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WO2025108769A1 - Procede de traitement d'une biomasse lignocellulosique - Google Patents

Procede de traitement d'une biomasse lignocellulosique Download PDF

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Publication number
WO2025108769A1
WO2025108769A1 PCT/EP2024/081975 EP2024081975W WO2025108769A1 WO 2025108769 A1 WO2025108769 A1 WO 2025108769A1 EP 2024081975 W EP2024081975 W EP 2024081975W WO 2025108769 A1 WO2025108769 A1 WO 2025108769A1
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WO
WIPO (PCT)
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biomass
washing
water
solid
water vapor
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.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/081975
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English (en)
Inventor
Matthieu ARAGONES
Sophie COUDERC
Gilles Ferschneider
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.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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 IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Pending legal-status Critical Current
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    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis
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    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the invention relates to a method for treating lignocellulosic biomass to produce so-called second generation (2G) sugar juices, which can then be converted to produce other products biochemically, in particular by fermentation (for example alcohols such as ethanol, butanol), or other molecules, for example solvents such as acetone, etc.).
  • fermentation for example alcohols such as ethanol, butanol
  • solvents such as acetone, etc.
  • Lignocellulosic biomass represents one of the most abundant renewable resources on Earth.
  • the substrates considered are very diverse, they concern both woody substrates such as different woods (hardwoods and softwoods), co-products from agriculture (wheat straw, corn cobs, etc.) or other agri-food industries, paper mills, lignocellulosic waste, etc.
  • the lignocellulosic biomass treatment process generally involves
  • sweet juices generally based on 05 and 06 sugars (i.e. sugars with 5 or 6 carbons),
  • the process also includes steps of separation and/or purification of the targeted final product (sugar, alcohol, solvent, etc.).
  • Lignocellulosic biomass is composed of three main polymers: cellulose (35 to 50% by weight), which is a polysaccharide consisting mainly of hexoses; hemicellulose (20 to 40% by weight), which is a polysaccharide consisting mainly of pentoses; and lignin (10 to 30% by weight), which is a polymer with a complex structure and high molecular weight, composed of aromatic alcohols linked by ether bonds. These different molecules are responsible for the intrinsic properties of the plant wall and are organized into a complex tangle.
  • cellulose and hemicellulose are those that allow the production of 2G sugar juices.
  • hemicellulose is mostly broken down into sugar during pretreatment, and cellulose is converted into sugar (glucose) by enzymatic hydrolysis.
  • access to raw cellulose remains difficult for enzymes, hence the need for pretreatment.
  • This pretreatment makes it possible to modify the physicochemical properties of lignocellulosic biomass in order to improve the accessibility of cellulose to enzymes and its reactivity to enzymatic hydrolysis.
  • pretreatments are steam explosion, especially under acidic conditions, which allows almost complete hydrolysis of hemicellulose and a significant improvement in the accessibility and reactivity of cellulose to enzymes.
  • This pretreatment may be preceded by other treatment(s).
  • patent FR 3 075203 describes a process with impregnation of the biomass with an acid liquor, then cooking and steam explosion of the impregnated biomass, with adjustment of the acidity of the acid liquor and recycling of the latter.
  • patent application EP 3 177 672 discloses a process for producing chemical compounds, which consists of recovering the steam used in steam cooking biomass, condensing it and then extracting these chemical compounds with which the water is charged and which are by-products of cooking the biomass. It is only after this extraction that the water is then recycled into the biomass cooking reactor. However, this extraction of chemical compounds is an additional step, costly in terms of time and tools.
  • the invention aims to remedy these various drawbacks.
  • the invention aims to improve the processing of lignocellulosic biomass. More specifically, it aims to maintain or increase biomass conversion yields, while reducing the consumables or tools required for this conversion.
  • the invention firstly relates to a method for treating a lignocellulosic biomass, said method comprising a) an optional step of impregnating the biomass with a liquor, in particular acid, to obtain an impregnated biomass, b) a step of cooking the biomass, optionally impregnated in step a), in the presence of water vapor, for example of the steam explosion cooking type, to obtain a mixture comprising the pretreated biomass and water vapor, c) a step of separating the mixture of pretreated biomass and water vapor, to obtain on the one hand the pretreated biomass and on the other hand water vapor, d) a step of condensing the water vapor from cooking step b) into a liquid effluent comprising mainly liquid water, e) a step of enzymatic hydrolysis of the pretreated biomass, to obtain a hydrolyzed biomass in the form of sugar(s), in particular monomeric sugars, f) a step of fermentation of the hydrolyzed biomass in the form of sugar(s
  • solid (unconverted) residue means a residue which comprises at least 20% by weight of solid, in particular at least 30 or 35% by weight of solid.
  • the solid content can be measured by its Dry Matter (acronym “DM”) rate, which is measured according to the ASTM E1756 - 08(2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass” standard.
  • DM Dry Matter
  • the DM of the unconverted “solid” residue according to the invention is preferably at least 20, 30 or 35%.
  • liquid effluent comprising mainly liquid water means water resulting from the condensation of water vapor recovered after cooking which may contain volatile organic compounds.
  • This liquid effluent generally comprises at least 90% water by volume, for example at least 95% and at most 97 or 98% or 99% water by volume.
  • the impregnation liquor may comprise a chemical compound such as an acid, a base or an oxidizing agent or by a water-based liquor, with autohydrolysis of the biomass naturally releasing an acid, in particular acetic acid.
  • the invention thus identified a source of water for washing after enzymatic hydrolysis and fermentation, in particular that of the solid residue, namely the condensed water from cooking the biomass. And this recycling from upstream to downstream of the process (considering the succession of biomass treatment stages) proved very advantageous in several ways:
  • this aqueous effluent from cooking has no impact on the quality of the unconverted solid residue obtained after solid/liquid separation of the fermented biomass then washing, the solid residue retains the same calorific properties when it is then used in combustion (no addition of organometallic compounds such as silica, nor oligo- additional ash-generating elements).
  • the temperature of the liquid effluent (mainly condensed water) for washing can be between 30 and 90°C, preferably between 30 and 60°C. Carrying out washing with a liquid phase above ambient temperature promotes washing by tending to reduce its duration.
  • the pH of the liquid effluent from condensation can be between 2 and 4. This water is in fact acidic when the biomass has been impregnated with an acidic liquor prior to cooking. This acidity can be advantageous because it promotes the decomposition of solid deposits that may have accumulated in the supply lines of the filtration/washing device.
  • the liquid effluent resulting from the condensation of steam during the cooking stage is water which can be loaded with traces of various compounds carried along with it, in particular furfural, 5-HMF, or organic acids, such as acetic acid.
  • furfural or its derivatives are harmful, because they can be toxic, in particular, to the yeasts used during the fermentation stage, which can result in the appearance of a lag time during fermentation, a slowdown in alcohol production, and ultimately a loss of ethanol at the end of fermentation. It is therefore not possible to recycle this condensation water to the reaction stages following cooking, unless one considers first extracting these compounds from the condensed water, which requires a dedicated separation/purification stage, and additional ad hoc tools.
  • the process according to the invention can comprise, after fermentation step f), at least two treatment steps: g) a step of solid/liquid separation of the fermented biomass, in order to obtain a separate juice comprising at least this alcohol and a solid residue, h) a step of washing the solid residue with, as washing water, at least in part, the liquid effluent from step d) of condensation.
  • the water vapor separated in separation step c) may be loaded with by-products from cooking the biomass from step b), in particular comprising at least one of the following by-products: furfural, sugar degradation compounds such as 5-hydroxymethylfurfural 5-HMF, one or more organic acids such as acetic acid, methanol.
  • the contents of these different by-products (expressed in liters of this vapor once condensed, called “liquid effluent”) may be, for example, the following:
  • Furfural between 10 and 50 g/l
  • Acetic acid between 1 and 15 g/l
  • all of the liquid effluent from condensation step d) is used as wash water in washing step h).
  • all of the condensed effluent is recycled in washing step h).
  • a certain portion may be kept for another use, or, if it is in too large a quantity compared to requirements, be stored or sent to a final water treatment unit of the process.
  • the washing step h) uses as washing water only the liquid effluent from the condensation step d).
  • the quantity of condensed water is sufficient to completely replace any external water supply; this is the most advantageous configuration because it eliminates any external water consumption for the washing step.
  • the washing step h) uses as washing water partly the liquid effluent from the condensation step d) and partly a supply of other water, in particular in a volume proportion of 10/90 to 90/10. In this case, it may be, in particular, that the quantity of available liquid effluent is insufficient (or for other reasons) and, in this case, it is supplemented with an external supply of water.
