[go: up one dir, main page]

WO2018130776A1 - Procede de traitement de la biomasse - Google Patents

Procede de traitement de la biomasse Download PDF

Info

Publication number
WO2018130776A1
WO2018130776A1 PCT/FR2018/050048 FR2018050048W WO2018130776A1 WO 2018130776 A1 WO2018130776 A1 WO 2018130776A1 FR 2018050048 W FR2018050048 W FR 2018050048W WO 2018130776 A1 WO2018130776 A1 WO 2018130776A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
biomass
ionic liquid
water
treatment
fraction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2018/050048
Other languages
English (en)
Inventor
Catherine SARAZIN
Eric HUSSON
Hélène DUCATEL
Ingrid MURRIETA PAZOS
Gilles Ravot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Extractis
Universite Amiens Picardie Jules Verne
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Pivert SAS
Original Assignee
Extractis
Universite Amiens Picardie Jules Verne
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Pivert SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Extractis, Universite Amiens Picardie Jules Verne, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Pivert SAS filed Critical Extractis
Publication of WO2018130776A1 publication Critical patent/WO2018130776A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H6/00—Macromolecular compounds derived from lignin, e.g. tannins, humic acids

Definitions

  • the present invention relates to a new process for treating biomass, intended in particular to allow the valorisation of lignocellulosic biomass, this process comprising a treatment of biomass with subcritical water in the presence of an ionic liquid.
  • Lignocellulosic biomass represents a strong potential for developing the bioconversion of previously undeveloped plant wastes into high value-added bio-products (Tamaru and Lôpez-Contreras, 2013).
  • fuels and organic chemicals from lignocellulosic biomass can help reduce greenhouse gas emissions, improve energy security and improve solid waste management (Tamaru and Lôpez-Contreras, 2013).
  • Oleaginous plants are grown to extract the fat fraction from their seeds or fruits for food, energy or industrial use. These crops are currently characterized by the low value of co-products containing lignocellulose such as, among others, straw, leaves, stems, shells, cakes. These co-products from these crops represent an important source of lignocellulosic biomass. It is the same for other waste from the plant world, such as sawdust, bagasse sugar cane etc.
  • lignocellulosic biomass An important limitation to the transformation and recovery of lignocellulosic biomass is its resistance to enzymatic conversion to sugar-type compounds.
  • the resilient nature of biomass due in particular to its complex structure and resistance to hydrolysis of the polymers that make up lignocellulose, is a major obstacle to efficient low-cost fractionation of lignocellulosic biomass.
  • the treatment of the biomass directly by enzymatic hydrolysis is not effective, and different pretreatments that fracture the lignocellulosic structure are necessary to make the biomass accessible to hydrolysis by enzymes.
  • the chemical treatment of biomass requires drastic conditions which lead to a low yield of sugars and produce derivatives such as for example the furfural inhibitor of fermentation enzymes.
  • the Organosolv process which consists of extracting lignin and hemicellulose with organic solvents (ethanol, acetone) at 150-200 ° C under acidic conditions.
  • Ionic liquids such as imidazolium with a carbon chain length of less than or equal to 4 C
  • the treatment of lignocellulosic biomass by ionic liquids alone is characterized by a low degradation of the hemicellulose solubilized in the liquid fraction, and a loss of mass, which depends on the duration and temperature, and is at most order of 30%.
  • Pre-treatment residues of lignocellulosic biomass by ionic liquids have a moderate sensitivity to enzymatic hydrolysis, this sensitivity being variable as a function of the ionic liquid used and pretreatment conditions (temperature, duration, biomass loading).
  • pretreatment conditions temperature, duration, biomass loading
  • Water is the most abundant molecule on Earth and it has many advantages: it is non-toxic, safe for health, non-flammable. When using water as an extraction solvent, its dielectric constant, which can be changed by temperature, is the most important factor. It decreases from 80 to room temperature, at 27 to 250 0 C, a value substantially equal to that of ethanol at room temperature.
  • Subcritical water is defined as water brought to temperatures between 100 and 374 0 C (critical temperature of the water around 374 0 C) under high pressure which maintain the water in the liquid state (the pressure critical of the water is approximately equal to 221 bars).
  • the water is then in a particular state that confers properties, in particular of density, diffusivity and viscosity, intermediate between those which it presents in the liquid state and in the gaseous state.
  • Subcritical water has been widely used for the hydrolysis of organic compounds, and recently it has been used in pretreatment of biomass. Subcritical water has been used to convert carbohydrates into useful components by hydrolysis and fractionation of lignocellulose (Ahmed et al, 2013, Kruse and Gawlik, 2003, Sasaki et al., 1998).
  • subcritical water treatment is characterized by a higher mass loss than pretreatment with ionic liquids.
  • the pre-treatment residues of lignocellulosic biomass by subcritical water have a very low sensitivity to enzymatic hydrolysis, which is a major drawback to the use of this pretreatment method in the recovery of biomass.
  • WO2012 / 174459 has described the pretreatment of lignocellulosic biomass by an ionic liquid under pressure, which makes it possible to improve the kinetics of the reaction and to increase the glucose yield during subsequent hydrolysis.
  • This treatment can be carried out in the presence of a co-solvent such as water.
  • a co-solvent such as water.
  • the ionic liquid content used in this process is high and therefore expensive.
  • WO2014 / 138100 discloses methods for (a) dissolving biomass in ionic liquids, (b) deconstructing cellulose, hemicellulose and / or lignin derivatives thereof, (c) separating biomass derivatives from ionic liquid , and (d) converting biomass derivatives into fuels or useful chemicals. These processes involve the use of ionic liquids and possibly co-solvents such as water. The treatment can be performed under pressure, however, it is not taught in this document to implement a treatment method using water in subcritical state. Neither is the synergistic action of treatment with subcritical water and ionic liquid taught.
  • WO 2013/036863 describes various processes using ionic liquids. This document notably describes a process for separating one or more compounds derived from biomass from an ionic liquid by contacting the composition comprising the compound (s) derived from the biomass and the ionic liquid with a fluid.
  • a first subject of the invention consists of a process for treating a biomass, this process comprising at least (a) bringing the biomass into contact with a water in the subcritical state in the presence of at least one ionic liquid hydrophilic.
  • the amount of biomass is from 1 to 30% by weight relative to the total volume of liquid.
  • the amount of biomass is from 1 to 15% by weight relative to the total volume of liquid, more preferably from 2 to 10%.
  • the amount of hydrophilic ionic liquid is 1 to 10% by volume relative to the total volume of water.
  • the amount of hydrophilic ionic liquid is 2 to 7% by volume relative to the total volume of water, more preferably 3 to 5%.
  • the biomass is a lignocellulosic biomass.
  • the biomass is chosen from biomasses of oleaginous origin, such as sunflower hulls, rapeseed straw.
  • the hydrophilic ionic liquid is chosen from those whose cation is an imidazolium optionally substituted with one or more alkyl groups.
  • the hydrophilic ionic liquid is chosen from those whose cation is an imidazolium substituted with one or more C 1 -C 4 alkyl groups.
  • the hydrophilic ionic liquid is chosen from the organic salts of 1-ethyl-3-methylimidazolium, even more preferentially from 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate and 1-ethylethylphosphonate. 3-methylimidazolium.
  • the hydrophilic ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate.
  • step (a) the reaction medium is subjected to a temperature ranging from 160 to 240 ° C.
  • step (a) the reaction medium is subjected to a temperature ranging from 160 to 240 ° C. for a duration ranging from 15 minutes to six hours, preferably from 30 minutes to four hours, even more preferably from 30 minutes to two hours.
  • step (a) is preceded by mechanical treatment to obtain a biomass in the form of controlled-size particles, in particular a grinding of the biomass.
  • step (a) is followed by a step (b) filtration and washing to obtain: firstly a solid fraction of pre-treated biomass, on the other hand a liquid fraction comprising water and ionic liquid as well as lignin.
  • step (b) is followed by a step (c) of enzymatic treatment of the solid pre-treated biomass.
  • step (c) comprises treatment with cellulases, for example treatment with cellulases derived from Trichoderma reesei.
  • step (c) is followed by at least one fermentation step.
  • the process further comprises at the end of step (b) a step (d) of removing the solvents, advantageously a step (d) of removing water from the fraction liquid.
  • step (d) is followed by a step (e) of dialysis and enzymatic treatment to recover: on the one hand a lignin fraction and on the other hand a mixture comprising water and the ionic liquid.
  • step (e) comprises treatment with cellulases, such as, for example, treatment with cellulases derived from Trichoderma reesei.
  • step (e) comprises a treatment with xylanases, such as, for example, treatment with xylanases derived from Trichoderma viride.
  • the ionic liquid obtained at the end of step (d) and optionally of step (e) is reused in step (a) of a new treatment cycle of a biomass.
  • the ionic liquid acts as a catalyst or as a synergistic component in pretreatment with subcritical water.
  • a very significant improvement in the solid mass recovery efficiency was observed, compared to each of the processes of the prior art taken in isolation (treatment with ionic liquids and treatment with subcritical water).
  • the method of the invention makes it possible to access a pre-treated biomass which exhibits an increased sensitivity to enzymatic hydrolysis, compared with each of the processes of the prior art, in particular compared to treatment with the prior art. subcritical water alone.
  • this pre-treatment method provides access to a fraction that can be efficiently converted into fermentable sugars by subsequent enzymatic bioconversion treatment.
  • the method of the invention allows for selective degradation of hemicellulose compared to ionic liquid treatment processes, without significant degradation of the cellulosic fraction. This degradation of hemicellulose leads to the formation of C 5 sugars in the recovered liquid fraction.
  • pre-treated biomass fractions having a lower lignin content compared to the pre-treatment method with subcritical water alone. Indeed, the lignin is partially extracted in the liquid fraction obtained at the end of steps a) and b).
  • the method of the invention thus provides access to compositions of matter different from those obtained by the processes of the prior art and whose recovery can be facilitated by the low hemicellulose content. Moreover, this process allows the recovery of lignin as a co-product and its recovery independently of the other fractions of material obtained. This process also makes it possible to recover simple sugars, in particular C 5 sugars, resulting from the degradation. hemicellulose.
  • the process of the invention leads to a fraction containing cellulose whose crystallinity index is higher than that of the starting biomass, which allows its valuation in the polymer industry for the production of composites.
  • the process can be carried out with relatively high concentrations of biomass (up to 10% by mass of biomass per volume of solvent). The reproducibility of this process is satisfactory.
  • the ionic liquids used in this process are implemented in a much smaller quantity than in pre-treatment processes with ionic liquids alone, which represents a gain both in terms of economy and environmental impact. These ionic liquids can be recycled and the process performance has been maintained after several cycles of reuse of the ionic liquids.
  • Biomasses that can be used in the process of the present invention include, but are not limited to, cellulose biomass, hemicellulose biomass, lignocellulosic biomass, and mixtures thereof.
  • the biomass is a lignocellulosic biomass.
  • Lignocellulosic biomass can be defined as woody plant material. It includes, but is not limited to, wood and green residues, straw, sugarcane bagasse, fodder, some crop waste such as stems, leaves, hulls, husks and groynes. plants or leaves, branches. Lignocellulose biomass may also include, but is not limited to, herbaceous material, agricultural residues, forest residues, paper waste, and pulp mill residues. Lignocellulosic biomass is generally characterized by the presence of cellulose, hemicellulose and lignin, varying in content depending on the origin of the biomass. Lignocellulosic biomass may also contain proteins, ashes, lipids and other organic compounds. All these examples of biomasses can be implemented in the process of the invention.
  • the process of the invention applies to lignocellulosic biomasses in which the compound composed of cellulose, hemicellulose and the lignin represents at least 50% by mass relative to the totality of the mass of the biomass.
  • the lignocellulosic biomass may be in the form of a plant cell wall material containing lignin, cellulose and hemicellulose in a mixed matrix.
  • the process of the invention is applicable to lignocellulosic biomasses chosen from biomasses of oleaginous origin, for example: sunflower hulls, rapeseed straw, whose crops cover large cultivable areas, in particular in France.
  • oilseed crops are characterized by the large proportion of non-recoverable waste by the processes of the prior art. This is particularly the case for sunflower hulls which are considered waste. This is also the case for rapeseed straw, which may, however, initially be left in the fields as fertilizer.
  • the biomass is subjected to a mechanical treatment step making it possible to give it the shape of particles of substantially homogeneous size.
  • a mechanical pretreatment makes it possible to facilitate the pretreatment of the biomass of step (a) and to obtain a product of substantially homogeneous composition.
  • the mechanical pre-treatment also allows improved reproducibility of step (a).
  • Such pre-mechanical treatment is advantageously carried out in a known manner, by grinding, or by hashing, the biomass into particles.
  • the method for treating biomass comprises at least one pre-treatment step (a) comprising contacting the biomass with a water in the subcritical state in the presence of at least one hydrophilic ionic liquid .
  • Subcritical water treatment is known to those skilled in the art.
  • the components of the reaction medium biomass, ionic liquid and water
  • the pressure is increased in increments of temperature and reduced by the purge of steam from the reactor. It is impossible to define a fixed pressure for the implementation of this step, but this parameter is controlled, in a manner known to those skilled in the art, in order to remain in subcritical conditions.
  • step (a) has been carried out at a temperature ranging from 160 ° C to 240 ° C. Below 160 ° C were found less interesting results, in particular a lower sensitivity to enzymatic hydrolysis downstream. Above 240 ° C the hydrophilic ionic liquids have less stability.
  • the biomass is brought into contact with the ionic liquid for a time sufficient to increase the accessibility and hydrolysis of the carbohydrate constituents present in the biomass.
  • the contacting may comprise agitation or mixing of the reaction medium.
  • the biomass is contacted with water in the subcritical state in the presence of at least one hydrophilic ionic liquid for a period of time ranging from about 15 minutes to about 6 hours.
  • the biomass is contacted with water in the subcritical state in the presence of at least one hydrophilic ionic liquid for a period of time ranging from about 0.5 to about 4 hours. More preferably, the biomass is contacted with water in the subcritical state in the presence of at least one hydrophilic ionic liquid for about 0.5 to 2 hours.
  • the method of the invention makes it possible to obtain a pre-treated biomass sensitive to hydrolysis, with high recovery yields, in a relatively short time, which gives this process a certain economic advantage.
  • the pre-treatment is carried out in the presence of ionic liquid in the reactor.
  • Ionic liquids are salts that are liquid rather than crystalline at ambient temperatures. Many ionic liquids can be used in the pretreatment process of the present invention.
  • the ionic liquid is chosen for its compatibility with the treatment (b) of enzymatic hydrolysis of cellulose.
  • small amounts of residues of certain ionic liquids in the pretreated biomass can adversely affect the effectiveness of the enzymatic treatment of step (b).
  • An ionic liquid which is compatible with a subsequent treatment with a thermostable cellulase is preferably chosen.
  • the ionic liquids used are preferably hydrophilic, which means that they are miscible in all proportions with water.
  • the hydrophilic ionic liquid is chosen from those whose cation is an imidazolium optionally substituted with one or more alkyl groups.
  • alkanoates of 1-alkyl-3-alkylimidazolium alkylphosphonates of 1-alkyl-3-alkylimidazolium, alkyl sulphates of -alkyl-3-alkylimidazolium, 1-alkyl-3-alkylimidazolium methylsulfonates, 1-alkyl-3-alkylimidazolium hydrogensulfates, 1-alkyl-3-alkylimidazolium thiocyanates, and 1-alkyl-3-halogenides alkylimidazolium, wherein the term “alkyl” refers to an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and an "alkanoate” is an alkanoate comprising 1 to 10 carbon atoms.
  • alkyl denotes an alkyl group comprising from 1 to 4 carbon
  • the alkanoate is an acetate.
  • the alkylphosphonate is methylphosphonate.
  • ionic liquids that can be used in the process of the invention include: 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, 1-ethyl-3-methylimidazolium methylphosphonate, 1-ethyl-3-chloride methylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium methylsulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate, 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate, tetrachloroaluminate 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate, 1-butyl-3-methylimidazolium acetate, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-butylformate 3-methylimidazolium, 1-allyl-3-methylimida
