Application industrielle de prétraitements pour l'obtention de nanofibrilles de cellulose haute qualité

Industrial application of pretreatments for obtaining high quality cellulose nanofibrils

• Auteur / Autrice : Gabriel Banvillet
• Direction : Julien Bras, Naceur Belgacem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 19/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Tatiana Budtova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Orlando J. Rojas, Sami Boufi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofibres

Éco-matériaux

Mots clés libres

Nanofibrilles de cellulose

Prétraitements

Procédés de fibrillation

Cellulose nanofibrils

Pretreatments

Fibrillation processes

Résumé

Le développement de matériaux biosourcés possédant un large éventail de propriétés est devenu une préoccupation majeure dans notre société actuelle, pour tendre vers une bioéconomie durable. Dans ce contexte, les nanofibrilles de cellulose (CNF) sont très prometteuses, de par leurs propriétés mécaniques, optiques, rhéologiques et barrières intéressantes. En revanche, plusieurs verrous technologiques freinent encore la rentabilité de leur production à l’échelle industrielle, tels que les problèmes de procédé ou de toxicité liés aux prétraitements de la cellulose, et la forte consommation énergétique des procédés de fibrillation mécanique. Ce projet vise au développement de prétraitements innovants et à l’optimisation de plusieurs procédés de fibrillation mécanique, avec pour objectif de produire à l’échelle industrielle des CNF de haute qualité. Dans un premier temps, trois prétraitements ont été étudiés, impliquant un traitement alcalin et enzymatique couplé, l’adsorption d’un polyélectrolyte, et l’hydrolyse enzymatique in situ à fort taux de matière sèche pendant la fibrillation par extrusion bi-vis. Ensuite, un procédé de raffinage à disque a été optimisé pour la production de CNF, en vue de l’implémentation de ces prétraitements à l’échelle pilote. Plusieurs essais industriels avec une ligne de raffinage spécifique au papier calque ont souligné la pertinence de ce procédé pour la production de CNF en grande quantité, menant à une réduction significative de la consommation énergétique comparée à des procédés conventionnels. Enfin, le raffinage à disque a été combiné respectivement avec l’extrusion bi-vis, le broyage ultra-fin et l’homogénéisation. Cette stratégie a permis de dépasser la limitation de la qualité de CNF rencontrée avec l’utilisation du raffinage seul. Les résultats de ce projet contribuent à la connaissance des prétraitements et procédés pour la production de CNF, et sont un pas vers leur production efficace à l’échelle industrielle.

The development of biobased materials with a wide range of properties has become a key issue in today’s society, to move towards a durable bioeconomy. In this context, cellulose nanofibrils (CNF) are very promising, due to their interesting mechanical, optical, rheological and barrier properties. However, several technological challenges still restrain their cost-efficient production at the industrial scale, such as the process or toxicity issues of the cellulose pretreatments, and the high energy consumption of the mechanical fibrillation processes. This project aims at developing innovative pretreatments and optimize several mechanical fibrillation processes, with an objective of producing high quality CNF at the industrial scale. First, three pretreatments were studied, involving a coupled alkaline and enzymatic treatment, the adsorption of a polyelectrolyte, and in situ enzymatic hydrolysis at high solid content during fibrillation by twin-screw extrusion. Then, a disk refining process was optimized for CNF production, for the implementation of these pretreatments at the pilot scale. Several industrial trials with a specific tracing paper refining line also underlined the relevance of this process for large scale CNF production, leading to a significant decrease of energy consumption compared to conventional processes. Finally, disk refining was combined with twin-screw extrusion, ultra-fine grinding and homogenization, respectively. This strategy enabled to overcome the limitation of CNF quality encountered with the use of refining alone. The results of this project contribute to the knowledge on pretreatments and processes for CNF production, and are a step towards their efficient production at industrial scale.