  • the enzymatic hydrolysis steps e) and fermentation f) can be carried out simultaneously on the pretreated biomass.
  • This is known as SSF for the acronym of the English term “Simultaneous Saccharification and Fermentation” or SSCF for the acronym of the English term “Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation”. They can also be carried out one after the other, in separate reactors in particular.
  • the process according to the invention may also comprise: i) a step of separation or purification, in particular distillation, of the fermented biomass, step g) of solid/liquid separation and step h) of washing being carried out before or after said step i) of separation or purification.
  • Condensation step d) can be carried out by heat exchange of the water vapor with a fluid used in the process, in order to raise the temperature of said fluid.
  • Step g) of solid/liquid separation can be carried out by filtration, in particular using a pressing or draining device, such as a filter press or a vacuum filter, a belt filter, a belt press, a centrifugation, decantation or wringer device or the combination of at least two of these devices.
  • a pressing or draining device such as a filter press or a vacuum filter, a belt filter, a belt press, a centrifugation, decantation or wringer device or the combination of at least two of these devices.
  • Step g) of solid/liquid separation can be carried out discontinuously or continuously.
  • Step h) of washing the solid residue can be carried out continuously, in co-current or counter-current.
  • the separated “solid phase” is to be understood as containing the solid phase itself and the liquid phase trapped within said solid phase.
  • the invention also relates to any installation implementing the method described above.
  • the invention also relates to an installation, in particular for implementing the method described above and which comprises: a) an optional impregnation device, in particular an impregnation reactor, of the biomass with a liquor, in particular acid, to obtain an impregnated biomass b) a device for cooking the biomass, possibly impregnated with the impregnation device a), in the presence of water vapour, for example of the steam explosion cooking type, to obtain a mixture comprising the pretreated biomass and water vapour, c) a device for separating the mixture of pretreated biomass and water vapour, to obtain on the one hand the pretreated biomass and on the other hand water vapour, d) a device for condensing the water vapour from the cooking step b) into liquid effluent, in particular a heat exchanger device, e) a device for enzymatic hydrolysis, in particular an enzymatic hydrolysis reactor, of the pretreated biomass, to obtain a hydrolysed biomass in the form of sugar(s), f) a device
  • This installation may also comprise, downstream of the fermentation device f), two treatment devices: g) a device for solid/liquid separation of the fermented biomass, in order to obtain a separate juice comprising at least this alcohol, and a solid residue, in particular a pressing or draining device, such as a filter press or a vacuum filter, a belt filter, a belt press, a centrifugation, decantation or spin-drying device or the combination of at least two of these devices h) a device for washing the solid residue, possibly common with the solid/liquid separation device or separate from it, with, as washing water, at least in part, the liquid effluent from the condensation step d).
  • a pressing or draining device such as a filter press or a vacuum filter, a belt filter, a belt press, a centrifugation, decantation or spin-drying device or the combination of at least two of these devices
  • a device for washing the solid residue possibly common with the solid/liquid separation device or separate from it, with, as washing water, at least
  • the invention also relates to the use of the method or installation described above, for the treatment of lignocellulosic biomasses, such as wood, straw, agricultural residues, paper residues, and all dedicated energy crops, in particular annual or multi-annual plants such as miscanthus, with a view to producing alcohol-type biofuels or bio-sourced molecules.
  • the treatment method targeted by the invention can convert lignocellulosic biomass into sweet juice, in particular C5 and C6 juices, after enzymatic hydrolysis, then into alcohol(s), in particular ethanol, after fermentation of said sweet juice.
  • Figure 1 is a block diagram of a process for converting lignocellulosic biomass without implementing the invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a biomass conversion process implementing the invention in a first embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram of a biomass conversion process implementing the invention in a second embodiment.
  • the treatment process comprises in its first stage, a stage of conditioning the lignocellulosic biomass with at least one grinding so as to obtain biomass particles having a size of at most 300 mm. It is of course possible to carry out several successive grinding stages in order to reach the target particle size.
  • the ground biomass has a particle size (the largest size) of at most 300 mm, most often at least 1 mm, and often between 2 and 200 mm. Any method known to those skilled in the art can be implemented to carry out this stage.
  • the grinding of straw is done with screens of 5 to 100 mm.
  • the wood it is generally shredded into parallelepiped plates with a length between 20 and 160 mm, a width between 10 and 100 mm and a thickness between 2 and 20 mm.
  • the crushed lignocellulosic biomass is brought to the next stage by any means known to those skilled in the art, in particular a transfer screw.
  • the treatment method according to the invention comprises a step a) of impregnating the lignocellulosic substrate with an acid liquor so as to obtain an impregnated lignocellulosic substrate whose pH is between 0.1 and 3. This step aims to prepare the lignocellulosic substrate for the pretreatment step.
  • the impregnation is carried out in an impregnation reactor at a temperature between 10 and 90°C and preferably at atmospheric pressure.
  • the residence time of the lignocellulosic substrate in the impregnation reactor is usually from 10 seconds to 180 minutes, preferably between 30 seconds and 60 minutes and even more preferably between 30 seconds and 15 minutes.
  • the impregnation step is carried out in a single step.
  • the acid liquor is an aqueous solution of a strong acid, which is for example chosen from sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, for example at an acid content of between 0.5 and 4% by weight.
  • Solid/liquid separation step on the lignocellulosic substrate impregnated with acid liquor The lignocellulosic substrate impregnated with acid liquor is subjected to a solid/liquid separation step in order to obtain a lignocellulosic substrate having a dry matter content of between 15% and 70% by weight and a spent acid liquor.
  • the lignocellulosic substrate impregnated with acid liquor is first drained in order to extract at least a portion of the free acid liquor before being treated by solid/liquid separation.
  • the solid/liquid separation step may implement any technique known to those skilled in the art, which may be, for example, decantation, centrifugation or pressing.
  • pressing of the lignocellulosic substrate is carried out concomitantly with its transfer to the pretreatment stage when the latter implements the steam explosion process which is described below.
  • the wet biomass obtained at the end of the solid/liquid separation step which can be designated by the term "acidified lignocellulosic substrate", has a dry matter content preferably between 15% and 70% by weight, and more preferably between 40 and 65% by weight.
  • the acidified lignocellulosic substrate undergoes a pretreatment step.
  • Cellulose (and possibly hemicelluloses) which are the targets of enzymatic hydrolysis are not directly accessible to enzymes. This is why a pretreatment of the biomass is implemented before the enzymatic hydrolysis step.
  • Pretreatment aims in particular to modify the physical and physicochemical properties of the cellulose fraction, such as its degree of polymerization and its state of crystallinity.
  • the preferred pretreatment process is steam explosion ("Steam Ex” or “Steam Explosion” in English terminology) carried out in an acidic environment. This is a process in which the lignocellulosic substrate is rapidly brought to a high temperature by injecting pressurized steam. The treatment is stopped by abrupt decompression.
  • the operating conditions of the steam explosion process are as follows: steam is injected directly into the reactor; the reactor temperature is generally between 150 and 220°C, preferably between 170°C and 210°C, the pressure is between 5 and 25 bar absolute (0.5 and 2.5 MPa), more preferably between 8 and 19 bar absolute (0.8 to 1.9 MPa), the residence time before the expansion phase varies from
  • the steam explosion can be carried out in batch or continuous mode, and the depressurization step which allows the biomass to be destructured can take place in one or more stages.
  • a pretreated lignocellulosic substrate with a high dry matter content, generally between 20 and 70% by weight, and a vapor phase which can be condensed is obtained.
  • the pretreated lignocellulosic substrate generally has a pH lower than that compatible with the medium for enzymatic hydrolysis.
  • the lignocellulosic substrate is subjected to a neutralization step to bring its pH to a value between 4 and 6.
  • an aqueous solution containing a neutralizing agent which can be chosen from any weak or strong base known to those skilled in the art.
  • base we designate any chemical species which, when added to water, gives an aqueous solution with a pH greater than 7.
  • the neutralizing agent is chosen from potassium hydroxide, sodium hydroxide, ammonia, lime. Even more preferably, the neutralizing agent is chosen from potassium hydroxide and ammonia, alone or in combination with each other.
  • the neutralizing agent is used in aqueous solution, with a mass concentration of between 2% and 75%, and even more preferably between 20% and 70%.
  • Neutralization is carried out at a temperature between 15°C and 95°C, and preferably between 20°C and 70°C.