  • Preferred ionic liquids for the implementation of the invention are:
  • an ionic liquid or a mixture of ionic liquids having a purity greater than or equal to 95% by weight relative to the total mass of ionic liquid, more preferably a purity greater than or equal to 98%.
  • the amount of biomass is from 1 to 30% by weight relative to the total volume of liquid. According to a still preferred embodiment, the amount of biomass is from 1 to 15% by weight relative to the total volume of liquid, more preferably from 2 to 10%. A high amount of biomass in the reactor allows a better economic viability of the process.
  • the amount of hydrophilic ionic liquid is 1 to 10% by volume relative to the total volume of water.
  • the quantity of hydrophilic ionic liquid is from 2 to 7% by volume relative to the total volume of water, more preferably from 3 to 5%.
  • the pretreatment of step (a) can be carried out in the presence of a polar co-solvent and miscible with ionic liquids, such as, for example, ethanol, methanol, acetone or a mixture of these solvents.
  • a polar co-solvent and miscible with ionic liquids such as, for example, ethanol, methanol, acetone or a mixture of these solvents.
  • the pretreatment of step (a) is carried out in a medium composed of ionic liquid and water.
  • step (a) comprises a solid part, essentially composed of precipitated biomass, and a liquid part.
  • step (a) is followed by a step (b) of filtration and washing to obtain: on the one hand a solid fraction of pre-treated biomass, on the other hand a liquid fraction comprising: water and the ionic liquid as well as a part of the lignin and sugars resulting mainly from the hemicellulose initially present in the biomass.
  • sugars are essentially simple sugars, in particular C 5 sugars, such as, for example: xylose, mannose, arabinose but also C 6 sugars derived from hemicellulose, such as, for example: arabinose, galactose, glucose.
  • Glucose can also come from a slight partial degradation of the cellulose as evidenced by the presence of cellobiose.
  • the solid fraction of pre-treated biomass is obtained at the end of step (b) with a high mass yield relative to the total mass of the biomass engaged in step (a). It can be stored as is or engaged in an enzymatic treatment process aimed at reducing hydrocarbon chains to small sugars.
  • the pre-treated biomass is characterized, compared to the biomass involved in step (a), by a very significantly reduced hemicellulose content. This was transformed during step (a) into smaller carbohydrate residues.
  • step (b) is followed by a step (c) of enzymatic treatment of the solid pre-treated biomass, so as to reduce the hydrocarbon chains to small sugars.
  • This enzymatic treatment is carried out in a manner known to those skilled in the art by means of a treatment with a cellulase, a protease, a pectate, a xylanase, a lyase, a ferulic acid esterase and mannanase or a combination of such enzymes.
  • the enzymatic treatment comprises at least treatment with cellulases, such as, for example, treatment with cellulases derived from Trichoderma reesei or Aspergillus niger.
  • the sugars present in the hydrolyzed biomass can be fermented using one or more fermentation organisms, for example yeasts, capable of fermenting certain sugars such as glucose, xylose, mannose and galactose.
  • yeasts capable of fermenting certain sugars such as glucose, xylose, mannose and galactose.
  • the fermentation conditions depend on the desired fermentation product and are well known to those skilled in the art.
  • the fermentation can be carried out in order to produce ethanol that can be used as a biofuel.
  • the liquid fraction recovered at the end of step (b), which comprises the ionic liquid, water, part of the lignin involved in step (a) and sugars mainly derived from hemicellulose is treated to remove solvents, during a step (d).
  • step (d) most of the water and the ionic liquid are separated so as to recover a fraction essentially composed of lignin and sugars mainly from hemicellulose.
  • the water, and optionally the co-solvents is first evaporated, then the ionic liquid thus recovered can be reused directly as such in a new treatment cycle, or else subjected to step e).
  • the biomass fraction containing the lignin recovered in step (d) is at this stage solubilized in the ionic liquid.
  • the fraction of biomass containing the lignin, recovered in step (d) is subjected to a step (e) of dialysis and enzymatic treatment to recover: on the one hand a fraction of lignin and secondly a mixture of water and ionic liquid and sugars mainly from hemicellulose, that is to say mainly simple C 5 sugars.
  • step (e) comprises treatment with cellulases, such as, for example, treatment with cellulases derived from Trichoderma reesei or Aspergillus niger.
  • the enzymatic treatment of step (e) comprises treatment with xylanases, for example treatment with xylanases from Trichoderma viride.
  • step (e) comprises treatment with at least two enzymes belonging to two distinct families, such as a cellulase and a xylanase.
  • two distinct families such as a cellulase and a xylanase.
  • Figure 1 Figure 1 schematically illustrates the steps of the method of the invention described above and illustrated in the experimental part.
  • FIG. 2 FTIR spectra of sunflower seed shell biomass before and after pretreatments.
  • the transmittance (%) is represented on the ordinate and the number of waves on the abscissa (cm 1 ).
  • the upper curve corresponds to sunflower seed shells that have not been pretreated.
  • the lower curves correspond to the biomass of sunflower seed hulls after pretreatment.
  • Figure 3 FTIR spectra of rapeseed biomass before and after pretreatments.
  • the transmittance (%) is represented on the ordinate and the number of waves on the abscissa (cm 1 ).
  • the upper curve corresponds to untreated rapeseed straw.
  • the lower curves correspond to the biomass of rapeseed straw after pretreatment.
  • FIG. 4 graphical representation of the glucose yield (%) after enzymatic hydrolysis of the sunflower seed shell biomass before and after the pretreatments.
  • the left column corresponds to the biomass of sunflower seed hulls that have not been pretreated.
  • FIG. 5 graphical representation of the glucose yield (%) after enzymatic hydrolysis of the rapeseed biomass before and after the pretreatments.
  • the left column corresponds to the biomass of unprocessed rapeseed straw.
  • Figures 6A and 6B graphical representation of the concentration of lignin in the ionic liquid fractions after pretreatment and separation of the solid mass. The concentration is in the ordinate in g / liter.
  • results corresponding to the shells of sunflower seeds are represented by points: ( ⁇ ), the results corresponding to rapeseed straw are represented by squares: ( ⁇ )
  • the study was conducted using by-products and oleaginous waste: rapeseed straw and sunflower shells.
  • the objective of the process is to break down the complex and well-organized structure of the lignocellulosic matrix and to study the fractionation, composition and structure modification (determined by enzymatic hydrolysis) observed after pretreatment. In order to reduce the cost of pre-treatment, the process was completed with a recycling study. 1. Material and Methods:
  • Rapeseed straw and sunflower seed husks were used as raw materials. Both biomasses come from the vegetable oil industry. The size of the biomass particles was reduced using a FORPLEX POITTEMILL FNG1 mill equipped with a hammer rotor with a 500 micron grid. The powders obtained were stored at 5 ° C. until use.
  • the ionic liquids used for pretreatment are:
  • the enzymatic hydrolyses were carried out using anhydrous sodium acetate (99%) marketed by the company Sigma-Aldrich Steinheim, Germany, acetic acid (99%) marketed by the company Cari Roth, Lauterlaub, France and the cellulases of Trichoderma reesei (EC 3.2.1.4), sold by Sigma-Aldrich (Steinheim, Germany), with an activity of 5 U / mg.
  • the reagents used for the quantification of fibers by the Van Soest technique are: ADF solutions for "Acid Detergent Fiber” or “acid detergent fiber” in French, marketed by the company VWR International Haasrode, Belgium; decahydronaphthalene sold by the company VWR International, Briare France; sulfuric acid (95%) marketed by Fisher Scientific, Loughborough, United Kingdom; acetone (99%) marketed by Fisher Scientific, Loughborough, United Kingdom and finally sodium sulphite (98%) supplied by Aldrich Sternheim, Germany 1.2 Physicochemical characterization
  • the physicochemical characterization was performed on the samples before and / or after the treatment of the invention. Proteins were quantified by a micro-Kjeldahl technique (based on the quantitative analysis of nitrogen), applying a conversion factor N (gN) X 6.25 (gproteins.gN -1 ) (AOAC International, 1990). The water content was measured by the loss of mass after drying the samples in an oven at 105 ° C. The ash content was obtained by incineration of the sample in a muffle furnace with a temperature program at 550 ° C. The materials extractable with water and ethanol were determined using the technique described by NREL (NREL, 2012): the sample is boiled in water for 8 hours, then at room temperature.
  • NREL NREL
  • the solvent-oil mixture was distilled using a rotary vacuum evaporator (R Buchi Rotavapor-200 with a thermostatic bath B-490 Buchi, Rugins, France) for 5 hours at 40 ° C and 40 rpm, the content in lipids was calculated by the difference in mass in the flask. 1.3. Pretreatment of biomass
  • the biomass has been pretreated by three methods:
  • Pretreatment with the ionic liquid was done according to the protocol described by Auxenfans et al, 2012 Husson et al, 2011 with some modifications: two hundred milligrams of biomass were weighed, then 10 ml of ionic liquid were added. The suspension was incubated in an oil bath at 110 ° C for 40 minutes with magnetic stirring. After this period, the reaction was stopped with 10 ml of ultrapure water (demineralized with a resistivity of 13.3 MQ cm, obtained from BarnstedEasy pure RF water), and the reactor was placed in a ice bath with magnetic stirring for 30 minutes, to increase the polarity of the medium. After this time, the liquid fraction was filtered (45 microns).
  • the high pressure reactor used in this study was purchased from Autoclaves France.
  • the reactor has a capacity of 560 ml. Agitation and temperature are controlled by an automatic system.
  • the subcritical water is prepared in a second reactor and then injected into the first reactor containing the biomass.
  • the solid feedstock of biomass introduced into the reactor is 2% (10 g per 500 ml of water), using the maximum volume capacity of the reactor (500 ml).
  • the temperature conditions are defined in the system of control (160, 200, 240 or 280 ° C).
  • the pressure was increased in increments of temperature and reduced by the purge of steam from the reactor. It is impossible to set a fixed pressure, but this parameter has been controlled to remain in subcritical conditions. Actual temperatures and operating pressures were recorded.
  • the depressurization is carried out by discharging the steam from the reactor.
  • the reactor was allowed to cool to room temperature.
  • the pretreated biomass was collected by filtration.
  • the solid fraction was dried using the lyophilizer described above, the samples were stored at 4 ° C until use.
  • pre-treatments ionic liquid and subcritical water
  • 2% of the biomass was immersed directly in 20 ml of ionic liquid (approximately 4% of the reactor volume, v / v), followed by the same procedure as for batch pretreatment classic (addition of 500 ml of subcritical water).
  • the lignocellulosic biomass and the ionic liquid are introduced into a subcritical water pressurized reactor.
  • the solid biomass is extracted, filtered and washed, it can be used in a subsequent process of enzymatic saccharification and possibly fermentation.
  • the liquid fraction is recovered, the water is evaporated, the recovered ionic liquid is subjected to dialysis and enzymatic treatment by T. reesei cellulases and T. viride xylanases.
  • This treatment makes it possible to recover, on the one hand, a lignin fraction and, on the other hand, a mixture of water and ionic liquid and sugars mainly derived from ⁇ -hemicellulose.
  • the water is evaporated from this fraction and the ionic liquid recycled.
  • Enzymatic hydrolysis is a good indicator of polymer conversion
  • Cellulase catalyzed biomass hydrolysis was performed in 1.5 ml Eppendorf tubes.
  • 20 mg of sample are added to 0.9 ml of a buffer solution (acetate / sodium acid, acetic acid, 50 mM, pH 4.8) and incubated in a Thermomixer 5436 (Eppendorf Netheler-Hinz, Hamburg, Germany) for 30 minutes at 40 ° C with shaking at 1400 rpm.
  • a buffer solution of 60 cellulase units / ml was prepared (10 or 12 mg / ml depending on the enzymatic activity of 5 units or 6 respectively).
  • HPAEC-PAD analysis was performed using a Dionex DX-500 instrument (Sunnyvale, CA, USA) with an AS50 autosampler, a GP50 gradient pump and an ED50 electrochemical detector implemented in the method. Amperometric pulsed for the detection of carbohydrates.
  • the column was an analytical CarboPac PA-20 (150 mm X 3 mm 6 ⁇ ) (Dionex, Sunnyvale, CA, USA) equipped with a guard column, operating at 25 ° C with a gradient of the mobile phase (solvent A and B: 2 and 200 mM NaOH, respectively, and the solvent C: 200 mM NaOH and 250 mM sodium acetate) at a flow rate of 1 mL / min.
  • Yglucose (%) Glucose (g) x Correction Factor / Initial Cellulose (g) x 100
  • the apparatus used is an infrared Fourier transform spectroscope
  • Crystallinity indices were determined by the deconvolution of 13 C NMR spectra from the crystalline (86-92 ppm) and amorphous (79-86 ppm) C4 regions of glucose (Auxenfans et al, 2012a, Husson et al. 2011). ICRs were given at ⁇ 5%.
  • Cross-polarization spectroscopy with nuclear magnetic resonance angle spinning CP-MAS 13C was performed on a Bruker DRX-500 spectrometer equipped with a 4 mm probe operating at 125.7452 MHz (channel 13C) and 500.0800 MHz (channel 1H).
  • the rotational speed of the rotor containing the sample is 5 kHz.
  • Calibration of 13 C NMR spectra was performed using ethylbenzene as a reference.
  • Biomass particle micrographs before and after pretreatment were obtained using a Quanta 200 FEG high resolution scanning microscope (FEI Company, USA). Samples were observed without low vacuum metallization (partial water pressure in vacuum) using the secondary electron mode to allow the contrast of the topography produced by the differences in the chemical composition of the components. The observation conditions were as follows: acceleration voltage between 10 and 20 kV, the working distance between 5 and 9 mm, and a pressure between 0.5 and 2 mbar.
  • Table 2 A lower mass loss was observed for sunflower seed shells, confirming their high strength properties.
  • the composition of the insoluble fibers in percentages by mass of hemicellulose, cellulose and lignin relative to the total mass of the biomass recovered) before and after the pretreatment of sunflower seed hulls and rapeseed straw are summarized in Tables 3 and 4 respectively.
  • Table 3 Component content of sunflower seed shell biomass before and after pretreatments
  • Pre-treatment with ionic liquid alone for a short time (40 min) induces the dissolution of a fraction of lignin and cellulose, while hemicelluloses are not dissolved.
  • sub-critical water pretreatment can be considered as a suitable method for selectively breaking up cellulose or lignin from oilseed biomasses. Indeed, at high temperature (> 240 ° C) for a short time (30min) hemicelluloses and cellulose dissolve, which allows the recovery of a lignin-rich fraction. In contrast, a lower temperature (200 ° C) for a longer time (120 min) induces the solubility of hemicelluloses allowing the recovery of the cellulose-rich fraction.
  • the FTIR spectra of sunflower seed and rapeseed hull shells are shown in Figures 2 and 3, respectively.
  • the spectra show bands centered on 3700 and 730 cm -1 .
  • the dominant peaks at 3346 cm -1 (lengthening of the bonds OH) and 2892 cm -1 (elongation of CH bonds) attributed to aliphatic groups of three polymers (cellulose, lignin and hemicellulose) are not shown in the spectra because the main changes were observed between 600 and 200 cm -1 .
  • the characteristic peaks of lignin are observed at 1591-1505 cm- 1 (stretching vibration) , 1256 cm- 1 (asymmetrical deformation of C3 ⁇ 4) and 1251 cm- 1 attributed to the stretching of aromatic cycles (CO vibration of the syringyl nucleus).
  • the absorption bands at 1093 and 896 cm -1 respectively correspond to the CO stretching vibration in cellulose / hemicellulose and the CH deformation vibration in cellulose, the latter peak (896 cm -1 ) being characteristic amorphous regions of cellulose.
  • the FTIR spectra of sunflower seed hulls and crude rapeseed straw are similar except for the characteristic peak of 1505 cm -1 lignin corresponding to the stretching vibration which is well defined on the rapeseed straw spectra.
  • the peaks of the crystalline regions (1093 cm- 1 ) showed a higher intensity after HPSW + ionic liquid pretreatment and suggest a confirmed cellulose-enriched fraction. by the results of the compositions (Table 3)
  • the peaks of the amorphous regions (893 cm -1 ) show a clear increase in the samples after pretreatment with the ionic liquid in the two biomasses, as well as after pretreatment with water subcritical at 200 ° C / 120 min in the hulls of sunflower seeds and 240 ° C / 30 min in rapeseed straw.
  • compositional analyzes confirm the dissolution of the lignin in the ionic liquid, in fact the concentration of lignin of the solid fraction decreases in the hulls of sunflower seeds of 17-14 g / 100 g, as well as in the straw of rapeseed 9-5 g / 100g. The same effect is observed for cellulose whose concentration decreases in sunflower seed shells of 42-31 g / 100g and in rapeseed straw 42-33 g / 100g.
  • Table 5 The values of the crystallinity indices reported in Table 5 are given at ⁇ 5%.
  • Trials at 5 and 10% were also performed to evaluate the feasibility of treatment at a higher concentration.
  • the pre-treatment carried out was HPSW-EmimAc 4% 200 ° C / 120min.
  • FIGS. 6A and 6B show a lower delignification with HPSW-EmimAc 4% 200 ° C / 120 min pretreatment (FIG. 6B) compared to treatment with the ionic liquid alone (EmirnAc 110 ° C./40 min) (FIG. 6A). ).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

