Bioraffinerie : production de composés aromatiques verts par liquéfaction de lignine

Biorefinery : lignin liquefaction to produce green aromatic chemicals

• Auteur / Autrice : Erika Bartolomei
• Direction : Anthony Dufour, Yann Le Brech
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 09/07/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Vanessa Fierro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Dufour, Yann Le Brech, Sylvette Brunet, Dorothée Laurenti, Pascal Fongarland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvette Brunet, Dorothée Laurenti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés aromatiques

Catalyse

Liquéfaction

Lignine

Biomasse -- Conversion

Mots clés libres

Bioraffinerie

Biomasse

Lignine

Catalyse

Liquéfaction

Biorefinery

Biomass

Lignin

Catalyst

Liquefaction

Résumé

Il est important de réduire notre dépendance aux ressources fossiles et le réchauffement climatique. Dans ce contexte, la biomasse est une ressource renouvelable stratégique pour la production d’énergie, de composés chimiques et de matériaux. La biomasse lignocellulosique est la biomasse non alimentaire la plus abondante. La lignine représente une fraction importante de cette biomasse. C’est une macromolécule avec des motifs variés principalement constitués de noyaux aromatiques. L’industrie de production de la pâte à papier produit une importante quantité de lignine qui est principalement valorisée par combustion pour produire de la chaleur et de l’électricité. Mais des composés à plus haute valeur ajoutée pourraient être produits à partir de la lignine comme notamment des composés aromatiques (phénols, etc.). Durant cette thèse, nous avons tout d’abord caractérisé des lignines techniques disponibles au niveau industriel. Puis, l’objectif est de dépolymériser ces lignines en monomères (phénols) ou oligomères en vue de produire des polymères à haute-valeur ajoutée. Nous avons étudié une dépolymérisation en milieu liquide (« liquéfaction ») en présence d’hydrogène ou d’oxygène. La liquéfaction produit une large gamme de composés qui est difficile à analyser. Nous avons proposé la fluorescence UV comme une technique rapide et simple pour analyser les liquides. Cette méthode d’analyse a été comparée à d’autres techniques comme la GPC ou le MALDI-TOFMS. Différents catalyseurs, solvants (eau/NaOH ou éthanol), conditions (températures) ont été testés. Les rendements en monomères restent faibles pour toutes ces conditions du fait du caractère très réticulé de ces lignines industrielles. Une modélisation globale du procédé est proposée pour évaluer les procédés de liquéfaction intégrés dans une unité Kraft de production de pâte à papier industrielle.

It is necessary and emergent to reduce our dependence to fossil resource and to mitigate climate change. In this context, biomass becomes a strategic renewable resource, for the production of green energy, chemicals and high value materials. Lignocellulosic biomass is the most abundant non-edible feedstock for the synthesis of carbonaceous fuels or chemicals. One important fraction of lignocellulosic biomass is lignin, which is a highly heterogeneous aromatic macromolecule that resists bio-degradation to a much greater extent than cellulosic components. The pulp and paper industry is the largest producers of extracted lignin. Lignin is primarily treated as a by-product and it is valorized for heat and power production. However, this lignin has great potential for value-added development that can capitalize on the unique aromatic features of lignin to potentially replace certain types of petroleum-derived products. In this thesis, industrially available lignins were first characterized. The research focus is to depolymerize these lignins to monomers or oligomers of potential interest for biomaterials synthesis. Both reductive (under H2) and oxidative (O2) liquefaction atmospheres are presented. Among the most significant challenges with lignin liquefaction research is the effective characterization of the resulting liquid phase products. In order to address this issue, a novel analytical technique utilizing UV-fluorescence spectroscopy is introduced for rapid screening of lignin liquefaction products. This technique is assessed in conjunction with other analytical methods, which are compared and contrasted. Different catalysts, solvents (ethanol, NaOH) and conditions have been studied. A global process analysis including some technical-economical assessment gives the main process unit to improve for a better valorisation of lignins on a real case pulp & paper mill.