Caractérisation de la biomasse lignocellulosique en vue de sa méthanisation

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1 Caractérisation de la biomasse lignocellulosique en vue de sa méthanisation Vincent Nordmann 1, 2, Stéphane Grelier 1, Frédérique Pichavant 1, Philippe Pouech 2 1 : LCPO, 16 Avenue Pey-Berland, Pessac 2 : APESA, 2 Av. du Président Pierre Angot, PAU Cedex 09 1

2 Plan La méthanisation de la biomasse lignocellulosique Composition, caractérisation de la biomasse lignocellulosique et extraction de ses composés Potentiel méthanogène de chaque fraction et interactions possibles Prétraitements de la paille de blé 2

3 La méthanisation 3

4 Qu est ce que la méthanisation? Méthanisation =production de biogaz par des bactéries anaérobies utilisant la matière organique biodégradable comme source de carbone Biomasse Croissance végétale Méthanisation = digestion par des bactéries anaérobies CH 4 + CO 2 + Digestat Source d énergie renouvelable Méthane Electricité chaleur Fertilisant Composte 4

5 Etapes de la méthanisation! Etape limitante Cinetique 30X plus lente 5

6 de la biomasse lignocellulosique La paille de blé: un modèle d étude 6

7 La biomasse végétale Gisements ciblés pour la méthanisation : Coproduits agricoles (paille, bagasse, litière animale, lisier, ) Cultures àbut énergétique (miscanthus, sorgho, ) Bois, déchets de l industrie du bois Biodéchets (fruits et légumes, branchages, tontes, papiers, ) La paille de blé: un modèle d étude expérimentale Production de paille de bléen France : Production totale: 20 million t (ADEME, étude de marché biocombustibles ) 10 million t litière animale (ADEME, étude de marché biocombustibles ) Différents concurrents pour le reste (industries chimiques, industries papetières, secteur de l énergie) 7

8 Rendement faible 30% of biomasse biogaz 30% of biogaz is CO 2 Limites de la méthanisation de la paille de blé Faible cinétique 6 jours : 50% production de biogaz total 10 jours : 75% production de biogaz total Tontes de gazon : 90% du biogaz total produit en 5 jours Comment expliquer ce faible rendement et cette faible cinétique? Comment améliorer le rendement et la cinétique de méthanisation? 8

9 Composition et caractérisation De la paille de blé 9

10 La paille de blé : 3 polymères Extractibles = contenu cellulaire 15 à22% majoritaires Lignine : 7 à14% de la paille de blé alcool coumarylique 5% alcool coniférylique 49% Problématique : Quels sont les impacts de chaque fraction de la biomasse sur la méthanisation? alcool synapylique 46% Cellulose : 34 à44% de la paille de blé Hémicelluloses : 35 à36% de la paille de blé Acide uronique - Chaine principale = xylane - Ramifications : - Xylose, arabinose, mannose, galactose, rhamnose, glucose - Acides uroniques formation de liaisons esters avec la lignine 10

11 Méthode Van Soest Deux méthodes d analyse et de déconstruction de la biomasse lignocellulosique Méthode standard TAPPI Klason Chlorites Paille brute Paille brute Paille brute NDS+amylase NDF = Holocellulose +lignine Extractibles Méthode TAPPI Acétone / Ethanol Ethanol Eau Holocellulose +lignine Extractibles Méthode Van Soest Acétone / Ethanol Ethanol Eau Holocellulose +lignine Extractibles ADS ADF = (alfa)cellulose +lignine Hémicelluloses H 2 SO 4 72% Cellulose Paille étudiée ADL = Lignine H 2 SO 4 72% Puis H 2 SO 4 4% à chaud Paille étudiée Lignine Holocellulose NaClO 2 27% Holocellulos e NaOH 17,5% α-cellulose Lignine Hémicellulos e 11

12 La méthanisation Des fractions de la paille de blé 12

13 Mesurer la production de méthane d un substrat TPM = Test du Potentiel Méthanogène substrat inoculum Enceinte Analyses : quantité et qualité thermostatée Mesure de pression 2 systèmes de mesure En volume (méthode APESA) Flacon/réacteur résistant à la pression V réacteur = 1000mL Analyse du biogaz par IR Support des flacons En pression (mise au point dans le cadre de ma thèse) V réacteur = 500mL Analyse du biogaz par GC 39 C

14 Résultats Production de biogaz = (biogaz produit par substrat + inoculum biogaz produit par blanc ) Lignine : Non inhibitrice Cellulose extractibles Rapidement méthanisable substrat Holocellulose Paille de blé Limite l accessibilité à l holocellulose Holocellulose : Paille de blé «par calcul» Qualitédu biogaz (% CH 4 ) Taux de transformation (% MO dégradée) Taux de chaque fraction de la paille (d après la méthode TAPPI) Paille extractible 59, % Extractibles holocellulose 69, % Holocellulose cellulose 51, % Cellulose lignine 51, % Lignine 60,7 7 lignine Paille de blé Comment améliorer l accessibilité à l holocellulose? 14

15 Les prétraitements Pour améliorer la méthanisation de la paille de blé 15

16 Prétraitements envisagés Augmenter l accessibilité à l holocellulose Macroscopic deconstruction Lignin extraction Ou Hydrolyser l holocellulose

17 Traitement à la soude Principe : saponification des liaison esters entre les hémicelluloses et la lignine caractérisation Lyophilisation intégration possible au TPM Filtration Lavage

18 Résultats après traitements NaOH +70% +100% 18

19 Conclusion et perspectives Différentes fractions de la paille réagissent différemment vis-à-vis de la méthanisation Cellulose et hémicelluloses Rapidement biodégradées Lignine Lentement biodégradée Suspectée de gêner l hydrolyse de l holocellulose Prétraitements : Production de biogaz X 2 suite aux prétraitements à la soude TPM paille prétraitée semblable TPM cellobiose Limites industrielles: Energie dépensée étude en cours Quantité de soude utilisée Autres prétraitements envisagés : O 3, ultrasons, traitements mécaniques 19

20 Merci de votre attention 20