Procédé de traitement d'une biomasse, ce procédé comprenant au moins (a) la mise en contact de la biomasse avec une eau à l'état subcritique en présence d'au moins un liquide ionique hydrophile.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DE LA BIOMASSE
La présente invention concerne un nouveau procédé de traitement de la biomasse, destiné notamment à permettre la valorisation de la biomasse lignocellulosique, ce procédé comprenant un traitement de la biomasse par de l'eau subcritique en présence d'un liquide ionique.
Etat de la technique antérieure
La biomasse lignocellulosique représente un fort potentiel pour développer la bioconversion de déchets végétaux jusqu'alors peu valorisés, en bio-produits à haute valeur ajoutée (Tamaru et Lôpez-Contreras, 2013). En outre, les combustibles et les produits chimiques organiques issus de la biomasse lignocellulosique peuvent contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre, améliorer la sécurité énergétique et améliorer le problème de gestion des déchets végétaux solides (Tamaru et Lôpez-Contreras, 2013). Les plantes oléagineuses sont cultivées pour extraire la fraction de graisse de leurs graines ou de leurs fruits pour l'alimentation, l'énergie ou l'utilisation industrielle. Ces cultures se caractérisent actuellement par la faible valeur des co-produits contenant la lignocellulose comme, entre autres, la paille, les feuilles, les tiges, les coques, les tourteaux. Ces co-produits issus de ces cultures représenteraient une source importante de biomasse lignocellulosique. Il en est de même pour d'autres déchets issus du monde végétal, tels que la sciure de bois, la bagasse de canne à sucre etc..
Un fractionnement efficace de la biomasse lignocellulosique permettrait le remplacement de certains hydrocarbures fossiles par des hydrates de carbone biosourcés, et donc de réduire la dépendance de l'industrie chimique au pétrole.
Une importante limitation à la transformation et la valorisation de la biomasse lignocellulosique réside dans sa résistance à la conversion enzymatique en composés de type sucres. La nature résistante de la biomasse, due notamment à sa structure complexe et à la résistance à l'hydrolyse des polymères qui composent la lignocellulose, est un obstacle majeur à un fractionnement efficace à faible coût de la biomasse lignocellulosique. Le traitement de la biomasse directement par hydrolyse enzymatique n'est pas efficace, et différents prétraitements qui fracturent la structure lignocellulosique sont nécessaires pour rendre la biomasse accessible à l'hydrolyse par des enzymes. De façon similaire, le traitement chimique de la biomasse requiert des conditions drastiques qui conduisent à un faible rendement en sucres et produisent des dérivés tel que par exemple le furfural, inhibiteur des enzymes de fermentation.
Actuellement, l'étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique constitue un verrou technologique pour sa transformation en produits valorisables. Plusieurs variantes de prétraitements ont été étudiées. Les principaux procédés chimiques de prétraitement sont les suivants :
• Le pré-traitement par de l'acide dilué (100 ° C à 200 ° C, de 0,3 à 2% d'acide sulfurique aqueux, pendant une durée allant jusqu'à 20 minutes),
« Le prétraitement en conditions alcalines (solution aqueuse de NaOH de concentration de 8 à 12%, à 80-120 ° C, pendant 30 à 60 minutes), et
• Le procédé Organosolv qui consiste en l'extraction de lignine et d'hémicellulose avec des solvants organiques (éthanol, acétone), à 150-200 ° C dans des conditions acides.
Certains prétraitements classiques sont efficaces, mais ils présentent un impact environnemental élevé, qui est incompatible avec un développement durable. Par conséquent, la recherche de prétraitements respectueux de l'environnement a fait l'objet de nombreux développements.
Ces prétraitements produisent notamment des sucres simples et des polymères sensibles à l'hydrolyse, mais ils forment aussi d'autres produits de réaction qui sont susceptibles d'inhiber la réaction d'hydrolyse. Dans un tel cas, les rendements de l'hydrolyse enzymatique de la biomasse présentent des valeurs faibles et la viabilité économique de l'ensemble du procédé de valorisation est faible.
Le fractionnement de la biomasse par les liquides ioniques hydrophiles (IL) ou par de l'eau subcritique (SCW), sont deux prétraitements écologiques ayant fait l'objet de nombreux travaux et révélés comme des procédés prometteurs.
Les liquides ioniques, tels que les imidazolium à chaîne carbonée de longueur inférieure ou égale à 4 C, sont des sels à faible point de fusion (en dessous de 100 ° C), et comparativement à d'autres solvants, ils sont plus respectueux de l'environnement pour ceux à cations imidazolium substitués par des chaînes acylées de longueur inférieure ou égale à 4 carbones (Garcia-Lorenzo, A. et al., Green Chem. 2008, 10, 508-516 ; Egorova, K.S. et al, ChemSuschem 2014, 7, 336-360). Leur utilisation dans le fractionnement de la biomasse lignocellulosique a présenté un gain d'attention considérable ces dernières années, car ils présentent plusieurs avantages, notamment une stabilité thermique élevée, une corrosion minimale (Hasib-ur-Rahman, M. et al., Ind. Eng. Chem. Res. 51, 8711-8718) et une faible volatilité qui s'avère avantageuse pour le recyclage. Ces propriétés les distinguent des solvants organiques classiques (instables et toxiques) qui doivent être mis en œuvre dans des conditions sévères. Les premiers résultats ont confirmé que l'utilisation des liquides ioniques est une méthode efficace, plus avantageuse par rapport aux procédés de prétraitement classiques.
Jusqu'à présent, l'acétate de l-éthyl-3-méthylimidazolium, désigné [C2mim]+ [CH3COO]", semble être le liquide ionique le plus approprié pour le prétraitement de la biomasse lignocellulosique : on a constaté qu'il induisait la dissolution des polymères de la biomasse (la lignine et la cellulose) (Auxenfans et al, 2012 ; Husson et al., 2011 ; Sant'Ana da Silva et al, 2011) et permettait son hydrolyse ultérieure par des enzymes.
Le traitement de la biomasse lignocellulosique par les liquides ioniques seuls se caractérise par une faible dégradation de l'hémicellulose solubilisée dans la fraction liquide, et par une perte de masse, qui dépend de la durée et de la température, et est au maximum de l'ordre de 30%. Les résidus de pré-traitement de la biomasse lignocellulosique par les liquides ioniques présentent une sensibilité moyenne à l'hydrolyse enzymatique, cette sensibilité étant variable en fonction du liquide ionique employé et des conditions de prétraitement (température, durée, charge en biomasse). Enfin, un tel traitement fait appel à des quantités importantes de liquides ioniques, ce qui n'est pas totalement satisfaisant d'un point de vue économique.
L'eau est la molécule la plus abondante sur Terre et elle présente de nombreux avantages : elle est non toxique, sans danger pour la santé, non inflammable. Lors de l'utilisation de l'eau comme solvant d'extraction, sa constante diélectrique, qui peut être modifiée par la température, est le facteur le plus important. Elle diminue de 80 à la température ambiante, à 27 à 250 0 C, valeur sensiblement égale à celle de l'éthanol à température ambiante.
L'eau subcritique est définie comme une eau portée à des températures comprises entre 100 et 374 0 C (température critique de l'eau autour de 374 0 C) sous une pression élevée qui maintiennent l'eau à l'état liquide (la pression critique de l'eau est approximativement égale à 221 bars). L'eau est alors dans un état particulier qui lui confère des propriétés, notamment de densité, diffusivité et viscosité, intermédiaires entre celles qu'elle présente à l'état liquide et à l'état gazeux.
L'eau subcritique a été largement utilisée pour l'hydrolyse des composés organiques, et récemment elle a été mise en œuvre dans le prétraitement de la biomasse. L'eau subcritique a été utilisée pour convertir des hydrates de carbone en composants utiles par hydrolyse et fractionnement de la lignocellulose (Ahmed et al, 2013 ; Kruse et Gawlik, 2003 ; Sasaki et al., 1998). Dans la littérature concernant le prétraitement de la biomasse par de l'eau subcritique, on trouve deux conditions opérationnelles principales appliquées : soit un traitement à haute pression pendant une très courte durée (250-350 ° C, entre 1-300 sec) (Cheng et al, 2009 ; Kumar et al, 2010) ; ou une pression modérée pendant une période plus longue (100-180 ° C, entre 10-90 min) (Ahmed et al, 2013 ; King et al, 2012 ; Tsigie et al, 2013a, 2013b, 2012).
Toutefois, le traitement par l'eau subcritique se caractérise par une perte de masse plus élevée que le prétraitement par les liquides ioniques. Les résidus de pré- traitement de la biomasse lignocellulosique par l'eau subcritique présentent une très faible sensibilité à l'hydrolyse enzymatique, ce qui constitue un inconvénient majeur à l'emploi de cette méthode de prétraitement dans la valorisation de la biomasse.
Le document WO2012/174459 a décrit le pré-traitement de la biomasse lignocellulosique par un liquide ionique sous pression, ce qui permet d'améliorer la cinétique de la réaction et d'augmenter le rendement en glucose lors d'une hydrolyse ultérieure. Ce traitement peut être réalisé en présence d'un co-solvant tel que de l'eau. Toutefois, il n'est nullement enseigné dans ce document de mettre en œuvre un procédé de traitement utilisant une eau en état subcritique. Il n'est pas non plus enseigné l'action synergique d'un traitement par une eau subcritique et par un liquide ionique. Par ailleurs, la teneur en liquide ionique mis en œuvre dans ce procédé est élevée donc coûteuse.
Le document WO2014/138100 décrit des procédés pour (a) dissoudre la biomasse dans des liquides ioniques, (b) déconstruire la cellulose, l'hémicellulose et / ou la lignine en dérivés, (c) séparer les dérivés de la biomasse du liquide ionique, et (d) convertir des dérivés de la biomasse en carburants ou en produits chimiques utiles. Ces procédés font appel à l'utilisation de liquides ioniques et éventuellement de co- solvants tels que l'eau. Le traitement peut être réalisé sous pression, toutefois, il n'est nullement enseigné dans ce document de mettre en œuvre un procédé de traitement utilisant une eau en état subcritique. Il n'est pas non plus enseigné l'action synergique d'un traitement par une eau subcritique et par un liquide ionique. Dans un tel procédé, si l'eau n'est pas à l'état subcritique, il y a un gros risque de précipitation de la cellulose et donc une efficacité limitée en termes de fractionnement et de désorganisation de la matrice lignocellulosique et de la cellulose elle-même, ce qui gêne la dégradation enzymatique.
Le document WO 2013/036863 décrit différents procédés mettant en œuvre des liquides ioniques. Ce document décrit notamment un procédé permettant de séparer un ou plusieurs composés issus de la biomasse d'un liquide ionique par la mise en contact de la composition comprenant le ou les composés issus de la biomasse et le liquide ionique avec un fluide.
De façon surprenante, les inventeurs ont constaté qu'un traitement de la biomasse lignocellulosique par de l'eau subcritique en présence d'au moins un liquide ionique, permet de surmonter les inconvénients des procédés de l'art antérieur.
Résumé de l'invention
Un premier objet de l'invention consiste en un procédé de traitement d'une biomasse, ce procédé comprenant au moins (a) la mise en contact de la biomasse avec une eau à l'état subcritique en présence d'au moins un liquide ionique hydrophile.
Selon un mode de réalisation préféré, la quantité de biomasse est de 1 à 30 % en masse par rapport au volume total de liquide.
Selon un mode de réalisation encore préféré, la quantité de biomasse est de 1 à 15 % en masse par rapport au volume total de liquide, encore plus préférentiellement de 2 à 10%.
Selon un mode de réalisation préféré, la quantité de liquide ionique hydrophile est de 1 à 10 % en volume par rapport au volume total d'eau.
Selon un mode de réalisation encore préféré, la quantité de liquide ionique hydrophile est de 2 à 7 % en volume par rapport au volume total d'eau, encore plus préférentiellement de 3 à 5%. Selon un mode de réalisation préféré, la biomasse est une biomasse lignocellulosique. Selon un mode de réalisation encore préféré, la biomasse est choisie parmi les biomasses d'origine oléagineuse, comme les coques de tournesol, la paille de colza.
Selon un mode de réalisation préféré, le liquide ionique hydrophile est choisi parmi ceux dont le cation est un imidazolium éventuellement substitué par un ou plusieurs groupements alkyles.
Selon un mode de réalisation encore préféré le liquide ionique hydrophile est choisi parmi ceux dont le cation est un imidazolium substitué par un ou plusieurs groupements alkyles en C1 -C4.
Selon un mode de réalisation très avantageux, le liquide ionique hydrophile est choisi parmi les sels organiques de l-éthyl-3-méthylimidazolium, encore plus préférentiellement parmi l'acétate de l-éthyl-3-méthylimidazolium et le méthylphosphonate de l-éthyl-3-méthylimidazolium.
De préférence, le liquide ionique hydrophile est l'acétate de l-éthyl-3- méthylimidazolium.
Selon un mode de réalisation préféré, à l'étape (a) le milieu réactionnel est soumis à une température allant de 160 à 240°C.
Selon un mode de réalisation encore préféré, à l'étape (a) le milieu réactionnel est soumis à une température allant de 160 à 240°C pendant une durée allant de 15 minutes à six heures, de préférence de 30 minutes à quatre heures, encore plus préférentiellement de 30 minutes à deux heures. Selon un mode de réalisation préféré, l'étape (a) est précédée d'un traitement mécanique permettant d'obtenir une biomasse sous forme de particules de taille contrôlée, notamment un broyage de la biomasse. Selon un mode de réalisation préféré, l'étape (a) est suivie d'une étape (b) de fïltration et de lavage permettant d'obtenir : d'une part une fraction solide de biomasse pré-traitée, d'autre part une fraction liquide comprenant l'eau et le liquide ionique ainsi que de la lignine. Selon un mode de réalisation préféré, l'étape (b) est suivie d'une étape (c) de traitement enzymatique de la biomasse pré-traitée solide.
Selon un mode de réalisation encore préféré, l'étape (c) comprend un traitement par des cellulases, par exemple un traitement par des cellulases issues de Trichoderma reesei.
Selon un mode de réalisation encore préféré, l'étape (c) est suivie d'au moins une étape de fermentation. Selon un mode de réalisation préféré, le procédé comprend en outre à l'issue de l'étape (b) une étape (d) d'élimination des solvants, avantageusement une étape (d) d'élimination de l'eau de la fraction liquide.
Selon un mode de réalisation encore préféré, l'étape (d) est suivie d'une étape (e) de dialyse et de traitement enzymatique permettant de récupérer : d'une part une fraction de lignine et d'autre part un mélange comprenant l'eau et le liquide ionique.
Selon un mode de réalisation encore préféré, l'étape (e) comprend un traitement par des cellulases, comme par exemple un traitement par des cellulases issues de Trichoderma reesei. Selon un mode de réalisation encore préféré, l'étape (e) comprend un traitement par des xylanases, comme par exemple un traitement par des xylanases issues de Trichoderma viride. Selon un mode de réalisation préféré, le liquide ionique obtenu à l'issue de l'étape (d) et éventuellement de l'étape (e) est réutilisé dans l'étape (a) d'un nouveau cycle de traitement d'une biomasse.