  • the temperature of the neutralization step is not precisely controlled and is simply governed by the heat released by the acid-base neutralization reaction.
  • the neutralization step can be carried out continuously, batchwise or fed-batch.
  • a possible washing step can be carried out before or after the neutralization step, on all or part of the pretreated lignocellulosic substrate.
  • washing is applied, a liquid stream is brought into contact with the pretreated lignocellulosic substrate, and then the liquid is separated from the solid.
  • the washing step can be carried out by percolation, by successive mixing and liquid/solid separation operations, by washing on a belt filter or by any other technique known to those skilled in the art.
  • the washing liquid used may be water or a process stream.
  • the mass ratio between the added washing liquid and the liquid contained in the substrate to be washed is generally between 0.5 and 4.
  • the washing step generates a sugary washing juice containing a portion of the hemicelluloses solubilized during the pretreatment.
  • This washing juice can, for example, be used as a carbon source for the production of biocatalysts (enzymes and/or microorganisms).
  • the washing step is generally carried out at a temperature between 10°C and 95°C.
  • the pretreated lignocellulosic substrate is sent to the enzymatic hydrolysis stage of the process.
  • the pretreated lignocellulosic substrate which is sent to the enzymatic hydrolysis stage has a dry matter content generally between 20% and 70% by weight.
  • the aim of enzymatic hydrolysis is to hydrolyze (depolymerize), using biocatalysts, hemicelluloses and cellulose into fermentable sugars, preferably glucose.
  • the enzymatic hydrolysis step is carried out under mild conditions, at a temperature of the order of 40°C and 55°C, preferably between 45°C and 50°C and at a pH of 4.0 to 5.5, and even more preferably between 4.5 and 5.2.
  • the dry matter content of the enzymatic hydrolysis medium is between 2 and 45% by weight, preferably between 10 and 30% by weight. It is carried out using enzymes produced by a microorganism.
  • Natural or genetically modified microorganisms such as fungi belonging to the genera Trichoderma, Aspergillus, Penicillium or Schizophyllum, or anaerobic bacteria belonging for example to the genus Clostridium, produce a cocktail of enzymes containing in particular cellulases and hemicellulases, suitable for extensive hydrolysis of cellulose and hemicelluloses.
  • Enzymatic hydrolysis can be carried out in continuous or batch mode, or in fed continuous mode, in one or more reactors.
  • the residence time is between 5 hours and 200 hours and preferably between 24 hours and 120 hours and even more preferably between 48 hours and 120 hours.
  • a hydrolysate containing fermentable sugars is recovered from the bioreactor and is then treated in the fermentation stage.
  • the hydrolyzate obtained may optionally undergo one or more treatment steps before the fermentation step.
  • this may involve a pH adjustment, a partial purification in order to limit the content of inhibitory compound for the fermentative microorganism, or at least partial separation of the solid residues. contained in the hydrolyzate (and thus obtain the unconverted solid residue to be treated according to the invention).
  • the optionally treated hydrolyzate is sent to the fermentation step allowing the conversion by means of one or more microorganisms of different genera of the fermentable sugars into solvent and/or alcohols of interest.
  • the fermentation methods are known to those skilled in the art and are notably described in document US 8,456,633.
  • solvent means organic compounds other than alcohols, for example organic compounds having a ketone function such as acetone.
  • alcohol includes, in particular, ethanol, propanol, isopropanol and butanol.
  • Natural or genetically modified microorganisms may be chosen, for example, from Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Saccharomyces uvarum, Saccharomyces diastaticus, Kluyveromyces fragilis, Candida shehatae, Pichia stipitis, Pachysolen tannophilis or the bacteria Zymomonas mobilis, Clostridium acetobutylicum, Escherichia coli.
  • the fermentation step makes it possible, for example, to produce ethanol alone or in a mixture with butanol, propanol, isopropanol and/or acetone.
  • the fermentation microorganism may be capable of producing a mixture called "ABE (acetone-butanol-ethanol)" or "IBE (isopropanol-butanol-ethanol)".
  • the microorganism chosen is a natural or genetically modified yeast of the genus Saccharomyces capable of producing ethanol.
  • the hydrolysis and fermentation steps can be carried out at the same time in at least one bioreactor so that the enzymatic hydrolysis and the fermentation are carried out simultaneously according to a method designated by the term "Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF)".
  • SSF Simultaneous Saccharification and Fermentation
  • the operating conditions in particular temperature, can be adapted to adapt to the tolerances of the fermentation microorganism.
  • the temperature can be lowered to between 28°C and 45°C, and preferably between 30°C and 35°C when the fermentation is carried out with a yeast of the genus Saccharomyces.
  • the pH is preferably adjusted to between 5 and 5.5 in order to promote the performance of the yeasts.
  • the production unit implementing the method according to the invention may comprise, in addition to the installations already described, in situ production units for enzymes and/or yeasts.
  • the method according to the invention finally comprises a step of separating the product(s) of interest from the fermentation must, which is preceded or followed by a solid/liquid separation step in order to eliminate at least a fraction of the solid matter contained in the fermentation must, and to produce the unconverted solid residue which will be treated (washed) according to the invention.
  • the step of separating the product(s) of interest uses one or more distillations which is a technology well known to those skilled in the art.
  • the feedstock of the process may be a biomass alone or in a mixture.
  • the quantity of water contained in the raw feedstock may be at least 10%, in particular between 10 and 40% by mass.
  • the biomass may be dry, and contain less than 10% by weight of water.
  • the raw biomass is chosen from any type of biomass, preferably solid biomass, and in particular lignocellulosic biomass.
  • types of biomass include, for example, agricultural residues (in particular straw, corn cobs), forestry residues, forestry products, sawmill residues, dedicated crops, for example short-rotation coppices.
  • the raw biomass also called native biomass, is lignocellulosic biomass. It essentially comprises three natural constituents present in variable quantities depending on its origin: cellulose, hemicellulose and lignin.
  • the lignocellulosic biomass feedstock is preferably used in its raw form, i.e. in all three of these constituents: cellulose, hemicellulose and lignin.
  • the lignocellulosic biomass is chosen from grass biomass, agricultural residues such as straw waste, corn cobs, sugar cane bagasse, forestry or sawmill residues such as wood chips or any other type of wood residue.
  • the fluid of i is an aqueous liquid solution containing or not acid, at a temperature between 10 and 95°C and at atmospheric pressure.
  • the pH of this chemical solution is between 0.1 and 12.0, preferably between 0.1 and 7, preferably between 0.3 and 2.
  • the liquor used is an acid-catalyzed liquor, and the pH of the liquor is adjusted between 0.1 and 4, in particular between 0.3 and 2.
  • acid it is possible, for example, to use at least one acid chosen from sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, oxalic acid.
  • Their content, in the aqueous phase is preferably between 0.2 and 8% by weight.
  • the invention applies similarly to different processes and installations, in particular to:
  • Figure 1 shows in summary form the block diagram of an example of a conversion process of this type not in accordance with the invention, a process which provides for pretreatment of the biomass including impregnation with an acid liquor then cooking/explosion with steam, then enzymatic hydrolysis followed by alcoholic fermentation, to transform the biomass into ethanol.
  • Figure 1 therefore represents a biomass conversion carried out in the following way: biomass 1 has been previously conditioned (optional step) then possibly pre-impregnated with a liquor, for example acid (optional step). It is introduced into a cooking reactor for a cooking and steam explosion step 3, the reactor also being supplied with water vapor 2. Note that this can be cooking with steam explosion, or cooking without steam explosion but which generates steam. At the end of cooking step 3, the pretreated biomass 5 is separated from the vapor phase 4a. This vapor phase is mainly made up of water but may contain traces of furfural, 5-HMF and acetic acid.
  • the washing filtrate is noted 12b.
  • the filtration filtrate is noted 12a.
  • This step 10b may include repulping or contacting of the solid fraction trapped in the solid/liquid separation tool with liquid water 11 followed by solid/liquid separation by filtration for example. “Repulping” or “contacting” means the operation consisting of bringing the fermented biomass or the solid fraction obtained after step 10a) into contact with a washing fluid by suspending the biomass in water.
  • Step 10c is a compaction step of the solid fraction trapped in the solid/liquid separation tool after steps 10a and 10b, at the outlet of which we obtain a compaction filtering 12c and a washed solid residue also called compact ligneous “washed solid residue” 13 which is rich in lignin and solids not converted during enzymatic hydrolysis/fermentation. It can, ultimately, be used as fuel.
