Étude et optimisation de prétraitements de la cellulose pour la production de microfibrilles de cellulose (MFC)

par Ahlem Mnasri

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Evelyne Mauret.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université de Monastir , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers (laboratoire) depuis le 24-01-2019 .


  • Résumé

    La communauté scientifique travaille depuis plusieurs années sur les moyens de réduire le coût de production de la cellulose microfibrillée (M/NFC pour micro/nanofibrilles de cellulose. Aujourd'hui, les voies classiques d'obtention des M/NFC consistent à prétraiter mécaniquement les fibres végétales dans un raffineur (prétraitement mécanique) et à appliquer des traitements enzymatiques et/ou chimiques (classiquement, réaction d'oxydation TEMPO), ceci dans le but de faciliter la libération des M/NFC au cours des procédés ultérieurs de broyage ou d'homogénéisation à haute pression. Selon les traitements mis en oeuvre et la nature des fibres utilisées, les M/NFC produites présentent des qualités variables. Il est donc possible d'adapter le procédé de fabrication en fonction des propriétés et du niveau de qualité du produit visé. Malgré ces avancées, le coût énergétique global de production des M/NFC reste encore trop élevé. Par ailleurs, le traitement d'oxydation TEMPO est coûteux et met en oeuvre un catalyseur à base d'ions bromure, ce qui n'est pas toujours possible selon les applications envisagées. Enfin, la sensibilité à l'eau des matériaux à base de fibres végétales ou de M/NFC constituent un frein à leur utilisation et des solutions doivent être trouvées pour améliorer leurs propriétés en présence d'eau. Pour répondre à cette problématique, cette thèse se propose d'étudier des voies de modification de la cellulose en utilisant plusieurs types de greffage tels que la phosphatation ou la silanisation, par exemple. D'autres réactions chimiques, présentant un impact environnemental plus faible, seront aussi testées en faisant notamment appel au carbonate de diméthyle (DMC) ou au dioxyde de carbone (CO2). En effet, des travaux récents ont été menés par les deux partenaires de cette thèse sur la possibilité de modifier de la cellulose microcristalline en présence de carbonate de méthyle. La candidate sera ainsi amenée à définir des conditions expérimentales permettant de mener cette réaction sur des composés modèles tels que le sorbitol, le glucose, la cellobiose. La réaction sera également optimisée pour de la cellulose microcristalline et, enfin, pour des fibres végétales. Cette démarche permettra de comprendre les mécanismes réactionnels et de déterminer les conditions optimales. Les fibres modifiées seront ensuite utilisées pour étudier l'impact des prétraitements sur l'opération de microfibrillation et l'énergie associée ainsi que sur la qualité des NFC obtenues. Enfin, la doctorante s'intéressera à la production de matériaux présentant des propriétés contrôlées (papiers et de nanopapiers fabriqués à partir des M/NFC produites). Cette thèse s'appuiera sur les compétences du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers de Grenoble INP, qui est une unité de référence pour l'étude des matériaux lignocellulosiques et de la valorisation de la biomasse végétale et pour ses connaissances dans le domaine des nanocelluloses (thèse codirigée par Evelyne Mauret). Il bénéficiera des compétences du laboratoire de Recherche de Chimie Appliquée et Environnement à l'Université de Monastir (thèse codirigée par le Professeur Hatem Dhouadi et le Docteur Ramzi Khiari) qui développe depuis plusieurs années maintenant de nouvelles approches de dérivation de la cellulose. Enfin, ce projet associera le Laboratoire d'Etude et de Recherche sur le Matériau Bois (LERMAB) de l'Université de Lorraine qui possède une expertise reconnue dans le domaine du prétraitement et de la valorisation du bois et de la biomasse végétale et a acquis un pilote d'explosion en phase vapeur.

  • Titre traduit

    Study of pretreatments of cellulose for the production of microfibrillated cellulose MFC


  • Résumé

    The scientific community has been working for several years on the ways to reduce the production cost (NFC). Today, the conventional ways of obtaining NFC are mechanical pretreatment such as refining and enzymatic and/or chemical treatments (typically, TEMPO oxidation reaction). This study will focus on some new alternatives ways aiming at facilitating the production of CNF and on the evaluation of their properties and their level of quality. Indeed, despite the recent advances in this reaerc area, the overall energy cost of CNF production is still too high. In addition, the TEMPO oxidation treatment is expensive and uses a catalyst generally based on bromide ions, which is not always possible depending on the intended applications. Finally, the water sensitivity of CNF materials is a barrier to their use and solutions must be found to improve their properties in the presence of water. To answer this problematics, this work proposes to study the implementation of the modification of cellulose by using several types of grafting such as phosphatation, silanisation, for instance. Other green chemical reactions will also be tested using dimethyl carbonate (DMC) or carbon dioxide (CO2). Recent work has been carried out by both partners of this thesis on the possibility of carrying out such a reaction (DMC) on microcrystalline cellulose. The candidate will then have to define experimental conditions on model compounds such as sorbitol, glucose, cellobiose and so to the cellulose fibre itself, while passing by model celluloses (microcrystalline cellulose). This approach will make possible understanding of the reaction mechanisms and determination of the optimum conditions. The impact of pre-treatments on the microfibrillation operation and on the associated energy as well on the quality of the NFC will also be studied. Finally, materials with controlled properties (M/NFC based papers and nanopapers) will be produced.