Dans le procédé de l'invention de prétraitement de la biomasse lignocellulosique, le liquide ionique agit comme catalyseur ou comme composant synergique dans le prétraitement par l'eau subcritique. On a constaté à l'issue de ce procédé une amélioration très significative du rendement de récupération de masse solide, comparativement à chacun des procédés de l'art antérieur pris isolément (traitement aux liquides ioniques et traitement par l'eau subcritique). On a également constaté que le procédé de l'invention permettait d'accéder à une biomasse pré -traitée qui présente une sensibilité accrue à l'hydrolyse enzymatique, comparativement à chacun des procédés de l'art antérieur, en particulier comparativement au traitement par l'eau subcritique seul. Ainsi, ce procédé de pré -traitement donne accès à une fraction qui peut être convertie de façon efficace en sucres fermentiscibles par un traitement ultérieur de bioconversion enzymatique. Le procédé de l'invention permet une dégradation sélective de Γ hémicellulose comparativement aux procédés de traitement aux liquides ioniques, sans dégradation significative de la fraction cellulosique. Cette dégradation de Γ hémicellulose conduit à la formation de sucres en C5 dans la fraction liquide récupérée. On obtient aussi par le procédé de l'invention des fractions de biomasse pré-traitée ayant une teneur en lignine plus faible comparativement au procédé de pré-traitement par de l'eau subcritique seul. En effet, la lignine est partiellement extraite dans la fraction liquide obtenue à l'issue des étapes a) et b). Le procédé de l'invention permet ainsi d'accéder à des compositions de matière différentes de celles obtenues par les procédés de l'art antérieur et dont la valorisation peut être facilitée par la faible teneur en hémicellulose. Par ailleurs, ce procédé permet la récupération de la lignine comme co-produit et sa valorisation de façon indépendante des autres fractions de matière obtenues. Ce procédé permet aussi de récupérer des sucres simples, notamment des sucres en C5, issus de la dégradation de l'hémicellulose. Le procédé de l'invention conduit à une fraction contenant de la cellulose dont l'indice de cristallinité est supérieur à celui de la biomasse de départ, ce qui permet sa valorisation dans l'industrie des polymères pour la production de composites. Le procédé peut être mis en œuvre avec des concentrations relativement élevées de biomasse (jusqu'à 10% en masse de biomasse par volume de solvant). La reproductibilité de ce procédé est satisfaisante. Les liquides ioniques utilisés dans ce procédé sont mis en œuvre en quantité beaucoup plus faible que dans les procédés de pré-traitement par des liquides ioniques seuls, ce qui représente un gain à la fois en termes d'économie et d'impact environnemental. Ces liquides ioniques peuvent être recyclés et on a constaté un maintien des performances du procédé après plusieurs cycles de réutilisation des liquides ioniques.
Description détaillée
La biomasse
Les biomasses qui peuvent être utilisées dans le procédé de la présente invention comprennent, de façon non limitative, une biomasse de cellulose, une biomasse d'hémicellulose, une biomasse lignocellulosique et leurs mélanges. Dans un mode de réalisation préféré, la biomasse est une biomasse lignocellulosique.
La biomasse lignocellulosique peut être définie comme la matière végétale ligneuse. Elle se trouve, de façon non limitative, dans le bois et les résidus verts, la paille, la bagasse de canne à sucre, le fourrage, certains déchets de cultures tels que les tiges, les feuilles, les coques, les enveloppes et les épis des plantes ou des feuilles, des branches. La biomasse lignocellulose peut aussi se trouver, de façon non limitative, dans la matière herbacée, les résidus agricoles, les résidus forestiers, les déchets de papier, et les résidus de fabriques de pâtes à papier. La biomasse lignocellulosique se caractérise généralement par la présence de cellulose, d'hémicellulose et de lignine, en teneurs variables suivant l'origine de la biomasse. La biomasse lignocellulosique peut également contenir des protéines, des cendres, des lipides ainsi que d'autres composés organiques. Tous ces exemples de biomasses peuvent être mis en œuvre dans le procédé de l'invention.
De préférence, le procédé de l'invention s'applique à des biomasses lignocellulosiques dans lesquelles l'ensemble composé de la cellulose, l'hémicellulose et la lignine représente au moins 50% en masse par rapport à la totalité de la masse de la biomasse.
Il est bien entendu que la biomasse lignocellulosique peut être sous la forme d'un matériau de paroi cellulaire végétale contenant de la lignine, la cellulose et l'hémicellulose dans une matrice mixte.
Parmi les biomasses lignocellulosiques connues utilisables préférentiellement dans le procédé de l'invention, on peut citer : les coques de tournesol, la paille de céréales, comme la paille de blé, la paille de colza, la paille de miscanthus, la paille de riz, les copeaux de bois, tels que le chêne, le pin, l'épicéa, le peuplier ou le bouleau, la paille de blé, les tiges de maïs, les fibres de maïs, l'écorce de riz, le son de blé, la bagasse, le papier, les déchets de traitement de la pâte à papier ou des mélanges de ces matériaux. De préférence, le procédé de l'invention s'applique à des biomasses lignocellulosiques choisies parmi les biomasses d'origine oléagineuse, comme par exemple : les coques de tournesol, la paille de colza, dont les cultures couvrent d'importantes surfaces cultivables, notamment en France.
En effet, les cultures d'oléagineux se caractérisent par la proportion importante de déchets non valorisables par les procédés de l'art antérieur. C'est le cas en particulier pour les coques de tournesol qui sont considérées comme un déchet. C'est aussi le cas pour la paille de colza qui peut toutefois, dans un premier temps, être laissée aux champs comme fertilisant.
De préférence, avant sa mise en œuvre dans le procédé de l'invention, la biomasse est soumise à une étape de traitement mécanique permettant de lui donner la forme de particules de taille sensiblement homogène. Un tel pré-traitement mécanique permet de faciliter le pré -traitement de la biomasse de l'étape (a) et d'obtenir un produit de composition sensiblement homogène. Le pré-traitement mécanique permet aussi une reproductibilité améliorée de l'étape (a). Un tel pré -traitement mécanique est avantageusement mis en œuvre de façon connue, par broyage, ou par hachage, de la biomasse en particules. - Le prétraitement de la biomasse :
Selon l'invention, le procédé de traitement de la biomasse comprend au moins une étape (a) de pré-traitement comprenant la mise en contact de la biomasse avec une eau à l'état subcritique en présence d'au moins un liquide ionique hydrophile. Le traitement par une eau en état subcritique est connu de l'homme du métier. Les composants du milieu réactionnel (biomasse, liquide ionique et eau) sont introduits dans le réacteur. Afin de parvenir à des conditions subcritiques, la pression est augmentée par incrément de température et réduite par la purge de la vapeur provenant du réacteur. Il est impossible de définir une pression fixe pour la mise en œuvre de cette étape, mais ce paramètre est contrôlé, de façon connue de l'homme du métier, afin de rester dans des conditions subcritiques.
De façon avantageuse, l'étape (a) a été mise en œuvre à une température allant de 160°C à 240 °C. En dessous de 160°C on a constaté des résultats moins intéressants, en particulier une moindre sensibilité à l'hydrolyse enzymatique en aval. Au delà de 240°C les liquides ioniques hydrophiles présentent une moindre stabilité.
La biomasse est mise en contact avec le liquide ionique pendant une durée suffisante pour augmenter l'accessibilité et l'hydrolyse des constituants hydrates de carbone présents dans la biomasse. La mise en contact peut comprendre l'agitation ou le mélange du milieu réactionnel. En règle générale, la biomasse est mise en contact avec une eau à l'état subcritique en présence d'au moins un liquide ionique hydrophile pendant une période de temps allant d'environ 15 minutes à environ 6 heures. Préférentiellement, la biomasse est mise en contact avec une eau à l'état subcritique en présence d'au moins un liquide ionique hydrophile pendant une période de temps allant d'environ 0,5 à environ 4 heures. De façon encore préférée, la biomasse est mise en contact avec une eau à l'état subcritique en présence d'au moins un liquide ionique hydrophile pendant environ 0,5 à 2 heures.
Le procédé de l'invention permet en effet d'obtenir une biomasse pré-traitée, sensible à l'hydrolyse, avec des rendements élevés de récupération, en un temps assez court, ce qui confère à ce procédé un avantage économique certain.
Le pré-traitement est mis en œuvre en présence de liquide ionique dans le réacteur. Les liquides ioniques sont des sels qui sont liquides plutôt que cristallins à des températures ambiantes. De nombreux liquides ioniques peuvent être utilisés dans le procédé de prétraitement de la présente invention.
De préférence, le liquide ionique est choisi pour sa compatibilité avec le traitement (b) d'hydrolyse enzymatique de la cellulose. En effet, des résidus en faible quantité de certains liquides ioniques dans la biomasse prétraitée peuvent nuire à l'efficacité du traitement enzymatique de l'étape (b). On choisit de préférence un liquide ionique compatible avec un traitement ultérieur par une cellulase thermostable.
Les liquides ioniques mis en œuvre sont de préférence hydrophiles, ce qui signifie qu'ils sont miscibles en toutes proportions avec l'eau. De préférence le liquide ionique hydrophile est choisi parmi ceux dont le cation est un imidazolium éventuellement substitué par un ou plusieurs groupements alkyles.
De tels liquides ioniques sont bien connus de l'homme du métier, on peut citer notamment, de façon non limitative : les alkanoates de l-alkyl-3-alkylimidazolium, les alkylphosphonates de l-alkyl-3-alkylimidazolium, les alkylsulfates de l-alkyl-3 - alkylimidazolium, les méthylsulfonates de l-alkyl-3-alkylimidazolium, les hydrogénosulfates de l-alkyl-3 -alkylimidazolium, les thiocyanates de l-alkyl-3 - alkylimidazolium, et les halogénures de l-alkyl-3 -alkylimidazolium, dans lesquels le terme "alkyle" désigne un groupe alkyle comprenant de 1 à 6 atomes de carbone, et un «alkanoate» est un alkanoate comprenant de 1 à 10 atomes de carbone. Préférentiellement, le terme "alkyle" désigne un groupe alkyle comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, comme par exemple un groupe méthyle, un groupe éthyle, un groupe propyle ou un groupe butyle.
Préférentiellement, l'alkanoate est un acétate. Préférentiellement, l'alkylphosphonate est le méthylphosphonate.
Comme exemple de liquides ioniques utilisables dans le procédé de l'invention, on cite notamment : l'acétate de l-éthyl-3-méthylimidazolium, le méthylphosphonate de l-éthyl-3-méthylimidazolium, le chlorure de l-éthyl-3-methylimidazolium, l'hydrogénosulfate de l-éthyl-3-méthylimidazolium, le méthylsulfate de l-éthyl-3- méthylimidazolium, le méthanesulfonate de l-éthyl-3-methylimidazolium, l'éthylsulfate de l-éthyl-3-méthylimidazolium, le tétrachloroaluminate de l-éthyl-3- méthylimidazolium, le thiocyanate de l-éthyl-3-méthylimidazolium, l'acétate de 1- butyl-3-méthylimidazolium, le chlorure de l-butyl-3-méthylimidazolium, le formate de l-butyl-3-méthylimidazolium, le formate de l-allyl-3-méthylimidazolium, le chlorure de l-allyl-3-methylimidazolium, le bromure de l-allyl-2,3-dimethylimidazolium, l'hydrogénosulfate l-butyl-3-méthylimidazolium, le méthanesulfonate de l-butyl-3- méthylimidazolium, le méthylsulfate de l-butyl-3-méthylimidazolium, le tétrachloroaluminate de l-butyl-3-méthylimidazolium, le thiocyanate de l-butyl-3- méthylimidazolium, l'éthylsulfate de l-éthyl-2,3-diméthylimidazolium, le méthylsulfate de tris (2-hydroxyéthyl) méthylammonium, le chlorure de 1- méthylimidazolium, le chlorure de 1-éthylimidazolium, l'hydrogénosulfate de 1- méthylimidazolium, le méthylsulfate de 1,2,4-triméthylpyrazolium, le méthylsulfate de tributylméthylammonium, le méthylphosphonate de l-éthyl-3 -méthylimidazolium, le diméthylphosphonate de l-éthyl-3 -méthylimidazolium, le diéthylphosphate de 1-éthyl- 3 -méthylimidazolium, le diméthylphosphate de l-éthyl-3 -méthylimidazolium, l'acétate de choline, le salicylate de choline, et leurs mélanges.
Les liquides ioniques préférés pour la mise en œuvre de l'invention sont :
- l'acétate de l-éthyl-3 -méthylimidazolium (EmimAc)
Figure imgf000015_0001
le méthylphosphonate de l-éthyl-3 -méthylimidazolium (E:
Figure imgf000015_0002
Avantageusement, on utilise un liquide ionique ou un mélange de liquides ioniques présentant une pureté supérieure ou égale à 95 % en masse par rapport à la masse totale de liquide ionique, encore plus préférentiellement une pureté supérieure ou égale à 98%.
Dans l'étape (a), avantageusement, la quantité de biomasse est de 1 à 30 % en masse par rapport au volume total de liquide. Selon un mode de réalisation encore préféré, la quantité de biomasse est de 1 à 15 % en masse par rapport au volume total de liquide, encore plus préférentiellement de 2 à 10%. Une quantité élevée de biomasse dans le réacteur permet une meilleure viabilité économique du procédé.
Dans l'étape (a), avantageusement, la quantité de liquide ionique hydrophile est de 1 à 10 % en volume par rapport au volume total d'eau. Selon un mode de réalisation encore préféré, la quantité de liquide ionique hydrophile est de 2 à 7 % en volume par rapport au volume total d'eau, encore plus préférentiellement de 3 à 5%. Le procédé de l'invention a permis d'obtenir un effet synergique entre le liquide ionique et l'eau subcritique, même en présence de très petites quantités de liquide ionique, ce qui représente un avantage à la fois économique et écologique.
Le pré-traitement de l'étape (a) peut être mis en œuvre en présence d'un co- solvant polaire et miscible avec les liquides ioniques, tel que par exemple de l'éthanol, du méthanol, de l'acétone ou un mélange de ces solvants. Préférentiellement le prétraitement de l'étape (a) est mis en œuvre dans un milieu composé de liquide ionique et d'eau.
Le milieu obtenu à l'issue de l'étape (a) comporte une partie solide, essentiellement composée de biomasse précipitée, et une partie liquide. Avantageusement, l'étape (a) est suivie d'une étape (b) de fïltration et de lavage permettant d'obtenir : d'une part une fraction solide de biomasse pré -traitée, d'autre part une fraction liquide comprenant l'eau et le liquide ionique ainsi qu'une partie de la lignine et des sucres issus majoritairement de l'hémicellulose initialement présente dans la biomasse. Ces sucres sont essentiellement des sucres simples, notamment des sucres en C5, tels que par exemple : du xylose, du mannose, de l'arabinose mais aussi des sucres en C6 issus de l'hémicellulose, tels que par exemple : de l'arabinose, du galactose, du glucose. Le glucose peut également provenir d'une faible dégradation partielle de la cellulose comme en témoigne la présence de cellobiose. La fraction solide de biomasse pré -traitée est obtenue à l'issue de l'étape (b) avec un rendement massique élevé par rapport à la masse totale de la biomasse engagée dans l'étape (a). Elle peut être stockée en l'état ou engagée dans un procédé de traitement enzymatique visant à réduire les chaînes hydrocarbonées en sucres de petite taille. La biomasse pré- traitée se caractérise, comparativement à la biomasse engagée dans l'étape (a), par une teneur très signifïcativement réduite en hémicellulose. Celle-ci a été transformée au cours de l'étape (a) en résidus de type hydrates de carbone de plus petite taille.
Traitements enzvmatiques
Avantageusement, l'étape (b) est suivie d'une étape (c) de traitement enzymatique de la biomasse pré-traitée solide, de façon à réduire les chaînes hydrocarbonées en sucres de petite taille. Ce traitement enzymatique est réalisé de façon connue de l'homme du métier au moyen d'un traitement par une cellulase, une protéase, une pectate, une xylanase, une lyase, une estérase d'acide férulique et une mannanase ou une combinaison de tels enzymes.
Avantageusement, le traitement enzymatique comprend au moins le traitement par des cellulases, comme par exemple un traitement par des cellulases issues de Trichoderma reesei ou d'Aspergillus niger.
Après l'hydrolyse enzymatique, les sucres présents dans la biomasse hydrolysée peuvent être fermentés à l'aide d'un ou plusieurs organismes de fermentation, comme par exemple des levures, capable de fermenter certains sucres comme le glucose, le xylose, le mannose et le galactose. Les conditions de fermentation dépendent du produit de fermentation souhaité et sont bien connus de l'homme du métier. La fermentation peut être mise en œuvre de façon à produire de l'éthanol qui est utilisable comme biocarburant.
Récupération de la lignine et recyclage :