  • the heat produced can be used in the process in one or more steps requiring heating a fluid (impregnation liquor), a reactor (cooking during pretreatment) or a reboiler of a distillation column (to purify the alcohol obtained by fermentation, etc.).
  • steps 10a, 10b and 10c An example of carrying out steps 10a, 10b and 10c is as follows:
  • the separation of the washed solid residue of lignin is preferably carried out by pressure filtration, with a filter press, with a filtration step itself, under pressure (6-8 bars): filling the filtration chambers then filtration.
  • a first liquid fraction is recovered, called filtration filtrate, with a very low concentration of solids and rich in fermentation products (ethanol) or sugars.
  • the solid fraction remains trapped between the filter press cloths.
  • the filtration step is carried out at a temperature between 30 and 80°C, preferably between 35 and 50°C. It is followed by a washing step of the solid fraction to increase the recovery rate of fermentation products (ethanol) or enzymatic hydrolysis products (sugars).
  • the various filtrates 12a, 12b and 12c are combined and sent to the alcohol purification step 14, which may include at least one of the following treatments: stripping, distillation, dehydration on molecular sieve.
  • These vinasses 16 are treated in the water treatment step 18, which may include one or more physicochemical treatments, such as evapoconcentration, ultrafiltration, reverse osmosis, and/or biological treatments such as anaerobic digestion to produce biogas.
  • Treated water 19 is obtained which may be recycled in the process.
  • a vapor phase 4a This is condensed in step 17, by cooling the vapor by heat exchange in liquid phase 4b to heat at least one fluid used in the biomass conversion process. This may involve heating a biomass impregnation liquor (before cooking) or the “wine” obtained after fermentation before distillation.
  • This liquid phase 4b is then sent to water treatment step 18, with the vinasses 16, and therefore contributes to the flow of treated water 19 which leaves it.
  • This vapor 4a is therefore only used to exhaust it thermally and then it is directed in liquid form to the final water treatment unit.
  • FIG 2 is a first embodiment of the invention, which modifies the diagram of the process according to the invention in the following way: (only that which differs from the process shown in Figure 1 will be described below, for the sake of brevity).
  • the washing water of step 10b is partly a water supplement 11 as previously in Figure 1, and partly the liquid water 4b resulting from the condensation of the steam 4a.
  • FIG 3 is a second embodiment of the invention, which modifies the diagram of the process according to the invention of Figure 2 in the following way: (only what differs from the process shown in Figure 2 will be described below, for the sake of brevity).
  • the washing water of step 10b here consists entirely of the liquid water 4b resulting from the condensation of the steam 4a.
  • Example 1 (comparative) The biomass considered is a lignocellulosic biomass: wheat straw. Its composition is indicated in Table 1 below.
  • the biomass is treated according to the process shown in Figure 1 (process not in accordance with the invention):
  • the impregnation is carried out in the presence of acid liquor heated to 80°C.
  • This separation is carried out by one or more cyclones in order to limit solid loss.
  • the vapor phase 4a at the outlet of this cyclone is at a pressure of 2.1 bara and a temperature of 123°C.
  • This hot flow is used initially to heat the acid liquor to a temperature of 80°C (the vapor does not condense completely) and is then used to preheat the fermentation must before the solid/liquid separation step or the filtered wine at the inlet of the distillation step.
  • the condensation and cooling step 17 is therefore carried out by means of an exchanger.
  • the temperature at the outlet of the condensation step is 30°C.
  • Vapor phase 4a contains in particular acetic acid and furfural which are produced during the pretreatment of biomass and are due to the degradation of hemicelluloses and the depolymerization of acetyl groups.
  • composition of 4b condensates is given in Table 2 below:
  • Condensates 4b feed water treatment unit 18, mixed with other process outlet water to be purified.
  • the pretreated biomass 5 feeds one or more fermentation reactors in order to convert the sugar polymers into monomeric sugars under the action of an enzymatic cocktail (preferably containing cellulases, betaglucosidases, xylanases), then these sugars into ethanol by fermentation with yeasts (Saccaromyces cerevisiae for the production of ethanol).
  • an enzymatic cocktail preferably containing cellulases, betaglucosidases, xylanases
  • This step can be carried out in two sub-steps: a first of liquefaction 6 with a sequential feeding of the biomass allowing to work with high dry matter content. Then a second of enzymatic hydrolysis and fermentation 8 in batch.
  • the enzyme cocktail and yeasts are preferably introduced into the liquefaction reactor 6.
  • An adjustment of the pH of the medium can also be carried out by adding base, for example sodium hydroxide or ammonia.
  • the fermentation must obtained 9, the composition of which is given in table 3 below, then feeds the solid/liquid separation stage 10a.
  • the fermentation must flow rate 9 is 178.4 t/h.
  • the solid/liquid separation tool used is, for example, a filter press.
  • This solid/liquid separation step includes a first step 10a of filtration of the fermentation must, followed by a washing step 10b of the remaining solid.
  • the mass ratio between the water flow rate used for this washing step and the flow rate of solid to be washed (solid trapped in the solid/liquid separation tool after step 10a) is 1.08.
  • This washing step allows the ethanol present in the solid to be recovered.
  • the flow rate of wash water 11 is 50.5 t/h.
  • the recovery rate of ethanol in the wash filtrate 12b is 80.5% by weight.
  • the compaction and deconstructing step 10c allows the recovery of the washed solid residue called washed solid residue of lignin 13.
  • the compaction efficiency is 45%, it corresponds to the recovery rate of ethanol in the compaction filtrate 12c compared to the ethanol present in the solid residue after filtration and washing.
  • composition of vinasse 16 is given in table 5 below:

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'une biomasse lignocellulosique, avec a) une étape optionnelle d'imprégnation de la biomasse (1) b) une étape de cuisson (3) de la biomasse (1) en présence de vapeur d'eau (2) pour obtenir un mélange comprenant la biomasse (5) et de la vapeur d'eau (4a), c) une étape de séparation pour obtenir la biomasse prétraitée (5) et la vapeur d'eau (4a), d) une étape de condensation (17) de la vapeur d'eau (4a) issue de l'étape de cuisson b) en effluent liquide (4b), e) une étape d'hydrolyse enzymatique (6) pour obtenir une biomasse hydrolysée (7) f) une étape de fermentation (8) de la biomasse hydrolysée (7) afin d'obtenir un mélange comprenant une biomasse fermentée (9) et un résidu solide, puis au moins une étape de lavage dudit mélange ou dudit résidu solide obtenus à l'étape f), utilisant l'effluent liquide issu de l'étape d) de condensation.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D’UNE BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE
Domaine technique
L’invention concerne un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique pour produire des jus sucrés dits de seconde génération (2G), qui peuvent ensuite être convertis pour produire d’autres produits par voie biochimique, notamment par voie fermentaire (par exemple des alcools comme l'éthanol, le butanol), ou d’autres molécules, par exemple des solvants tels que l’acétone etc...).
Technique antérieure
La biomasse lignocellulosique représente une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. Les substrats considérés sont très variés, ils concernent à la fois des substrats ligneux comme différents bois (feuillus et résineux), des coproduits issus de l’agriculture (pailles de blé, rafles de maïs, etc...) ou d’autres industries agroalimentaires, papetières, déchets lignocellulosiques etc...
Le procédé de traitement de biomasse lignocellulosique comporte généralement
- un prétraitement de la biomasse par cuisson éventuellement couplée à une explosion à la vapeur et optionnellement précédé par une imprégnation de la biomasse avec une liqueur acide, basique, neutre ou oxydante,
- une hydrolyse enzymatique, conduisant à l’obtention de jus sucrés, généralement à base de sucres en 05 et 06 (c’est-à-dire des sucres avec 5 ou 6 carbones),
- puis, si on poursuit la conversion, une fermentation de ces sucres par une levure, pour les convertir en alcool du type éthanol.
Le procédé comprend également des étapes de séparation et/ou purification du produit final visé (sucre, alcool, solvant...).
La biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux polymères : la cellulose (35 à 50% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué d'hexoses ; l'hémicellulose (20 à 40% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué de pentoses ; et la lignine (10 à 30% poids), qui est un polymère de structure complexe et de haut poids moléculaire, composé d'alcools aromatiques reliés par des liaisons éther. Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent en un enchevêtrement complexe. Parmi les trois polymères de base qui intègrent la biomasse lignocellulosique, la cellulose et l'hémicellulose sont ceux qui permettent la production de jus sucrés 2G.
