Bioraffinage : valorisation de la biomasse
S’inscrivant dans une démarche de développement durable, la valorisation des végétaux d'origine agricole ou forestière, appelée biomasse végétale, connait un gain d’intérêt croissant.
Plusieurs recherches scientifiques sont réalisées, notamment, pour développer de nouvelles techniques rentables de valorisation de la biomasse ligno-cellulosique. De nos jours, Il existe deux voies principales, à savoir la voie biochimique et la voie thermochimique. Ces deux techniques permettent de transformer la biomasse en biocarburants et en produits chimiques pouvant se substituer à ceux obtenus par raffinage du pétrole.
Le bioraffinage peut être défini comme un processus durable de transformation de la biomasse en produits biobasés (alimentation, produits chimiques, matériaux) et en bioénergie (biocarburants, électricité, chaleur). Le concept de bioraffinerie est analogue à celui du raffinage de pétrole qui produit différents carburants et produits chimiques. En effet, la raffinerie traditionnelle convertit le pétrole en carburants, en molécules plateformes pour la pétrochimie et en spécialités chimiques telles que les lubrifiants et les solvants. De l’autre coté, la bioraffinerie se base sur la transformation de la biomasse en biocarburants, en molécules plateformes pour l'agro-chimie et en spécialités chimiques telles que les biolubrifiants et les biosolvants.
Selon la matière première utilisée, on distingue les bioraffineries de première génération et celles de deuxième génération. La première catégorie de bioraffinage est basée sur l’utilisation directe des formes de la biomasse agricole classique (colza, blé, Maïs, canne à sucre, betterave…). Quant à la deuxième catégorie, elle est basée sur l’exploitation de la biomasse lignocellulosique, source de carbone renouvelable la plus abondante de notre planète, principalement constituée des trois polymères de la paroi cellulaire végétale : la cellulose, l’hémicellulose et la lignine.
Plusieurs voies de valorisation de la biomasse
Les bioraffineries de première génération produisent les biocarburants et les produits biobasés. Les biocarburants liquides de première génération incluent le biodiesel et le bioéthanol. Ce dernier, est obtenu par fermentation alcoolique des sucres fermentescibles (glucose, saccharose, etc.) directement présents dans la plante ou provenant d'une hydrolyse enzymatique de l’amidon. Généralement, les principales plantes exploitées pour leurs sucres fermentescibles sont la canne à sucre, la betterave sucrière, le maïs et le blé.
Le biodiesel de première génération est un mélange d'esters méthyliques d'acides gras, obtenu à partir des huiles végétales comestibles, telles que l’huile de colza, l’huile de soja et l’huile de palme, des graisses animales et des graisses recyclées, suivant une réaction de transestérification des triglycérides
La fermentation des sucres permet, également, de fabriquer des produits biobasés qui incluent l'acide polylactique (PLA) et des molécules plateformes telles que l'acide succinique et le 1,3 propanediol. En outre, les produits biobasés comprennent des acides et des esters gras obtenus à partir des huiles végétales et du bioéthanol. Il est également possible d’utiliser le bioéthanol pour produire des polymères biobasés tels que le chlorure de polyvinyle (PVC) et le polyéthylène (PE) à partir de la formation de l’éthylène et du polyéthylène téréphthalate via la formation d'éthylène glycol.
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Le bioraffinage de 1ère génération présente plusieurs avantages. Cependant, plusieurs inconvénients peuvent être énumérés :
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Quant aux bioraffineries de deuxième génération, elles utilisent des matières premières végétales lignocellulosiques, composées principalement:
- de cellulose, un polymère linéaire (non branché) de D-glucose ;
- d'hémicelluloses, des polymères branchés de sucres à 5 et 6 atomes de carbone ;
- de lignine, un polymère complexe aromatique plus résistant à la dégradation biologique que la cellulose.
La biomasse lignocellulosique est valorisée en …
Pour valoriser ces ressources lignocellulosiques, il existe deux voies principales à savoir la voie biochimique et la voie thermochimique.