Avantageusement, la fraction liquide récupérée à l'issue de l'étape (b), qui comprend le liquide ionique, l'eau, une partie de la lignine engagée dans l'étape (a) et des sucres majoritairement issus de l'hémicellulose, est traitée de façon à éliminer les solvants, au cours d'une étape (d). Au cours de l'étape (d), la majeure partie de l'eau et du liquide ionique sont séparés de façon à récupérer une fraction essentiellement composée de lignine et des sucres majoritairement issus de l'hémicellulose. Avantageusement, l'eau, et éventuellement les co-solvants, est d'abord évaporée, puis le liquide ionique ainsi récupéré peut être réutilisé directement tel quel dans un nouveau cycle de traitement, ou alors soumis à l'étape e).
La fraction de biomasse contenant la lignine récupérée à l'étape (d) est à ce stade solubilisée dans le liquide ionique. Avantageusement, la fraction de biomasse contenant la lignine, récupérée à l'étape (d), est soumise à une étape (e) de dialyse et de traitement enzymatique permettant de récupérer : d'une part une fraction de lignine et d'autre part un mélange d'eau et de liquide ionique et des sucres majoritairement issus de l'hémicellulose, c'est-à-dire principalement des sucres simples en C5.
Ce mélange d'eau et de liquide ionique peut encore être traité thermiquement pour obtenir l'évaporation de l'eau et récupérer une seconde fraction de liquide ionique qui peut être réutilisé directement dans un nouveau cycle de traitement. Avantageusement, le traitement enzymatique de l'étape (e) comprend un traitement par des cellulases, comme par exemple un traitement par des cellulases issues de Trichoderma reesei ou d'Aspergillus niger.
Avantageusement, le traitement enzymatique de l'étape (e) comprend un traitement par des xylanases, comme par exemple un traitement par des xylanases issues de Trichoderma viride.
De préférence l'étape (e) comprend un traitement par au moins deux enzymes appartenant à deux familles distinctes, telles qu'une cellulase et une xylanase. Figures :
Figure 1 : La figure 1 illustre schématiquement les étapes du procédé de l'invention décrit ci-dessus et illustré dans la partie expérimentale.
Figure 2 : spectres FTIR de la biomasse de coques de graines de tournesol avant et après les prétraitements. La transmittance (%) est représentée en ordonnée et le nombre d'ondes en abscisse (cm 1). La courbe supérieure correspond aux coques de graines de tournesol n'ayant pas subi de prétraitement. Les courbes inférieures correspondent à la biomasse de coques de graines de tournesol après prétraitement.
Figure 3 : spectres FTIR de la biomasse de paille de colza avant et après les prétraitements. La transmittance (%) est représentée en ordonnée et le nombre d'ondes en abscisse (cm 1). La courbe supérieure correspond à la paille de colza n'ayant pas subi de prétraitement. Les courbes inférieures correspondent à la biomasse de paille de colza après prétraitement.
Figure 4 : représentation graphique du rendement en glucose (%) après hydrolyse enzymatique de la biomasse de coques de graines de tournesol avant et après les prétraitements. La colonne de gauche correspond à la biomasse de coques de graines de tournesol n'ayant pas subi de prétraitement.
Figure 5 : représentation graphique du rendement en glucose (%) après hydrolyse enzymatique de la biomasse de paille de colza avant et après les prétraitements. La colonne de gauche correspond à la biomasse de paille de colza n'ayant pas subi de prétraitement.
Figures 6A et 6B : représentation graphique de la concentration de la lignine dans les fractions de liquides ionique après prétraitement et séparation de la masse solide. La concentration figure en ordonnée en g/litre. En abscisse les indices R0, RI, Rn désignent le cycle de traitement : RO = premier traitement, Rl= premier recyclage, Rn = n-ième recyclage du liquide ionique.
Les résultats correspondant aux coques de graines de tournesol sont représentés par des points : (·), les résultats correspondant à la paille de colza sont représentés par des carrés : (■)
Partie expérimentale :
L'étude a été réalisée à partir de sous-produits et déchets oléagineux : paille de colza et coquilles de tournesol. L'objectif du procédé est de briser la structure complexe et bien organisée de la matrice lignocellulosique et d'étudier le fractionnement, la composition et la modification de la structure (déterminée par hydrolyse enzymatique) observée après prétraitement. Afin de réduire le coût du prétraitement, le procédé a été complété par une étude de recyclage. 1. Matériel et Méthodes :
1.1 Matériel
On a utilisé comme matières premières de la paille de colza et des coques de graines de tournesol. Les deux biomasses proviennent de l'industrie de l'huile végétale. La taille des particules de biomasse a été réduite à l'aide d'un broyeur FORPLEX POITTEMILL FNG1 équipée d'un rotor à marteaux avec une grille de 500 microns. Les poudres obtenues ont été stockées à 5°C jusqu'à utilisation.
Les liquides ioniques utilisés pour le prétraitement sont :
l'acétate de l-éthyle-3-méthylimidazolium ([EmimAc]) avec une pureté supérieure à 98 % commercialisé par la société Solvonic SA, Verniole, France ;
le méthylphosphonate de l-éthyle-3-méthylimidazolium ([EmimPh]) avec une pureté supérieure à 98 % commercialisé par la société Solvonic SA, Verniole, France.
Les hydrolyses enzymatiques ont été réalisées en utilisant de l'acétate de sodium anhydre (99%) commercialisé par la société Sigma-Aldrich Steinheim, Allemagne, l'acide acétique (99%) commercialisé par la société Cari Roth, Lauterbourg, France et les cellulases de Trichoderma reesei (EC 3.2.1.4), commercialisées par la société Sigma-Aldrich (Steinheim, Allemagne), avec une activité de 5 U / mg. Les réactifs utilisés pour la quantification des fibres par la technique Van Soest sont : des solutions d'ADF pour « Acid Détergent Fiber » ou « fibre au détergent acide » en français, commercialisées par la société VWR International Haasrode, Belgique ; de décahydronaphtalène commercialisé par la société VWR international, Briare France ; d'acide sulfurique (95%) commercialisé par la société Fisher scientifique, Loughborough, Royaume-Uni ; d"acétone (99%) commercialisé par la société Fisher Scientifique, Loughborough, Royaume-Uni et enfin de sulfite de sodium (98%) fourni par Aldrich Sternheim, Allemagne. 1.2 Caractérisation physicochimique
La caractérisation physico-chimique a été réalisée sur les échantillons avant et/ou après le traitement de l'invention. Les protéines ont été quantifiées par une technique de micro-Kjeldahl (basé sur l'analyse quantitative de l'azote), en appliquant un facteur de conversion N (gN) X 6,25 (gprotéines.gN-1) (AOAC International, 1990). La teneur en eau a été mesurée par la perte de masse après le séchage des échantillons dans un four à 105 ° C. Le contenu en cendres a été obtenu par l'incinération de l'échantillon dans un four à moufles avec une programmation de températures à 550 ° C. Les matières extractibles à l'eau et à l'éthanol ont été déterminées en utilisant la technique décrite par NREL (NREL, 2012) : l'échantillon est porté à ébullition dans l'eau pendant 8 heures, puis au reflux de l'éthanol pendant 12 heures en utilisant un appareil de Soxhlet. La quantification des fibres a été réalisée en utilisant la technique de Van Soest (Goering et Soest, 1970), ce qui nécessite environ un gramme pour déterminer la quantité de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Le prétraitement avec des liquides ioniques est une étape limitante en raison du coût élevé des liquides ioniques (de qualité de laboratoire), aussi cette méthode présente les meilleurs résultats pour un petit échantillon. Les lipides extractibles ont été évalués selon la méthode d'extraction Soxhlet, en utilisant un mélange 1 : 1 (v:v) d'éther diéthylique-éther de pétrole comme solvant. La masse de l'échantillon de biomasse était de 5g. Le mélange solvant-huile a été distillé en utilisant un évaporateur rotatif sous vide (R BuchiRotavapor-200 avec un bain thermostatique B- 490 de Buchi, Rugins, France) pendant 5 heures à 40 ° C et à 40 tours/minute, la teneur en lipides a été calculée par la différence de masse dans la fiole. 1.3. Prétraitement de la biomasse
Pour cette étape, la biomasse a été prétraitée par trois méthodes :
- le traitement de la biomasse par un liquide ionique,
- l'extraction par l'eau en état subcritique,
- une combinaison de ces deux méthodes consistant en l'extraction par l'eau en état subcritique en présence d'une petite quantité de liquide ionique.
1.3.1. Prétraitement par le liquide ionique (IL) et recyclage du solvant :
Le prétraitement par le liquide ionique a été fait suivant le protocole décrit par Auxenfans et al, 2012 Husson et al, 2011 avec quelques modifications : deux cents milligrammes de biomasse ont été pesés, puis 10 mL de liquide ionique ont été ajoutés. La suspension a été incubée dans un bain d'huile à 110 ° C pendant 40 minutes sous agitation magnétique. Après cette période, la réaction a été stoppée avec 10 ml d'eau ultra-pure (déminéralisée ayant une résistivité de 13,3 MQ cm, obtenue à partir d'une eau pure RF BarnstedEasy), et le réacteur a été placé dans un bain de glace sous agitation magnétique pendant 30 minutes, pour augmenter la polarité du milieu. Une fois ce temps écoulé, la fraction liquide a été filtrée (45 microns). Après fïltration de la fraction liquide, le solide a été lavé avec 20 ml d'eau ultrapure. Enfin, les deux fractions ont été séchées : la fraction solide par lyophilisation (Christ Alpha ScientifîcBioblock Fisher 1-2, Amueblados Osterode, Allemagne), et la fraction liquide par évaporation rotative (R BuchiRotavapor-200 avec un bain thermostatique B-490 Buchi, Rugins, France) Les deux fractions ont été stockées à 5 ° C jusqu'à utilisation. 1.3.2. Prétraitement classique par l'eau subcritique
Le réacteur à haute pression utilisé dans cette étude a été acheté auprès de la société Autoclaves France. Le réacteur a une capacité de 560 ml. L'agitation et la température sont contrôlées par un système automatique. L'eau subcritique est préparée dans un deuxième réacteur et ensuite injectée dans le premier réacteur contenant la biomasse.
Pour le prétraitement, la charge solide de biomasse introduite dans le réacteur est de 2% (10 g pour 500 ml d'eau), en utilisant la capacité maximale de volume du réacteur (500 ml). Les conditions de température sont définies dans le système de commande (160, 200, 240 ou 280 ° C). Afin de parvenir à des conditions subcritiques, la pression a été augmentée par incrément de température et réduite par la purge de la vapeur provenant du réacteur. Il est impossible de définir une pression fixe, mais ce paramètre a été contrôlé afin de rester dans des conditions subcritiques. Les températures réelles et les pressions de fonctionnement ont été enregistrées. Une fois la durée de traitement passée (30min ou 2h), la dépressurisation est réalisée en déchargeant la vapeur du réacteur. Le réacteur a été laissé à refroidir à température ambiante. Ensuite, la biomasse prétraitée a été recueillie par fïltration. La fraction solide a été séchée à l'aide du lyophilisateur décrit ci-dessus, les échantillons ont été stockés à 4 ° C jusqu'à leur utilisation.
1.3.3. Combinaison des liquides ioniques et de l'eau subcritique
La combinaison des pré-traitements (liquide ionique et eau subcritique) a été faite par lots, à l'aide de liquides ioniques introduits dans le réacteur. 2% de la biomasse (environ 10 g) a été immergée directement dans 20 mL de liquide ionique (environ 4% du volume du réacteur, v / v), puis on a suivi le même mode opératoire que pour un pré-traitement par lots classique (addition de 500 ml d'eau subcritique). Comme illustré sur la figure 1 , la biomasse lignocellulosique et le liquide ionique sont introduits dans un réacteur pressurisé d'eau subcritique. A l'issue du traitement (160°C/120 min ou 200°C/120 min) la biomasse solide est extraite, filtrée et lavée, elle est utilisable dans un procédé ultérieur de saccharifïcation enzymatique et éventuellement de fermentation. La fraction liquide est récupérée, l'eau en est évaporée, le liquide ionique récupéré soumise à une dialyse et un traitement enzymatique par les cellulases de T.reesei et les xylanases T.viride. Ce traitement permet de récupérer d'une part une fraction lignine et d'autre part un mélange d'eau et de liquide ionique et des sucres majoritairement issus de Γ hémicellulose. L'eau est évaporée de cette fraction et le liquide ionique recyclé.
1.4. Hydrolyse enzymatique de la cellulose
L'hydrolyse enzymatique est un bon indicateur de la conversion du polymère
(principalement de la cellulose) en glucose (Auxenfans et al, 2012 ; Husson et al, 2011), reflétant l'accessibilité aux enzymes de la matrice lignocellulosique, et donc le degré de complexité et la structure organisationnelle. Le rendement de conversion de la cellulose en glucose après l'hydrolyse enzymatique a été déterminée après chaque traitement préalable dans la fraction solide.
L'hydrolyse de la biomasse catalysée par les cellulases (avant et après traitement préalable) a été effectuée dans des tubes Eppendorf d'un volume de 1,5 mL. Dans une réaction d'hydrolyse typique, 20 mg d'échantillon sont ajoutés à 0,9 ml d'une solution tampon (acétate / acide sodium, l'acide acétique, 50 mM, pH 4,8) et on fait incuber dans un Thermomixer 5436 (Eppendorf Netheler-Hinz, Hambourg, Allemagne) pendant 30 minutes à 40 ° C sous agitation à 1400 tours/min. Pendant le temps d'attente, une solution tampon de 60 unités de cellulase / ml a été préparée (10 ou 12 mg / mL en fonction de l'activité enzymatique de 5 unités ou 6 respectivement). Après pré-incubation, 0,1 ml de la solution d'enzyme a été ajoutée pour démarrer l'hydrolyse. Les concentrations finales de la biomasse et de l'enzyme dans le milieu réactionnel étaient de 2% en masse par volume et 1 mg/mL, respectivement. Au bout de 48 heures, 400 microlitres de surnageant ont été décantés et mis à incuber dans un bain d'huile à 90 ° C pendant 20 min. Cette action contribue à dénaturer l'enzyme et arrêter l'hydrolyse enzymatique. Chaque hydrolyse enzymatique a été effectuée en triple. Ensuite, l'échantillon a été dilué avec de l'eau ultra-pure, puis filtré avec un filtre pour seringue de 0,2 micron, avant l'analyse par chromatographie haute performance d'échange d'anions (HPAEC-PAD). L'analyse par HPAEC-PAD a été réalisée en utilisant un appareil Dionex DX-500 (Sunnyvale, CA, USA) avec un passeur automatique d'échantillons AS50, une pompe à gradient GP50 et un détecteur électrochimique ED50 mis en œuvre dans la méthode ampérométrique puisée pour la détection des hydrates de carbone. La colonne était une CarboPac PA-20 analytique (150 mm X 3 mm 6 μιη) (Dionex, Sunnyvale, CA, USA) équipée d'une colonne de garde, fonctionnant à 25 ° C avec un gradient de la phase mobile (solvant A et B: 2 et NaOH 200 mM, respectivement, et le solvant C: NaOH 200 mM et de l'acétate de sodium 250 mM) à un débit de 1 mL / min.
Le calcul du rendement de glucose après l'hydrolyse enzymatique a été réalisée avec les formules suivantes :
Yglucose (%) = glucose (g) x facteur de correction / Cellulose initiale (g) x 100
Facteur de correction = Masse Molaire Glu libre/ Masse Molaire GluPS = 162/180 = 0,9 1.5. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
L'appareil utilisé est un spectroscope à transformée de Fourier infrarouge
(Shimadzu 8400S, ATROOS FTIR) équipé d'une cellule de réflexion ATR de diamant (réflexion totale atténuée) avec un détecteur DTGS (sulfate de triglycine deutérié). Les spectres d'absorption ont été recueillis sur une plage spectrale de nombre d'onde entre 600 et 4000 cm"1 en utilisant une résolution de 4 cm"1 avec 200 scans. Une masse d'environ 3-5 mg de particules fines de biomasse lyophilisée a été appliquée à la surface du cristal, puis pressée sur la tête du cristal. Deux analyses ont été effectuées. Analyse de l'air ambiant et la correction de fond ont été faites avant chaque analyse. Les scans ont été enregistrées en utilisant le logiciel spectroscopique (version 10. PerkinElmer, Allemagne). L'éthanol et l'acétone ont été utilisés pour nettoyer la pointe de diamant ATR entre deux analyses.
1.6. Indice de Cristallinité (ICR) par résonance magnétique nucléaire (RMN)