Le plus souvent, l’hémicellulose est majoritairement décomposée en sucre durant le prétraitement, et la cellulose est convertie en sucre (glucose) par l’hydrolyse enzymatique. Toutefois, l’accès à la cellulose brute reste difficilement accessible aux enzymes, d’où la nécessité d’un prétraitement. Ce prétraitement permet de modifier les propriétés physicochimiques de la biomasse lignocellulosique afin d’améliorer l'accessibilité de la cellulose aux enzymes et sa réactivité à l’hydrolyse enzymatique.
De nombreuses technologies intéressant l’invention pour réaliser ce prétraitement existent, qui seront ci-après regroupés sous le terme générique de « cuisson » : cuissons acides, cuissons alcalines, cuisson par auto-hydrolyse, explosion à la vapeur, procédés dits « organosolv pulping » selon le terme anglais connu (ou traitement avec organo-solvent en français).
Différentes configurations sont reportées par exemple dans le document «Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review », M. Balat, Energy Conversion and Management 52 (2011) 858-875, ou encore dans le document « Bioethanol production from agricultural wastes : an overview », N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.
Un des prétraitements le plus efficace est l’explosion à la vapeur, notamment en condition acide, qui permet une hydrolyse presque totale de l’hémicellulose et une amélioration importante de l’accessibilité et de la réactivité de la cellulose aux enzymes. Ce prétraitement peut être précédé d’autre(s) traitement(s).
A titre d’exemple, le brevet FR 3 075203 décrit un procédé avec imprégnation de la biomasse avec une liqueur acide, puis cuisson et explosion à la vapeur de la biomasse imprégnée, avec un ajustement de l’acidité de la liqueur acide et un recyclage de celle-ci.
Ces différents types de procédé, partant de biomasse lignocellulosique, génèrent des résidus solides à base de lignine, notamment après hydrolyse enzymatique, et/ou après fermentation si on poursuit la conversion des sucres en alcool notamment. Ces résidus solides qu’on appellera dans le présent texte « résidu solide non converti » ou encore « résidu solide lavé de lignine » sont riches en lignine, qui ne réagit pas ou peu à l’action des enzymes utilisées pour l’hydrolyse de la biomasse et qui sont en général des cellulases et des hémicellulases. Ces résidus ligneux peuvent être utilisés, notamment en tant que combustibles, ou être intégrés comme charge dans des produits à base de résine ou de bitume par exemple. Cependant, ces résidus non convertis ne sont pas constitués (outre une certaine quantité d’eau) que de lignine : ils peuvent également contenir de l’hémicellulose et/ou de la cellulose qui n’ont pas réagi à l’hydrolyse. Et écarter ces résidus du procédé de conversion de biomasse, c’est perdre ces fractions de sucres polymériques non réagis, ce qui impacte le rendement de conversion de la biomasse en sucre (ou en alcool). C’est la raison pour laquelle une solution a par exemple été proposée dans le brevet EP 3 587 583 pour séparer le jus (liquide) issu de la fermentation du résidu (solide) à base de lignine, qui consiste en une séparation très efficace comprenant une étape de contactage puis une extraction/séparation et un lavage du résidu solide pour en extraire le maximum du jus liquide qu’il contient. Cependant, ces étapes de séparation solide/liquide impliquent l’utilisation d’une quantité non négligeable d’eau de lavage.
Il est par ailleurs connu de la demande de brevet EP 3 177 672 un procédé de production de composés chimiques, qui consiste à récupérer la vapeur utilisée dans la cuisson à la vapeur de biomasse, pour la condenser puis en extraire ces composés chimiques dont l’eau est chargée et qui sont des sous-produits de la cuisson de la biomasse. Ce n’est qu’après cette extraction que l’eau est ensuite recyclée dans le réacteur de cuisson de la biomasse. Or cette extraction de composés chimiques est une étape supplémentaire, coûteuse en temps et en outillages.
L’invention a alors pour but de remédier à ces différents inconvénients. L’invention a pour but d’améliorer le traitement de biomasse lignocellulosique. Elle a plus particulièrement pour but de maintenir ou d’augmenter les rendements de conversion de biomasse, tout en diminuant les consommables ou outillages nécessaires à cette conversion.
Résumé de l’invention
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ledit procédé comprenant a) une étape optionnelle d’imprégnation de la biomasse par une liqueur, notamment acide, pour obtenir une biomasse imprégnée, b) une étape de cuisson de la biomasse, éventuellement imprégnée à l’étape a), en présence de vapeur d’eau, par exemple de type cuisson avec explosion à la vapeur, pour obtenir un mélange comprenant la biomasse prétraitée et de la vapeur d’eau, c) une étape de séparation du mélange de biomasse prétraitée et de vapeur d’eau, pour obtenir d’une part la biomasse prétraitée et d’autre part de la vapeur d’eau, d) une étape de condensation de la vapeur d’eau issue de l’étape de cuisson b) en effluent liquide comprenant majoritairement de l’eau liquide, e) une étape d’hydrolyse enzymatique de la biomasse prétraitée, pour obtenir une biomasse hydrolysée sous forme de sucre(s), notamment monomériques, f) une étape de fermentation de la biomasse hydrolysée sous forme de sucre(s), afin d’obtenir un mélange comprenant une biomasse fermentée comprenant au moins un alcool sous forme d’un jus et un résidu solide, puis au moins une étape de traitement visant à traiter ce mélange ou l’un de ses composants en vue d’extraire, d’isoler et/ou de purifier la biomasse fermentée, ladite étape de traitement, ou au moins l’une d’elles, comprenant au moins une étape de lavage dudit mélange ou dudit résidu solide obtenus à l’étape f) , ladite étape de lavage utilisant au moins pour partie l’effluent liquide issu de l’étape d) de condensation.
Au sens de la présente invention, on comprend par résidu « solide » (non converti), un résidu qui comprend au moins 20% poids de solide, notamment au moins 30 ou 35 % poids de solide. La teneur en solide peut être mesurée par son taux de Matière Sèche (acronyme "MS"), qui est mesuré selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”. La MS du résidu « solide » non converti selon l’invention est de préférence d’au moins 20, 30 ou 35%.
Au sens de la présente invention, on comprend par « effluent liquide comprenant majoritairement de l’eau liquide » l’eau issue de la condensation de la vapeur d’eau récupérée après cuisson qui peut contenir des composés organiques volatils. Cet effluent liquide comprend généralement au moins 90 % d’eau en volume, par exemple au moins 95% et au plus 97 ou 98% ou 99 % d’eau en volume.
Au sens de la présente invention, quand on opère l’étape a) d’imprégnation, la liqueur d’imprégnation peut comprendre un composé chimique comme un acide, une base ou un agent oxydant ou par une liqueur à base d’eau, avec autohydrolyse de la biomasse libérant naturellement un acide, notamment de l’acide acétique.
L’invention a ainsi identifié une source d’eau pour opérer un lavage après hydrolyse enzymatique et fermentation, notamment celui du résidu solide, à savoir l’eau condensée issue de la cuisson de la biomasse. Et ce recyclage de l’amont vers l’aval du procédé (en considérant la succession d’étapes de traitement de la biomasse) s’est avéré très avantageux à plusieurs titres :
- il permet de réduire de façon significative la consommation d’eau du procédé, notamment celle de de l’étape de lavage prémentionnée, alors que la quantité d’eau de lavage peut représenter une part importante de l’eau nécessaire pour tout le procédé de conversion (au moins 10 voire 20 %, par exemple de l’ordre de 25% de l’eau totale consommée),
- il limite la dilution du produit de conversion, de l’alcool type éthanol avant ses étapes de séparation/purification notamment avant distillation, puisqu’il n’y a pas, ou moins, d’apport d’eau supplémentaire
- cet effluent aqueux provenant de la cuisson n’a pas d’impact sur la qualité du résidu solide non converti obtenu après séparation solide/liquide de la biomasse fermentée puis lavage, le résidu solide conserve les mêmes propriétés calorifiques quand il est ensuite valorisé en combustion (pas d’apport de composés organométalliques comme de la silice, ni oligo- éléments supplémentaires générant des cendres).
La température de l’effluent liquide (majoritairement de l’eau condensée donc) pour le lavage peut être comprise entre 30 et 90°C, de préférence entre 30 et 60°C. Réaliser un lavage avec une phase liquide au-dessus de la température ambiante favorise le lavage en tendant à diminuer sa durée.