La conversion biochimique consiste en une hydrolyse des polysaccharides de la biomasse, et en une fermentation des sucres qui en résultent en éthanol. Quant à la conversion thermochimique, elle se base essentiellement sur la gazéification, ou autre procédé thermique, suivie de la synthèse catalytique (Fischer-Tropsch) ou de la fermentation du gaz ou du liquide qui en résulte des biocarburants communément appelés carburants cellulosiques.
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Parmi les avantages de la biomasse de 2ème génération (lignocellulose, constituée de tiges, de troncs ou de branches des plantes) on peut noter que:
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Deux techniques d’hydrolyse sont utilisées
Pour convertir la biomasse en bioéthanol, une solution d’acide sulfurique, dilué à 1%, est utilisée. Dans ce cas, on parle de l’hydrolyse acide qui se fait en deux stades pour tenir compte des différences entre la cellulose et l'hémicellulose. (Figure 1)
En effet, l'hémicellulose, contenant des sucres C5 (5 atomes de carbone) et C6, est plus facilement hydrolysable que la cellulose contenant uniquement des sucres C6. De plus, les sucres C5 se dégradent plus rapidement que les sucres C6.
Le premier stade de l’hydrolyse est effectué dans des conditions plus douces (T= 190°C), qui maximise le rendement pour l'hémicellulose, tandis que le second stade est optimisé à T=215°C pour hydrolyser la cellulose. A chaque stade, les sucres liquides sont récupérés et fermentés en éthanol. La lignine et la cellulose résiduelle servent à la production d'électricité et de vapeur.
Figure 1 : Schéma général de l'hydrolyse à l'acide dilué à deux stades
Une autre option utilisée pour casser la molécule cellulose en sucres est l'emploi d'enzymes cellulases. (Figure 2)
Le procédé d’hydrolyse enzymatique comprend, typiquement, les étapes suivantes:
- Prétraitement de la biomasse, dans lequel l'hémicellulose est dégradée en sucres solubles C5 et C6;
- Hydrolyse enzymatique de la cellulose, conduisant à la formation de glucose ;
- Fermentation du glucose, conduisant à l'éthanol;
- Fermentation des sucres C5, conduisant à l'éthanol ;
- Distillation de l'éthanol.
Les défis rencontrés par cette technologie enzymatique sont, en particulier, le prétraitement de la biomasse, le coût et l'efficacité des cellulases, la fermentation efficace des sucres C5 et C6 et la revalorisation des lignines.
Figure 2 : Procédé typique d'hydrolyse enzymatique
La conversion thermochimique de la biomasse
La conversion de la biomasse solide en carburant, liquide ou gazeux, se fait en la chauffant en présence d'une quantité limitée d'oxygène. En effet, lorsque la biomasse est chauffée avec moins d'un tiers de l'oxygène nécessaire pour une combustion efficace, elle gazéifie en un mélange contenant, principalement, du monoxyde de carbone et de l'hydrogène de synthèse, appelé aussi syngas.
La biomasse peut être aussi liquéfiée par pyrolyse ou par d'autres technologies, telles que la liquéfaction hydrothermale. La gazéification et la pyrolyse sont suivies par un procédé de synthèse « Fischer-Tropsch » ou une fermentation.
La synthèse Fischer-Tropsch est une réaction chimique catalysée, dans laquelle le gaz de synthèse est converti en hydrocarbures liquides de différents types. Le procédé implique de nombreuses réactions chimiques compétitives. Les réactions les plus importantes sont celles conduisant à la formation d'alcanes, suivant l'équation (2n + 1) H2 + nCO → CnH2n+2 + nH2O
L'utilisation de la biomasse, comme matière première dans une bioraffinerie, représente une alternative prometteuse, aux ressources fossiles, pour produire à la fois des biocarburants, de l'électricité, de la chaleur ainsi que des produits biobasés.
Cette alternative permet, de plus, de lutter contre le changement climatique, via son effet neutre sur les émissions de CO2, et de sécuriser les approvisionnements en énergie dans un contexte de diminution des réserves pétrolières.
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