Les indices de cristallinité (ICR) ont été déterminés par la déconvolution des spectres RMN 13C à partir des zones cristallines (86-92 ppm) et amorphes (79-86 ppm) C4 du glucose (Auxenfans et al, 2012a ; Husson et al, 2011). Les ICR ont été donnés à ± 5%. La spectroscopie par polarisation croisée avec rotation à l'angle magique de résonance magnétique nucléaire (CP-MAS 13C) a été réalisée sur un spectromètre Bruker DRX-500 équipé d'une sonde de 4 mm fonctionnant à 125,7452 MHz (canal 13C) et 500,0800 MHz (canal 1H).
Cd {%} = -4gs-S2ppiTî/{- ?S-8&ppiH -f Ags_92 m) x 100
La vitesse de rotation du rotor contenant l'échantillon est de 5 kHz. L'étalonnage des spectres de RMN 13C a été réalisé à l'aide d'éthyle-benzène comme référence.
1.7. Microscopie électronique à balayage (MEB)
Les micrographies de particules de biomasse avant et après prétraitement ont été obtenues en utilisant un microscope à balayage à haute résolution Quanta 200 FEG (FEI Company, États-Unis). Les échantillons ont été observés sans métallisation à faible vide (pression partielle d'eau dans le vide) en utilisant le mode d'électrons secondaires pour permettre le contraste de la topographie produite par les différences dans la composition chimique des composants. Les conditions d'observation étaient les suivantes : tension d'accélération entre 10 et 20 kV, la distance de travail entre 5 et 9 mm, et une pression comprise entre 0,5 et 2 mbar.
2. Résultats et discussion
2.1. Composition de matières premières
Le contenu en hémicellulose, cellulose, lignine, protéines, lipides et cendres a été déterminé pour les coques de graines de tournesol et de paille de colza (tableau 1).
Une composition similaire d'hémicellulose et de cellulose a été observée dans les deux échantillons, alors que le contenu de la lignine est plus élevé dans les graines de coques de tournesol (17%) que dans la paille de colza (9%). Une quantité plus élevée des composants non-lignocellulosiques (protéines, lipides, cendres) a été observée dans la paille de colza. L'effet de la lignine sur l'accessibilité des autres composants de la paroi cellulaire est considérée comme un effet en grande partie physique, avec des molécules de lignine réduisant la surface disponible pour la pénétration et l'activité enzymatique. Par conséquent, ces résultats suggèrent une résistance plus forte des coques de graines de tournesol au traitement enzymatique que la paille de colza.
Figure imgf000025_0001
Tableau 1
(*) extractibles à l'eau et à l'éthanol (protéines, lipides et cendres)
2.2. Prétraitements
Les prétraitements appliqués sur les deux biomasses étaient :
- Dissolution des polymères hydrophiles lignocellulosiques par un liquide ionique à base d'imidazolium ([Emim Ac] ou ([Emim Ph]) à 110 ° C pendant 40 min.
- Extraction à l'eau dans des conditions subcritiques (HPSW) dans un réacteur à haute pression. Des températures modérées pendant les prétraitements à long terme ont été étudiés (200°C pendant 120 min). Selon la littérature, ces conditions permettraient le fractionnement des composantes principales (cellulose, hémicelluloses et lignine), tout en tenant compte des performances du réacteur.
- Ajout de liquide ionique à base d'imidazolium ([Emim Ac] ou [Emim Ph]) comme catalyseur en extraction à l'eau dans des conditions subcritiques. Un prétraitement combinant de l'eau subcritique et le liquide ionique (4% en volume par rapport au volume d'eau) à 160 ou 200 ° C pendant 120 minutes a été mis en oeuvre.
2.2.1. Effet des pré -traitements sur la composition de la biomasse
La perte de masse après les différents prétraitements des deux biomasses a été déterminée et les résultats sont présentés dans le tableau 2.
Figure imgf000026_0001
Tableau 2 Une perte de masse plus faible a été observée pour les coques de graines de tournesol, ce qui confirme leurs propriétés de forte résistance. La composition des fibres insolubles (en pourcentages en masse d'hémicelluloses, de cellulose et de lignine par rapport à la masse totale de la biomasse récupérée) avant et après le prétraitement des coques de graines de tournesol et de la paille de colza sont résumées respectivement dans les tableaux 3 et 4.
Figure imgf000027_0001
Tableau 3 : teneur en composants de la biomasse de coques de graines de tournesol avant et après prétraitements
Prétraitement Hemicellulose Cellulose Lignine
Aucun 20.8 ± 1.2 41.6 ± 1.2 9.0 ± 1.2
EmimAc 110°C/40min 22.6 ± 1.6 35.2 ±2.6 5.5 ±0.4
EmimPh 110°C/40min 22.3 ±0.8 34.2 ± 1.2 6.2 ±0.8
HPSW 200°C/120min 3.5 ± 1.0 35.9 ±0.7 11.9 ± 0.4
HPSW
2.1 ±0.2 24.2 ±2.1 11.4 ± 3.8 240°C/30min
HPSW- EmimAc 4%
5.8 ±0.7 38.5 ± 1.6 9.3 ±0.9 160°C/120min
HPSW- EmimAc 4%
2,8 ± 0.4 36.4 ± 1.1 9.5 ±0.3 200°C/120min
HPSW- EmimPh 4%
7.2 ±0.3 46.5 ±6.8 10 ±3.2 160°C/120min
HPSW- EmimPh 4%
6,8 ±0.3 32.7 ±3.8 19.4 ±2.4 200°C/120min Tableau 4 : teneur en composants de la biomasse de paille de colza avant et après prétraitements
Un pré-traitement au liquide ionique seul de courte durée (40 min), induit la dissolution d'une fraction de lignine et de cellulose, tandis que les hémicelluloses ne sont pas dissoutes.
De même, le pré -traitement par l'eau sub-critique (HPSW) à 200 ° C / 120 min, a conduit à une forte dissolution des hémicelluloses, alors que la cellulose et la lignine sont pas dissoutes. À 240 ° C / 30 min, on dissout la cellulose et de l'hémicellulose mais pas la lignine, qui a été conservée.
D'après les résultats, le pré-traitement par l'eau sub-critique peut être considéré comme un procédé approprié pour fractionner sélectivement la cellulose ou la lignine à partir des biomasses oléagineuses. En effet, à haute température (> 240 ° C) pendant une courte période (30min) les hémicelluloses et la cellulose se dissolvent, ce qui permet la récupération d'une fraction riche en lignine. A l'opposé, une température plus basse (200 ° C) pendant un temps plus long (120 min) induit la solubilité des hémicelluloses permettant la récupération de la fraction riche en cellulose.
La combinaison des deux méthodes (HPSW - 4% EmimAc) permet d'observer un effet catalytique avec l'obtention d'une fraction riche en cellulose et une teneur très réduite en hémicelluloses.
2.2.2. Effet de Γ EmimAc sur la structure des polymères étudiés par FTIR et
Les spectres FTIR de coques de graines de tournesol et de paille de colza sont présentés respectivement sur les figures 2 et 3. Les spectres montrent des bandes centrées sur 3700 et 730 cm"1. Les pics dominants à 3346 cm"1 (allongement des liaisons OH) et 2892 cm"1 (allongement des liaisons CH) attribués à des groupes aliphatiques de trois polymères (cellulose, lignine et hémicellulose) ne sont pas représentés dans les spectres, car les principaux changements ont été observés entre 600 et 200 cm"1. Le pic à 1730 cm"1 dans la biomasse est attribuée à la vibration d'étirement de C = O des groupes acétyle dans les hémicelluloses. Les pics caractéristiques de la lignine sont observés à 1591-1505 cm"1 (vibration d'étirement), 1256 cm"1 (déformation asymétrique de C¾) et 1251 cm"1 attribué à l'étirement des cycles aromatiques (vibration CO du noyau syringyle). Les bandes d'absorption à 1093 et 896 cm"1, correspondent respectivement à la vibration d'étirement de CO dans la cellulose / hémicellulose et la vibration de déformation de CH dans la cellulose. Ce dernier pic (896 cm"1) est caractéristique des régions amorphes de la cellulose.
Les spectres FTIR de coques de graines tournesol et de paille de colza brutes sont similaires, sauf pour le pic caractéristique de la lignine à 1505 cm"1 correspondant à la vibration d'étirement qui est bien définie sur les spectres de paille de colza.
Les principaux impacts du prétraitement HPSW-EmimAc sur les coques de graines de tournesol (figure 2) et sur la paille de colza (figure 3) sont :
- la disparition de la bande caractéristique de l'hémicellulose (selon la composition chimique) ;
- un effet sur la fraction lignine de délignification partielle ou des changements structurels ;
- un impact sur la fraction de cellulose de diminution de l'intensité des bandes liées à des régions amorphes.
En ce qui concerne les pics caractéristiques de la cellulose, considérés dans les deux biomasses, les pics des régions cristallines (1093 cm"1) ont présenté une intensité plus élevée après traitement préalable HPSW + liquide ionique et suggèrent une fraction enrichie en cellulose, confirmée par les résultats des compositions (tableau 3). En outre, les pics des régions amorphes (893 cm"1) présentent une nette augmentation dans les échantillons après prétraitement au liquide ionique dans les deux biomasses, ainsi qu'après prétraitement à l'eau subcritique à 200 ° C / 120 min dans les coques de graines de tournesol et à 240 ° C / 30 min dans la paille de colza. Dans le cas des échantillons prétraités par HPSW- EmimAc 4%, les pics de la région cristalline présentent une augmentation d'intensité importante, alors que les pics des régions amorphes sont absents dans les deux biomasses (coques de graines de tournesol et paille de colza).
Pour compléter, l'Indice de Cristallinité (ICR%) a été déterminée par RMN et est rapporté dans le tableau 4 pour les deux biomasses. Considérant que le prétraitement au liquide ionique a entraîné la diminution de l'ICR% dans les deux échantillons, les prétraitements HPSW et HPSW-EmimAc 4% ont augmenté considérablement cet indice. Enfin, le pré-traitement des deux échantillons avec du liquide ionique n' entraine pas de modifications sur les pics caractéristiques (730cm 1) des hémicelluloses. Les prétraitements HPSW et HPSW-EmimAc 4% conduisent à la disparition des pics caractéristiques des hémicelluloses, qui peut être expliquée par une dissolution totale des hémicelluloses, cette hypothèse a été confirmée par analyse de la composition (tableau 3).
Les résultats des analyses de composition confirment la dissolution de la lignine dans le liquide ionique, en effet la concentration de lignine de la fraction solide diminue dans les coques de graines de tournesol de 17-14 g / 100 g, ainsi que dans la paille de colza 9-5 g / 100g. Le même effet est observé pour la cellulose dont la concentration diminue dans les coques de graines de tournesol de 42-31 g / 100g et dans la paille de colza 42-33 g / 100g.
2.2.3. Rendement en glucose après hydrolyse enzymatique
L'effet des prétraitements sur le rendement en glucose (après hydrolyse enzymatique) est représenté sur les figures 4 et 5 respectivement pour les coques de graines de tournesol et la paille de colza.
On constate que la combinaison des prétraitements comparativement au prétraitements individuels par l'eau subcritique (HPSW) conduit à une amélioration de la digestibilité enzymatique de la fraction de cellulose et à l'obtention de performances de saccharification similaires à celles du traitement par un liquide ionique seul.
2.2.4. Indice de cristallinité
Les résultats des analyses sont rapportés dans le tableau 5 ci-dessous
Figure imgf000030_0001
Tableau 5 Les valeurs des indices de cristallinité rapportées dans le tableau 5 sont données à ±5%.
On constate une augmentation de la cristallinité induite par un traitement à l'eau subcritique qui est conservé en présence de liquide ionique.
2.3. Influence de la charge de biomasse :
Sauf indication contraire, les essais ont été réalisés avec une charge de 2% en masse de biomasse par rapport au volume de liquide.
Des essais à des concentrations de 5 et 10 % ont également été réalisés afin d'évaluer la faisabilité du traitement à une plus forte concentration. Le pré-traitement réalisé était HPSW-EmimAc 4% 200°C/120min.
Le rendement de récupération de la biomasse et la composition des fibres insolubles (en pourcentages en masse d'hémicelluloses, de cellulose et de lignine par rapport à la masse totale de la biomasse récupérée) avant et après le prétraitement des coques de graines de tournesol et de la paille de colza sont résumées dans le tableau 6.
Figure imgf000031_0001
Tableau 6
2.4. Recyclage du liquide ionique :
On a constaté un maintient des performances du procédé sur la dégradation enzymatique en glucose obtenue après plusieurs recyclages du liquide ionique mis en œuvre conformément au schéma représenté sur la figure 1 et dans les mêmes conditions opératoires que rapporté au § 1.3.3 ci-dessus (jusqu'à 7 cycles). 2.5. Récupération de la lignine dans la fraction liquide ionique :
On constate sur les figures 6A et 6B une délignification plus faible avec le prétraitement HPSW-EmimAc 4% 200°C/120 min (figure 6B) comparativement au traitement avec le liquide ionique seul (EmirnAc 110°C/40 min) (figure 6A).
L'analyse statistique du recyclage a été réalisée par une analyse de la variance et la différence entre les pré-traitements a été évaluée par la méthode HSD de Tukey.
Références bibliographiques
Ahmed, I.N., Sutanto, S., Huynh, L.H., Ismadji, S., Ju, Y.-H., 2013. Subcritical water and dilute acid pretreatments for bioethanol production from Melaleuca leucadendron shedding bark. Biochem. Eng. J. 78, 44-52. doi: 10.1016/j.bej.2013.03.008
Auxenfans, T., Buchoux, S., Djellab, K., Avondo, C, Husson, E., Sarazin, C, 2012. Mild pretreatment and enzymatic saccharifîcation of cellulose with recycled ionic liquids towards one-batch process. Carbohydr. Polym. 90, 805-813. doi: 10.1016/j.carbpol.2012.05.101
Cheng, L., Ye, X.P., He, R., Liu, S., 2009. Investigation of rapid conversion of switchgrass in subcritical water. Fuel Process. Technol. 90, 301-311. doi: 10.1016/j.fuproc.2008.09.009
Egorova, K.S.; Ananikov, V.P. Toxicity of Ionic Liquids: Eco(cyto)activity as Complicated, but Unavoidable Parameter for Task-Specifîc Optimization. ChemSuschem 2014, 7, 336-360.
Garcia-Lorenzo, A.; Tojo, E.; Tojo, J.; Teijeira, M.; Rodriguez-Berrocal, F.J.; Gonzalez, M.P.; Martinez-Zorzano, V.S. Cytotoxicity of selected imidazolium- derived ionic liquids in the human Caco-2 cell line. Sub-structural toxicological interprétation through a QSAR study. Green Chem. 2008, 10, 508-516.
Hasib-ur-Rahman, M., Bouteldja, H., Fongarland, P., Siaj, M., Larachi, F., 2012. Corrosion Behavior of Carbon Steel in Alkanolamine/Room-Temperature Ionic Liquid Based C02 Capture Systems. Ind. Eng. Chem. Res. 51, 8711-8718.
Husson, E., Buchoux, S., Avondo, C, Cailleu, D., Djellab, K., Gosselin, L, Wattraint, O., Sarazin, C, 2011. Enzymatic hydrolysis of ionic liquid-pretreated celluloses: Contribution of CP-MAS 13C NMR and SEM. Bioresour. Technol. 102, 7335-7342. doi: 10.1016/j.biortech.2011.04.097
King, J.W., Srinivas, K., Guevara, O., Lu, Y.-W., Zhang, D., Wang, Y.-J., 2012. Reactive high pressure carbonated water pretreatment prior to enzymatic saccharification of biomass substrates. J. Supercrit. Fluids 66, 221-231. doi: 10.1016/j.supflu.2012.02.010
Kruse, A., Gawlik, A., 2003. Biomass Conversion in Water at 330-410 °C and 30-50 MPa. Identification of Key Compounds for Indicating Différent Chemical Reaction Pathways. Ind. Eng. Chem. Res. 42, 267-279. doi: 10.1021/ie0202773
Kumar, S., Gupta, R., Lee, Y.Y., Gupta, R.B., 2010. Cellulose pretreatment in subcritical water: Effect of température on molecular structure and enzymatic reactivity. Bioresour. Technol. 101, 1337-1347. doi: 10.1016/j.biortech.2009.09.035
Sant'Ana da Silva, A., Lee, S.-H., Endo, T., P.S. Bon, E., 2011. Major improvement in the rate and yield of enzymatic saccharification of sugarcane bagasse via pretreatment with the ionic liquid l-ethyl-3-methylimidazolium acétate ([Emim] [Ac]). Bioresour. Technol. 102, 10505-10509. doi: 10.1016/j.biortech.2011.08.085
Sasaki, M., Kabyemela, B., Malaluan, R., Hirose, S., Takeda, N., Adschiri, T., Arai, K., 1998. Cellulose hydrolysis in subcritical and supercritical water. J. Supercrit. Fluids 13, 261-268. doi: 10.1016/S0896-8446(98)00060-6
Tamaru, Y., Lôpez-Contreras, A.M., 2013. Lignocellulosic Biomass Utilization
Toward Biorefmery Using Meshophilic Clostridial Species, in: Kadla, J. (Ed.), Cellulose - Biomass Conversion. InTech
Tsigie, Y.A., Huynh, L.H., Ahmed, I.N., Ju, Y. -H., 2012. Maximizing biodiesel production from Yarrowia lipolytica Polg biomass using subcritical water pretreatment. Bioresour. Technol. 111, 201-207. doi:10.1016/j.biortech.2012.02.052
Tsigie, Y.A., Huynh, L.H., Nguyen, P.L.T., Ju, Y.-H., 2013a. Catalyst-free biodiesel préparation from wet Yarrowia lipolytica Polg biomass under subcritical condition. Fuel Process. Technol. 115, 50-56. doi: 10.1016/j.fuproc.2013.03.036
Tsigie, Y.A., Wu, C.-H., Huynh, L.H., Ismadji, S., Ju, Y.-H., 2013b. Bioethanol production from Yarrowia lipolytica Polg biomass. Bioresour. Technol. 145, 210— 216. doi: 10.1016/j.biortech.2012.11.091