Le pH de l’effluent liquide issu de la condensation (majoritairement de l’eau condensée donc) peut être compris entre 2 et 4. Cette eau est en effet acide quand la biomasse a été imprégnée avec une liqueur acide préalablement à sa cuisson. Cette acidité peut s’avérer avantageuse car elle favorise la décomposition de dépôts solides qui se seraient accumulés dans les conduites d’alimentation du dispositif de filtration / lavage.
Or ce choix aurait pu s’avérer problématique. En effet, l’effluent liquide issu de la condensation de la vapeur lors de l’étape de cuisson est de l’eau qui peut se retrouver chargée de traces de différents composés entraînés avec elle, notamment le furfural, le 5- HMF, ou des acides organiques, du type acide acétique. Or, plus particulièrement le furfural ou ses dérivés s’avèrent néfastes, car ils peuvent être toxiques vis-à-vis, notamment, des levures utilisées lors de l’étape de fermentation, ce qui peut se traduire par l’apparition d’un temps de latence lors de la fermentation, un ralentissement de la production d’alcool, et in fine une perte d’éthanol en fin de fermentation. Il n’est donc pas possible de recycler cette eau de condensation vers les étapes réactionnelles suivant la cuisson, sauf à envisager d’extraire au préalable ces composés de l’eau condensée, ce qui impose une étape dédiée de séparation/purification, et des outillages ad hoc en plus. Et il s’est avéré pas davantage pertinent de recycler cette eau de condensation vers une étape amont (une étape d’imprégnation ou de lavage de la biomasse avant cuisson par exemple ou pour produire la vapeur nécessaire à la cuisson de la biomasse), car ces composés risquent de s’accumuler d’étapes en étapes, ce qui là encore, imposerait de purifier l’eau condensée.
Or ce que l’invention a découvert, c’est qu’on pouvait tout-à-fait utiliser/recycler cette eau condensée, sans traitement ou purification, en aval de l’étape de cuisson générant la vapeur, mais après l’étape de fermentation : ainsi, les traces de composés contenus dans l’eau condensée n’ont pas d’effet éventuellement problématique sur la fermentation, et, de façon surprenante, utiliser cette eau condensée après la fermentation n’a entrainé aucun inconvénient, n’a absolument pas affecté le rendement ou la qualité du produit visé. Ce recyclage est donc très efficace, et intervient dans le procédé de conversion juste à l’étape/au moment appropriés pour éviter un traitement préalable de l’eau condensée.
Avantageusement, le procédé selon l’invention peut comprendre , après l’étape f) de fermentation au moins deux étapes de traitement : g) une étape de séparation solide/liquide de la biomasse fermentée, afin d’obtenir un jus séparé comprenant au moins cet alcool et un résidu solide, h) une étape de lavage du résidu solide avec, comme eau de lavage, au moins pour partie, l’effluent liquide issu de l’étape d) de condensation.
Utiliser l’eau condensée issue de la vapeur utilisée lors de la cuisson de la biomasse pour le lavage de la phase solide récupérée après séparation solide/liquide issue de la fermentation n’a entraîné aucun inconvénient, ni sur son efficacité à extraire du jus piégé dans la phase solide, ni sur la qualité finale de l’alcool, ni sur la capacité calorifique du résidu solide ultime. Et, comme évoqué précédemment, l’eau de lavage après séparation solide/liquide de la biomasse fermentée peut constituer un poste important de consommation d’eau du procédé dans son ensemble, et diminuer voire supprimer un apport d’eau pour cette étape est extrêmement avantageux économiquement.
La vapeur d’eau séparée à l’étape c) de séparation peut être chargée en sous-produits issus de la cuisson de la biomasse de l’étape b), notamment comprenant au moins un des sous- produits suivants : du furfural, des composés de dégradation des sucres tels que le 5- hydroxyméthylfurfural 5-HMF, un ou des acides organiques tels que l’acide acétique, du méthanol. Les teneurs de ces différents sous-produits (exprimées en litre de cette vapeur une fois condensée, appelée « effluent liquide ») peuvent être, à titre d’exemple, les suivantes :
Furfural : entre 10 et 50 g/l
Acide acétique : entre 1 et 15 g/l
5-HMF : entre 0 et 2 g/l
Autre(s) composant (s) : moins de 1 g/l
Selon un mode de réalisation de l’invention, tout l’effluent liquide issue de l’étape d) de condensation est utilisée comme eau de lavage dans l’étape de lavage h). Dans ce cas de figure, on recycle donc tout l’effluent condensé à l’étape de lavage h). Alternativement, une certaine partie peut être conservée pour un autre usage, ou, si elle est en trop grande quantité par rapport aux besoins, être stockée ou envoyée à une unité de traitement des eaux final du procédé.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’étape de lavage h) n’utilise comme eau de lavage que l’effluent liquide issu de l’étape d) de condensation. Dans ce cas de figure, la quantité d’eau condensée est suffisante pour remplacer entièrement tout apport d’eau externe, c’est la configuration la plus avantageuse car elle supprime toute consommation d’eau externe pour l’étape de lavage. Selon un mode de réalisation de l’invention, l’étape de lavage h) utilise comme eau de lavage pour partie l’effluent liquide issu de l’étape d) de condensation et pour partie un apport en eau autre, notamment dans une proportion volumique 10/90 à 90/10. Dans ce cas de figure, il se peut, notamment, que la quantité d’effluent liquide disponible soit insuffisante (ou pour d’autres raisons) et, dans ce cas, on vient compléter avec un apport d’eau externe.
Les étapes d’hydrolyse enzymatique e) et de fermentation f) peuvent être réalisées simultanément sur la biomasse prétraitée. On parle alors de SSF pour l’acronyme du terme anglo-saxon « Simultaneous Saccharification and Fermentation » ou SSCF pour l’acronyme du terme anglo-saxon « Simultaneous Saccharification and Co Fermentation ». Elles peuvent aussi être réalisées l’une après l’autre, dans des réacteurs distincts notamment.
Le procédé selon l’invention peut aussi comprendre : i) une étape de séparation ou de purification, notamment de distillation, de la biomasse fermentée, l’étape g) de séparation solide/liquide et l’étape h) de lavage étant opérées avant ou après ladite étape i) de séparation ou de purification.
L’étape d) de condensation peut être opérée par échange thermique de la vapeur d’eau avec un fluide utilisé dans le procédé, afin d’élever la température dudit fluide.
On peut réaliser l’étape g) de séparation solide/liquide par filtration, notamment à l’aide d’un dispositif de pressage ou d’égouttage, tel un filtre-presse ou un filtre sous vide, un filtre à bande, d’une presse à bande un dispositif de centrifugation, de décantation ou d’essoreur ou la combinaison d’au moins deux de ces dispositifs.
L’étape g) de séparation solide/liquide peut être opérée en discontinu ou en continu
L’étape h) de lavage du résidu solide peut être opérée en continu, en co-courant ou contre- courant.
Dans le cadre de la présente invention, quand une séparation solide/liquide est réalisée, la « phase solide » séparée est à comprendre comme contenant la phase solide elle-même et la phase liquide piégée dans ladite phase solide.
L’invention a également pour objet toute installation mettant en œuvre le procédé décrit plus haut.
L’invention a également pour objet une installation, notamment pour mettre en œuvre le procédé décrit plus haut et qui comprend : a) un dispositif d’imprégnation optionnel, notamment un réacteur d’imprégnation, de la biomasse par une liqueur, notamment acide, pour obtenir une biomasse imprégnée b) un dispositif de cuisson de la biomasse, éventuellement imprégnée avec le dispositif d’imprégnation a), en présence de vapeur d’eau, par exemple de type cuisson avec explosion à la vapeur, pour obtenir un mélange comprenant la biomasse prétraitée et de la vapeur d’eau, c) un dispositif de séparation du mélange de biomasse prétraitée et de vapeur d’eau, pour obtenir d’une part la biomasse prétraitée et d’autre part de la vapeur d’eau, d) un dispositif de condensation de la vapeur d’eau issue de l’étape de cuisson b) en effluent liquide, notamment un dispositif échangeur thermique, e) un dispositif d’hydrolyse enzymatique, notamment un réacteur d’hydrolyse enzymatique, de la biomasse prétraitée, pour obtenir une biomasse hydrolysée sous forme de sucre(s), f) un dispositif de fermentation de la biomasse hydrolysée sous forme de sucre(s), notamment un réacteur de fermentation, afin d’obtenir un mélange comprenant une biomasse fermentée comprenant au moins un alcool sous forme d’un jus et un résidu solide, ledit dispositif étant distinct du dispositif d’hydrolyse enzymatique ou étant commun avec celui-ci, puis au moins un dispositif de traitement visant à traiter ce mélange ou l’un de ses composants en vue d’extraire, d’isoler et/ou de purifier la biomasse fermentée, dont au moins un dispositif de lavage utilisant au moins pour partie l’effluent liquide issu de du dispositif d) de condensation.
