes de maïs extrudées imprégnées à la chaux, en raison de l'amélioration de leurs propriétés rhéologiques jusqu'à un facteur de 17, ainsi que de bonnes propriétés fertilisantes des digestats produits. Enfin, une analyse technico-économique a été réalisée afin d’estimer la viabilité industrielle des résultats de l'extrusion réactive, sur la base de données provenant d'un site de production de biogaz. Différents scénarios de remplacement ou d'ajout ont été développés. Ils ont montré que l'incorporation de cannes de maïs extrudées ou extrudées puis imprégnées de chaux pourrait théoriquement augmenter la rentabilité du site jusqu'à +109%.

Lignocellulosic biomass (e.g., agricultural by-products) is a low-cost resource that could be valorized in anaerobic digestion (AD). However, its utilization is hindered by complex physico-chemical properties and low initial biodegradability, thus requiring a pretreatment step. Twin-screw extrusion is a mechanical pretreatment already applied at industrial scale that could be improved through reactive extrusion, i.e., its combination with chemical additives, to improve biochemical methane potential (BMP) and biogas production kinetics by enhancing their biodegradability. A literature review assessing the impact of extrusion on lignocellulosic agricultural by-products for biogas production was first conducted. It details the key parameters for extrusion, and the effect of extrusion pretreatment to alter several physico-chemical parameters (i.e., size reduction, and dry matter content) while having a lesser impact on others (i.e., lignocellulosic composition, and cellulose crystallinity index). Reactive extrusion, while fairly unstudied in this context, was proven efficient to alter the lignocellulosic composition, leading to great improvements in biomethane production. Additionally, the need for more pilot-scale experiments to validate the applicability and feasibility of these methods at larger scale, while assessing their energetic, economic, and environmental aspects, was also evidenced. Extrusion tests were first conducted on a Clextral BC45 extruder using two screw profiles with different stress levels. Four lignocellulosic biomasses, i.e., ensiled sweet corn by-products, fresh triticale, wheat straw, and corn stover, were selected based on varying lignin contents. Results demonstrated an improvement in BMP kinetics up to +106%, due to morphological changes post-extrusion. However, these modifications did not allow BMP improvements. Reactive extrusion was then conducted on corn stover using lime (Ca(OH)2) to benefit from its delignifying effects known to enhance BMP. A moisture content of 70% and a lime dose of 10 g/100gDM were proven efficient to improve BMP up to +28%, due to a lignocellulosic depolymerization up to +17%. A scale comparison of the effects of extrusion was undertaken at laboratory, pilot, and industrial scales using three extruders: Clextral BC45 (laboratory), Clextral Evolum HT 53 (pilot), and Lehmann MSZK-B74e (industrial). Here, the objective was to ensure the reproducibility of the process developed at laboratory scale when moving to industrial one. Results showed consistent BMP and lignocellulosic composition across all extruder models, indicating a good reproducibility despite the differences in machine capacity. Then, semi-continuous AD tests in 20L reactors comparing extruded versus lime impregnated extruded corn stover were studied. The trials revealed stable biological parameters, increases in BMP (up to +35%) and kinetics (up to +18%) for lime-impregnated extruded corn stover, due to the improvement of their rheological properties up to a factor of 17, and great fertilizing properties of the produced digestates. Finally, a technical-economic assessment was performed to estimate the industrial viability of reactive extrusion results, based on data from a biogas production site. Various replacement or addition scenarii were developed. They indicated that the incorporation of extruded or lime-impregnated extruded corn stover could theoretically increase the plant rentability by up to +109% under optimal conditions.