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'une biomasse, ce procédé comprenant au moins (a) la mise en contact de la biomasse avec une eau à l'état subcritique en présence d'au moins un liquide ionique hydrophile.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la quantité de biomasse est de 1 à 30 %, de préférence de 1 à 15 %, encore plus préférentiellement de 2 à 10% en masse par rapport au volume total de liquide.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la quantité de liquide ionique hydrophile est de 1 à 10 %, de préférence de 2 à 7 %, encore plus préférentiellement de 3 à 5% en volume par rapport au volume total d'eau.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la biomasse est une biomasse lignocellulosique, de préférence choisie parmi les biomasses d'origine oléagineuse, comme les coques de tournesol, la paille de colza.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liquide ionique hydrophile est choisi parmi ceux dont le cation est un imidazolium, éventuellement substitué par un ou plusieurs groupements alkyles, de préférence des alkyles en C1 -C4.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le liquide ionique hydrophile est choisi parmi les sels organiques de l-éthyl-3-méthylimidazolium, encore plus préférentiellement parmi l'acétate de l-éthyl-3-méthylimidazolium et le méthylphosphonate de l-éthyl-3-méthylimidazolium.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel à l'étape (a) le milieu réactionnel est soumis à une température allant de 160 à 240°C.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel à l'étape (a) le milieu réactionnel est soumis à une température allant de 160 à 240°C pendant une durée allant de 15 minutes à six heures, de préférence de 30 minutes à quatre heures, encore plus préférentiellement de 30 minutes à deux heures.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape (a) est précédée d'un traitement mécanique permettant d'obtenir une biomasse sous forme de particules de taille contrôlée, notamment un broyage de la biomasse.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape (a) est suivie d'une étape (b) de fïltration et de lavage permettant d'obtenir : d'une part une fraction solide de biomasse pré-traitée, d'autre part une fraction liquide comprenant l'eau et le liquide ionique ainsi que de la lignine.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape (b) est suivie d'une étape (c) de traitement enzymatique de la biomasse pré-traitée solide, notamment un traitement par des cellulases, comme par exemple les cellulases issues de Trichoderma reesei.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'étape (c) est suivie d'au moins une étape de fermentation.
13. Procédé selon la revendication 10, qui comprend en outre à l'issue de l'étape (b) une étape (d) d'élimination des solvants, avantageusement une étape (d) d'élimination de l'eau de la fraction liquide.
14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel l'étape (d) est suivie d'une étape (e) de dialyse et de traitement enzymatique permettant de récupérer : d'une part une fraction de lignine et d'autre part un mélange comprenant l'eau et le liquide ionique.
15. Procédé selon la revendication 13 ou la revendication 14 dans lequel le liquide ionique obtenu à l'issue de l'étape (d) et éventuellement de l'étape (e) est réutilisé dans l'étape (a) d'un nouveau cycle de traitement d'une biomasse.
PCT/FR2018/050048 2017-01-13 2018-01-09 Procede de traitement de la biomasse Ceased WO2018130776A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1750296A FR3061908B1 (fr) 2017-01-13 2017-01-13 Procede de traitement de la biomasse
FR1750296 2017-01-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018130776A1 true WO2018130776A1 (fr) 2018-07-19