Cette installation peut aussi comprendre, en aval du dispositif f) de fermentation, deux dispositifs de traitement : g) un dispositif de séparation solide/liquide de la biomasse fermentée, afin d’obtenir un jus séparé comprenant au moins cet alcool, et un résidu solide, notamment un dispositif de pressage ou d’égouttage, tel un filtre-presse ou un filtre sous vide, un filtre à bande, d’une presse à bande un dispositif de centrifugation, de décantation ou d’essoreur ou la combinaison d’au moins deux de ces dispositifs h) un dispositif de lavage du résidu solide, éventuellement commun avec le dispositif de séparation solide/liquide ou distinct de celui-ci, avec, comme eau de lavage, au moins pour partie, l’effluent liquide issue de l’étape d) de condensation.
L’invention a également pour objet l’utilisation du procédé ou de l’installation décrits plus haut, pour le traitement de biomasses lignocellulosiques, du type bois, paille, résidus agricoles, résidus papetiers, et toutes cultures énergétiques dédiées, notamment des plantes annuelles ou pluriannuelles telles que le miscanthus, en vue de produire des biocarburants de type alcool ou des molécules biosourcées. Le procédé de traitement visé par l’invention peut convertir la biomasse lignocellulosique en jus sucré, notamment des jus en C5 et en C6, après hydrolyse enzymatique, puis en alcool(s), notamment en éthanol, après fermentation dudit jus sucré.
L’invention sera ci-après décrite en détails, à l’aide des figures et d’exemples non limitatifs.
Liste des figures
La figure 1 est un schéma bloc d’un procédé de conversion de biomasse lignocellulosique sans mettre en œuvre l’invention.
La figure 2 est un schéma bloc d’un procédé de conversion de biomasse mettant en œuvre l’invention dans un premier mode de réalisation.
La figure 3 est un schéma bloc d’un procédé de conversion de biomasse mettant en œuvre l’invention dans un deuxième mode de réalisation.
A noter que les mêmes références concernent le même flux, le même dispositif, la même étape d’une figure à l’autre.
La description des références est présentée ci-dessous :
1 : Biomasse
2 : Vapeur d’eau
3 : Prétraitement
4a : Phase vapeur
4b : Condensats de prétraitement
5 : Biomasse prétraitée
6 : Hydrolyse enzymatique
7 : Hydrolysat
8 : Fermentation (éventuellement simultané avec 6)
9 : Moût de fermentation, contenant l’alcool
10a : Filtration solide/liquide
10b : Lavage de la fraction solide piégé dans l’outil de séparation solide/liquide.
10c : Compactage des résidu solide lavé
11 : Eau de lavage
12a : Filtrat de filtration
12b : Filtrat de lavage
12c : Filtrat de compactage
13 : Résidu solide lavé
14 : Purification de l’alcool 15 : Alcool purifié (éthanol à plus de 96% poids)
16 : Vinasses
17 : Condensation et refroidissement de la vapeur
18 : Traitement des eaux
19 : Eau traitée pour être recyclée
Description des modes de réalisation
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Ci-dessous un descriptif détaillé des différentes étapes-clés d’un procédé de conversion de biomasse auquel peut avantageusement s’appliquer l’invention : (c’est un exemple auquel ne se limite pas l’invention).
Etape de conditionnement de la biomasse lignocellulosique
Le procédé de traitement comporte dans sa première étape, une étape de conditionnement de la biomasse lignocellulosique avec au moins un broyage de façon à obtenir des particules de biomasse ayant une taille d’au plus 300mm. Il est bien entendu possible de procéder à plusieurs étapes de broyage successives afin d'atteindre la taille de particule visée. De façon générale, la biomasse broyée présente une taille de particule (la plus grande taille) d’au plus 300 mm, le plus souvent d’au moins 1 mm, et souvent comprise entre 2 et 200 mm. Toute méthode connue de l'homme du métier peut être mise en œuvre pour réaliser cette étape. Le plus souvent, le broyage des pailles se fait avec des grilles de 5 à 100 mm. Quant au bois, il est généralement déchiqueté en plaquettes parallélépipédiques avec une longueur comprise entre 20 et 160 mm, une largeur comprise entre 10 et 100 mm et une épaisseur comprise entre 2 et 20 mm. La biomasse lignocellulosique broyée est amenée à l’étape suivante par tout moyen connu de l’homme du métier, en particulier une vis de transfert.
Etape d'imprégnation par une liqueur acide
Le procédé de traitement selon l'invention comporte une étape a) d’imprégnation du substrat lignocellulosique avec une liqueur acide de façon à obtenir un substrat lignocellulosique imprégné dont le pH est compris entre 0,1 à 3. Cette étape vise à préparer le substrat lignocellulosique pour l'étape de prétraitement.
L’imprégnation est réalisée dans un réacteur d'imprégnation à une température comprise entre 10 et 90°C et de préférence à pression atmosphérique. Le temps de séjour du substrat lignocellulosique dans le réacteur d’imprégnation est habituellement de 10 secondes à 180 minutes, de préférence entre 30 secondes et 60 minutes et encore plus préférentiellement entre 30 secondes et 15 minutes. De préférence, l'étape d'imprégnation est effectuée en une seule étape. La liqueur acide est une solution aqueuse d'un acide fort, qui est par exemple choisi parmi l’acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, par exemple à une teneur en acide comprise entre 0,5 et 4% poids.
Etape de séparation solide/liquide sur le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide Le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide est soumis à une étape de séparation solide/liquide en vue d'obtenir un substrat lignocellulosique ayant un taux de matière sèche compris entre 15% et 70% poids et une liqueur acide usée. De préférence, le substrat lignocellulosique imprégné de liqueur acide est d'abord égoutté afin d'extraire au moins une partie de la liqueur acide libre avant d'être traité par séparation solide/liquide. L'étape de séparation solide/liquide peut mettre en œuvre toute technique connue de l'homme du métier, qui peut être par exemple la décantation, la centrifugation ou le pressage.
De préférence on réalise un pressage du substrat lignocellulosique concomitant à son transfert à l'étape de prétraitement lorsque cette dernière met en œuvre le procédé d'explosion à la vapeur qui est décrit ci-dessous.
La biomasse humide obtenue à l’issue de l'étape de séparation solide/liquide, qui peut être désigné par le vocable "substrat lignocellulosique acidifié" présente un taux de matière sèche de préférence compris entre 15% et 70% poids, et plus préférentiellement compris entre 40 et 65% poids.
Etape de prétraitement du substrat lignocellulosique acidifié
Le substrat lignocellulosique acidifié subit une étape de prétraitement.
La cellulose (et éventuellement les hémicelluloses) qui sont les cibles de l'hydrolyse enzymatique ne sont pas directement accessibles aux enzymes. C'est la raison pour laquelle un prétraitement de la biomasse est mise en œuvre avant l'étape d'hydrolyse enzymatique.
Le prétraitement vise notamment à modifier les propriétés physiques et physicochimiques de la fraction cellulosique, telles que son degré de polymérisation et son état de cristallinité.
Divers types de prétraitement sont connus de l’homme du métier, ils associent un traitement chimique et un traitement thermique. On peut notamment citer la cuisson acide ou basique, le procédé Organosolv et le procédé par explosion à la vapeur.
Le procédé de prétraitement préféré est l’explosion à la vapeur ("Steam Ex" ou "Steam Explosion" selon la terminologie anglo-saxonne) réalisé en milieu acide. C'est un procédé dans lequel le substrat lignocellulosique est porté rapidement à haute température par injection de vapeur sous pression. L'arrêt du traitement s'effectue par décompression brutale. Les conditions opératoires du procédé d’explosion à la vapeur sont les suivantes : la vapeur est injectée directement dans le réacteur ; la température du réacteur est généralement comprise entre 150 et 220°C, de préférence comprise entre 170°C et 210°C, la pression est comprise entre 5 et 25 bars absolu (0,5 et 2,5 MPa), plus préférentiellement comprise entre 8 et 19 bars absolu (0,8 à 1,9 MPa), le temps de séjour avant la phase de détente varie de
10 secondes à 50 minutes, et de préférence entre 3 minutes et 30 ou 40 minutes L’explosion à la vapeur peut être réalisée en batch ou en continu, et l’étape de dépressurisation qui permet de déstructurer la biomasse peut se dérouler en une ou plusieurs étapes.
