Fractionnement de la bagasse de canne à sucre pour la co-valorisation du résidu cellulosique et des extraits aqueux

Fractionation of sugarcane bagasse for the co-valorization of cellulose residue and aqueous extracts

• Auteur / Autrice : Julie Cavailles
• Direction : Pierre-Yves Pontalier, Jérôme Peydecastaing
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Agroressources
• Date : Soutenance le 18/03/2025
• 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 : Établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Johnny Beaugrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Yves Pontalier, Jérôme Peydecastaing, Claire Mayer-Laigle, Evelyne Mauret, Nicolas Le Moigne, Nicolas Caussé, Guadalupe Vaca Medina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Mayer-Laigle, Evelyne Mauret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éco-matériaux

Extrusion

Bagasse

Mots clés libres

Matériaux biosourcés

Extrusion bi-vis

Thermocompression

Chimie verte

Bagasse de canne à sucre

Bio-Based Materials

Twin-screw extrusion

Thermocompression

Green chemistry

Sugarcane Bagasse

Résumé

La bagasse est le résidu fibreux obtenu après extraction du jus de la canne à sucre. Sa valorisation en matériaux pour la substitution des barquettes alimentaires en plastiques à usage unique représente une opportunité stratégique pour l’île de La Réunion afin de réduire la pollution plastique. Les travaux de ce manuscrit ont pour objectif d’étudier le prétraitement de la bagasse par extrusion bi-vis afin de permettre sa transformation en matériaux lignocellulosiques sans liant par thermocompression, avec pour objet d’étude la barquette alimentaire. L’étude des paramètres de thermocompression (pression, température, temps, ratio fibres/fines, taux d’humidité) met en lumière leur influence sur la transformation de la matière et les mécanismes de cohésion impliqués, avec la densification du matériau, la plastification et la dégradation des biopolymères , ainsi que la réactivité chimique dans le réseau lignocellulosique. Cette étude permet également de définir les conditions adaptées de mise en forme pour comparer les propriétés des matériaux obtenus avec des extrudats produits dans des conditions différentes. Le fractionnement de la bagasse de canne à sucre est ensuite réalisé par extrusion bi-vis, ce qui permet d’obtenir, selon la configuration de l’extrudeur (fourreau plein ou filtration), un extrudat solide et un filtrat liquide. Les extrudats, riches en fibres, sont ensuite transformés en matériaux lignocellulosiques sans ajout de liant par thermocompression. La configuration en fourreau plein s’avère la plus adaptée pour le prétraitement de la matière. En effet, l’extraction des molécules de la bagasse est limitée, même avec l’ajout de soude, sans apporter de bénéfiques aux propriétés des matériaux. Le défibrage de la matière lors de l’extrusion est majoritairement impacté par le profil de vis, le ratio liquide/solide et le taux d’humidité de la bagasse en entrée d’extrudeur. Les conditions retenues pour l’extrusion bi-vis conduisent toutefois à la fabrication de matériaux lignocellulosiques sensibles à l’eau. Pour améliorer leur hydrophobie, l’ajout d’écumes de sucrerie et la réalisation de post-traitements se sont révélés efficaces. Enfin, la mise en forme de matériaux 3D, sous la forme d’un prototype de barquette alimentaire, nécessite l’adaptation des conditions de thermocompression, notamment la température, le taux d’humidité de la matière et la nature du piston du moule, pour favoriser le transfert thermique et faciliter le fluage de la matière. Ces travaux de recherche présentent une approche durable pour la valorisation de la bagasse de canne à sucre en matériaux en intégrant des co-produits industriels de la canne à sucre et en utilisant des procédés sobres en énergie et en eau.

Bagasse is the fibrous residue obtained after extracting the juice from sugarcane. Its valorization into materials to replace single-use plastic food trays represents a strategic opportunity for the island of La Réunion to reduce plastic pollution. The objective of this manuscript is to study the pretreatment of bagasse through twin-screw extrusion to enable its transformation into lignocellulosic materials without the use of binders through thermocompression, with the food tray as the subject of study. The study of thermocompression parameters (pressure, temperature, time, fibers/fines ratio, moisture content) highlights their influence on material transformation and the cohesion mechanisms involved, including material densification, polymer plasticization and degradation, as well as chemical reactivity within the lignocellulosic network. This study also defines the appropriate conditions to compare the properties of materials obtained from extrudates produced under different conditions. The fractionation of sugarcane bagasse is then carried out by twin-screw extrusion, which, depending on the extruder configuration (defibration or filtration), produces a solid extrudate and a liquid filtrate. The fiber-rich extrudates are subsequently transformed into lignocellulosic materials without the addition of binders through thermocompression. The defibration configuration proves to be the most suitable for material pretreatment. Indeed, the extraction of molecules from the bagasse is limited, even with the addition of soda, without providing benefits to the material properties. The defibration of the material during extrusion is primarily affected by the screw profile, the liquid/solid ratio, and the moisture content of the bagasse at the extruder inlet. However, the conditions selected for twin-screw extrusion lead to the production of lignocellulosic materials that are sensitive to water. To improve their hydrophobicity, the addition of sugar refinery scum and the implementation of post-treatments have proven effective. Finally, shaping 3D materials in the form of a prototype food tray requires adapting the thermocompression conditions, particularly the temperature, the material’s moisture content, and the nature of the mold piston, to enhance heat transfer and facilitate material flow. This research presents a sustainable approach to valorizing sugarcane bagasse into materials by integrating sugarcane industrial co-products and using energy- and water-efficient processes.