Family

ID=58401862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2018/050048 Ceased WO2018130776A1 (fr) 2017-01-13 2018-01-09 Procede de traitement de la biomasse

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3061908B1 (fr)
WO (1) WO2018130776A1 (fr)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11254026B2 (en) 2015-12-07 2022-02-22 Timothée BOITOUZET Process for partial delignification and filling of a lignocellulosic material, and composite material structure able to be obtained by this process
US11656756B2 (en) 2018-02-09 2023-05-23 Sas Woodoo Touch detection device with touch interface made of composite material
US11820041B2 (en) 2017-06-07 2023-11-21 Sas Woodoo Process for supercritical or subcritical partial delignification and filling of a lignocellulosic material
CN118127099A (zh) * 2024-05-06 2024-06-04 惠州市绿色能源与新材料研究院 秸秆预处理离子液体及方法、再生秸秆及其制备与酶解液

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112574584A (zh) * 2020-12-10 2021-03-30 嘉兴学院 一种植物生物质基热塑性阻燃材料及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009159904A (ja) * 2008-01-09 2009-07-23 Honda Motor Co Ltd グルコース抽出方法
US20110065159A1 (en) * 2009-07-01 2011-03-17 Raines Ronald T Biomass hydrolysis
WO2012174459A2 (fr) 2011-06-17 2012-12-20 Sandia Corporation Utilisation de pression pour améliorer le prétraitement liquide ionique de biomasse
CN102921426A (zh) * 2012-11-05 2013-02-13 中国科学院过程工程研究所 用于生物质纤维素催化转化的催化剂、制备方法及其用途
WO2013036863A2 (fr) 2011-09-09 2013-03-14 Hyrax Energy, Inc. Utilisation efficace des liquides ioniques
WO2014138100A1 (fr) 2013-03-05 2014-09-12 Hyrax Energy, Inc. Traitement de biomasse utilisant des liquides ioniques

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009159904A (ja) * 2008-01-09 2009-07-23 Honda Motor Co Ltd グルコース抽出方法
US20110065159A1 (en) * 2009-07-01 2011-03-17 Raines Ronald T Biomass hydrolysis
WO2012174459A2 (fr) 2011-06-17 2012-12-20 Sandia Corporation Utilisation de pression pour améliorer le prétraitement liquide ionique de biomasse
WO2013036863A2 (fr) 2011-09-09 2013-03-14 Hyrax Energy, Inc. Utilisation efficace des liquides ioniques
CN102921426A (zh) * 2012-11-05 2013-02-13 中国科学院过程工程研究所 用于生物质纤维素催化转化的催化剂、制备方法及其用途
WO2014138100A1 (fr) 2013-03-05 2014-09-12 Hyrax Energy, Inc. Traitement de biomasse utilisant des liquides ioniques

Non-Patent Citations (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AHMED, I.N.; SUTANTO, S.; HUYNH, L.H.; ISMADJI, S.; JU, Y.-H.: "Subcritical water and dilute acid pretreatments for bioethanol production from Melaleuca leucadendron shedding bark", BIOCHEM. ENG. J., vol. 78, 2013, pages 44 - 52
AUXENFANS, T.; BUCHOUX, S.; DJELLAB, K.; AVONDO, C.; HUSSON, E.; SARAZIN, C.: "Mild pretreatment and enzymatic saccharification of cellulose with recycled ionic liquids towards one-batch process", CARBOHYDR. POLYM., vol. 90, 2012, pages 805 - 813, XP028931963, DOI: doi:10.1016/j.carbpol.2012.05.101
CHENG, L.; YE, X.P.; HE, R.; LIU, S.: "Investigation of rapid conversion of switchgrass in subcritical water", FUEL PROCESS. TECHNOL., vol. 90, 2009, pages 301 - 311, XP025879797, DOI: doi:10.1016/j.fuproc.2008.09.009
EGOROVA, K.S. ET AL., CHEMSUSCHEM, vol. 7, 2014, pages 336 - 360
EGOROVA, K.S.; ANANIKOV, V.P.: "Toxicity of Ionic Liquids: Eco(cyto)activity as Complicated, but Unavoidable Parameter for Task-Specific Optimization", CHEMSUSCHEM, vol. 7, 2014, pages 336 - 360
GARCIA-LORENZO, A. ET AL., GREEN CHEM., vol. 10, 2008, pages 508 - 516
GARCIA-LORENZO, A.; TOJO, E.; TOJO, J.; TEIJEIRA, M.; RODRIGUEZ-BERROCAL, F.J.; GONZALEZ, M.P.; MARTINEZ-ZORZANO, V.S.: "Cytotoxicity of selected imidazolium-derived ionic liquids in the human Caco-2 cell line. Sub-structural toxicological interprétation through a QSAR study", GREEN CHEM, vol. 10, 2008, pages 508 - 516
HASIB-UR-RAHMAN, M. ET AL., IND. ENG. CHEM. RES., vol. 51, pages 8711 - 8718
HASIB-UR-RAHMAN, M.; BOUTELDJA, H.; FONGARLAND, P.; SIAJ, M.; LARACHI, F.: "Corrosion Behavior of Carbon Steel in Alkanolamine/Room-Temperature Ionic Liquid Based C02 Capture Systems", IND. ENG. CHEM. RES., vol. 51, 2012, pages 8711 - 8718
HUSSON, E.; BUCHOUX, S.; AVONDO, C.; CAILLEU, D.; DJELLAB, K.; GOSSELIN, I.; WATTRAINT, O.; SARAZIN, C.: "Enzymatic hydrolysis of ionic liquid-pretreated celluloses: Contribution of CP-MAS 13C NMR and SEM", BIORESOUR. TECHNOL., vol. 102, 2011, pages 7335 - 7342, XP028378112, DOI: doi:10.1016/j.biortech.2011.04.097
KING, J.W.; SRINIVAS, K.; GUEVARA, O.; LU, Y.-W.; ZHANG, D.; WANG, Y.-J.: "Reactive high pressure carbonated water pretreatment prior to enzymatic saccharification of biomass substrates", J. SUPERCRIT. FLUIDS, vol. 66, 2012, pages 221 - 231
KRUSE, A.; GAWLIK, A.: "Biomass Conversion in Water at 330-410 °C and 30-50 MPa. Identification of Key Compounds for Indicating Différent Chemical Reaction Pathways", IND. ENG. CHEM. RES., vol. 42, 2003, pages 267 - 279, XP002485624, DOI: doi:10.1021/ie0202773
KUMAR, S.; GUPTA, R.; LEE, Y.Y.; GUPTA, R.B.: "Cellulose pretreatment in subcritical water: Effect of temperature on molecular structure and enzymatic reactivity", BIORESOUR. TECHNOL., vol. 101, 2010, pages 1337 - 1347, XP026737245, DOI: doi:10.1016/j.biortech.2009.09.035
SANT'ANA DA SILVA, A.; LEE, S.-H.; ENDO, T.; P.S. BON, E.: "Major improvement in the rate and yield of enzymatic saccharification of sugarcane bagasse via pretreatment with the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([Emim] [Ac", BIORESOUR. TECHNOL., vol. 102, 2011, pages 10505 - 10509, XP028320059, DOI: doi:10.1016/j.biortech.2011.08.085
SASAKI, M.; KABYEMELA, B.; MALALUAN, R.; HIROSE, S.; TAKEDA, N.; ADSCHIRI, T.; ARAI, K.: "Cellulose hydrolysis in subcritical and supercritical water", J. SUPERCRIT. FLUIDS, vol. 13, 1998, pages 261 - 268, XP004264883, DOI: doi:10.1016/S0896-8446(98)00060-6
TAMARU, Y.; LÔPEZ-CONTRERAS, A.M.: "Cellulose - Biomass Conversion", 2013, INTECH, article "Lignocellulosic Biomass Utilization Toward Biorefinery Using Meshophilic Clostridial Species"
TSIGIE, Y.A.; HUYNH, L.H.; AHMED, I.N.; JU, Y.-H.: "Maximizing biodiesel production from Yarrowia lipolytica Polg biomass using subcritical water pretreatment", BIORESOUR. TECHNOL., vol. 111, 2012, pages 201 - 207
TSIGIE, Y.A.; HUYNH, L.H.; NGUYEN, P.L.T.; JU, Y.-H.: "Catalyst-free biodiesel préparation from wet Yarrowia lipolytica Polg biomass under subcritical condition", FUEL PROCESS. TECHNOL., vol. 115, 2013, pages 50 - 56
TSIGIE, Y.A.; WU, C.-H.; HUYNH, L.H.; ISMADJI, S.; JU, Y.-H.: "Bioethanol production from Yarrowia lipolytica Polg biomass", BIORESOUR. TECHNOL., vol. 145, 2013, pages 210 - 216

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11254026B2 (en) 2015-12-07 2022-02-22 Timothée BOITOUZET Process for partial delignification and filling of a lignocellulosic material, and composite material structure able to be obtained by this process
US11820041B2 (en) 2017-06-07 2023-11-21 Sas Woodoo Process for supercritical or subcritical partial delignification and filling of a lignocellulosic material
US11656756B2 (en) 2018-02-09 2023-05-23 Sas Woodoo Touch detection device with touch interface made of composite material
US11662899B2 (en) 2018-02-09 2023-05-30 Sas Woodoo Touch detection device with touch interface made of composite material
CN118127099A (zh) * 2024-05-06 2024-06-04 惠州市绿色能源与新材料研究院 秸秆预处理离子液体及方法、再生秸秆及其制备与酶解液
CN118127099B (zh) * 2024-05-06 2024-07-19 惠州市绿色能源与新材料研究院 秸秆预处理离子液体及方法、再生秸秆及其制备与酶解液

Also Published As

Publication number Publication date
FR3061908A1 (fr) 2018-07-20
FR3061908B1 (fr) 2019-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tocco et al. Recent developments in the delignification and exploitation of grass lignocellulosic biomass
Satari et al. Cellulose solvent-based pretreatment for enhanced second-generation biofuel production: a review
Yuan et al. Alkaline organosolv pretreatment of corn stover for enhancing the enzymatic digestibility
Palamae et al. Cellulose and hemicellulose recovery from oil palm empty fruit bunch (EFB) fibers and production of sugars from the fibers
Tian et al. Liquid hot water extraction followed by mechanical extrusion as a chemical-free pretreatment approach for cellulosic ethanol production from rigid hardwood
Chotirotsukon et al. Fractionation of sugarcane trash by oxalic-acid catalyzed glycerol-based organosolv followed by mild solvent delignification
Wang et al. Effects of hydrothermal treatment on enhancing enzymatic hydrolysis of rapeseed straw
JP5752047B2 (ja) 酵素糖化を促進させるためのバイオマスの有機溶剤前処理
Asakawa et al. Cholinium ionic liquid/cosolvent pretreatment for enhancing enzymatic saccharification of sugarcane bagasse
Wang et al. Deconstructing recalcitrant Miscanthus with alkaline peroxide and electrolyzed water
US20130078698A1 (en) Process for fractionation of biomass
WO2018130776A1 (fr) Procede de traitement de la biomasse
EP2774992B1 (fr) Procédé de production d'alcools et/ou de solvants à partir de biomasse lignocellulosique avec lavage du residu solide obtenu après hydrolyse
WO2011014894A2 (fr) Procédé de préparation de produits de dégradation des glucides à partir d'une matière lignocellulosique
Boontum et al. Characterization of diluted-acid pretreatment of water hyacinth
Sahoo et al. RETRACTED: Potential of Brachiaria mutica (Para grass) for bioethanol production from Loktak Lake
JP2017522440A (ja) リグノセルロース系材料の加水分解方法
WO2012010750A2 (fr) Procédé de production de sucres a partir de biomasse lignocellulosique prétraitée avec un mélange de sels inorganiques hydratés et de sels métalliques
Pin et al. Effect of protic ionic liquids in sugar cane bagasse pretreatment for lignin valorization and ethanol production
US10266852B2 (en) Lignin conversion to fuels, chemicals and materials
EP2964771B1 (fr) Procédé de production d'alcools et/ou de solvants à partir de biomasse lignocellulosique avec lavage du residu solide obtenu après fermentation
Vergara et al. Liquor re-use strategy in lignocellulosic biomass fractionation with ethanol-water mixtures
WO2012010749A2 (fr) Procédé de production de sucres a partir de biomasse lignocellulosique pretraitee avec des sels inorganiques hydratés
Harun et al. Insight into the deep eutectic solvent pretreatment of oil palm empty fruit bunches: effects of temperature, empty fruit bunch to solvent ratio, and time
BR112016012142B1 (pt) Método de produção de óleo unicelular a partir de materiais lignocelulósicos

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18703049

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18703049

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1