A l'issue de l'étape de prétraitement par explosion à la vapeur, on obtient un substrat lignocellulosique prétraité à haut taux de matière sèche, généralement compris entre 20 et 70% poids et une phase vapeur qui peut être condensée.
A la suite de l’explosion à la vapeur en conditions acides, le substrat lignocellulosique prétraité a généralement un pH inférieur à celui qui est compatible avec le milieu pour l'hydrolyse enzymatique. Ainsi le substrat lignocellulosique est soumis à une étape de neutralisation pour amener son pH à une valeur comprise entre 4 et 6.
Pour l'étape de neutralisation, on emploie une solution aqueuse contenant un agent de neutralisation qui peut être choisi parmi toutes les bases faibles ou fortes connues de l’homme de l’art. Par le terme base, nous désignons toute espèce chimique qui, lorsqu'elle est ajoutée à de l'eau, donne une solution aqueuse de pH supérieur à 7. De manière préférée, l’agent de neutralisation est choisi parmi hydroxyde de potassium, hydroxyde de sodium, ammoniaque, chaux. De manière encore plus préférée, l’agent de neutralisation est choisi parmi hydroxyde de potassium et ammoniaque, seuls ou en combinaison entre eux. De manière préférée, l’agent de neutralisation est utilisé en solution aqueuse, avec une concentration massique comprise entre 2% et 75%, et de manière encore plus préférée entre 20% et 70%.
La neutralisation s’effectue à une température comprise entre 15°C et 95°C, et de préférence entre 20°C et 70°C. En général, la température de l’étape de neutralisation n’est pas précisément contrôlée et est simplement régie par la chaleur dégagée par la réaction acido- basique de neutralisation.
L’étape de neutralisation peut être réalisée en continu, discontinu ou en discontinu alimenté (« fed-batch » en anglais).
11 est à noter qu'une étape éventuelle de lavage peut être pratiquée avant ou après l’étape de neutralisation, sur tout ou partie du substrat lignocellulosique prétraité.
Si un lavage est appliqué, un flux liquide est mis en contact avec le substrat lignocellulosique prétraité, puis le liquide est séparé du solide. L'étape de lavage peut être réalisée par percolation, par opérations de mélange et séparation liquide/solide successives, par lavage sur filtre à bande ou par toute autre technique connue de l'homme de l'art. Le liquide de lavage utilisé peut être de l’eau ou un flux du procédé. Le rapport massique entre le liquide de lavage ajouté et le liquide contenu dans le substrat à laver est généralement compris entre 0,5 et 4. L'étape de lavage génère un jus sucré de lavage contenant une partie des hémicelluloses solubilisées au cours du prétraitement. Ce jus de lavage peut par exemple être utilisé comme source de carbone pour la production des biocatalyseurs (enzymes et/ou microorganismes). L'étape de lavage s’effectue généralement à une température comprise entre 10°C et 95°C.
Etape d'hydrolyse enzymatique
Le substrat lignocellulosique prétraité, éventuellement neutralisé et lavé, est envoyé à l’étape d’hydrolyse enzymatique du procédé.
Le substrat lignocellulosique prétraité qui est envoyé à l'étape d'hydrolyse enzymatique présente un taux de matière sèche généralement compris entre 20% et 70% poids.
L'objectif de l'hydrolyse enzymatique est d'hydrolyser (dépolymériser), au moyen de biocatalyseurs, les hémicelluloses et la cellulose en sucres fermentescibles, de préférence il s'agira du glucose.
L'étape d'hydrolyse enzymatique s'effectue dans des conditions douces, à une température de l'ordre de 40°C et 55°C, de préférence entre 45°C et 50°C et à pH de 4,0 à 5,5, et encore plus préférentiellement entre 4,5 et 5,2. Le taux de matière sèche du milieu d'hydrolyse enzymatique est compris entre 2 et 45% poids, de préférence compris entre 10 et 30% poids. Elle est réalisée au moyen d'enzymes produites par un microorganisme. Des microorganismes naturels ou génétiquement modifiés, comme les champignons appartenant aux genres Trichoderma, Aspergillus, Pénicillium ou Schizophyllum, ou les bactéries anaérobies appartenant par exemple au genre Clostridium, produisent un cocktail d'enzymes contenant notamment des cellulases et des hémicellulases, adaptées à une hydrolyse poussée de la cellulose et des hémicelluloses.
L’hydrolyse enzymatique peut être réalisée en mode continu ou discontinu, ou en continu alimenté, dans un ou plusieurs réacteurs. Le temps de séjour est compris entre 5 heures et 200 heures et de préférence entre 24 heures et 120 heures et encore plus préférentiellement entre 48 heures et 120 heures.
A l'issue de l'étape, on récupère du bioréacteur un hydrolysat contenant des sucres fermentescibles qui est ensuite traité à l'étape de fermentation.
Il est à noter que l'hydrolysat obtenu peut éventuellement subir une ou plusieurs étapes de traitement avant l'étape de fermentation. Par exemple il peut s'agir d'une remise au pH, d'une purification partielle en vue de limiter la teneur en composé inhibiteur pour le microorganisme fermentaire, d'une séparation au moins partielle des résidus solides contenus dans l'hydrolysat (et ainsi obtenir le résidu solide non converti à traiter selon l’invention).
Etape de fermentation de l'hydrolysat, quand on poursuit la conversion des sucres obtenus en alcool(s)
Selon l'étape du procédé de production de solvants et/ou d'alcools, l'hydrolysat éventuellement traité est envoyé à l'étape de fermentation permettant la conversion au moyen d'un ou plusieurs microorganismes de genres différents des sucres fermentescibles en solvant et/ou alcools d'intérêt. Les méthodes de fermentation sont connues de l'homme de l'art et sont notamment décrites dans le document US 8,456,633.
Par le terme "solvant", on entend désigner des composés organiques autres que les alcools, par exemple des composés organiques ayant une fonction cétone tel que l'acétone.
Le terme "alcool" désigne notamment l'éthanol, le propanol, l'isopropanol et le butanol.
Les microorganismes naturels ou génétiquement modifiés peuvent être choisis par exemple parmi Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Saccharomyces uvarum, Saccharomyces diastaticus, Kluyveromyces fragilis, Candida shehatae, Pichia stipitis, Pachysolen tannophilis ou les bactéries Zymomonas mobilis, Clostridium acetobutylicum, Escherichia coli.
Dans le cadre de l'invention, l'étape de fermentation permet par exemple de produire de l'éthanol seul ou en mélange avec du butanol, du propanol, de l'isopropanol et/ou de l'acétone. Par exemple le microorganisme fermentaire peut être capable de produire un mélange dit "ABE (acétone-butanol-éthanol)" ou bien dit "IBE (isopropanol-butanol-éthanol)". De manière préférée, le microorganisme choisi est une levure naturelle ou génétiquement modifiée du genre Saccharomyces capable de produire de l'éthanol.
A l'issue de l'étape, on récupère un moût de fermentation dilué en produits d'intérêt.
Selon un mode de réalisation du procédé, les étapes d’hydrolyse et de fermentation peuvent être réalisées en même temps dans au moins un même bioréacteur de sorte que l'hydrolyse enzymatique et la fermentation sont menées simultanément selon un procédé désigné par le terme "Saccharification et Fermentation Simultanées (SFS)" ou "Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF)" selon la terminologie anglo-saxonne. Lorsque l’étape d’hydrolyse est confondue avec l’étape de fermentation, les conditions opératoires, notamment de température, peuvent être adaptées pour s’adapter aux tolérances du microorganisme de fermentation. Par exemple, la température peut être abaissée entre 28°C et 45°C, et préférentiellement entre 30°C et 35°C lorsque la fermentation est conduite avec une levure du genre Saccharomyces. Le pH est ajusté de préférence entre 5 et 5,5 afin de favoriser la performance des levures. L'unité de production mettant en œuvre le procédé selon l'invention peut comprendre outre les installations déjà décrites, des unités de production in situ d'enzymes et/ou de levures.
Etape de séparation des solvants et/ou des alcools du moût de fermentation
Le procédé selon l'invention comprend enfin une étape de séparation du ou des produits d'intérêt du moût de fermentation, qui est précédée ou suivie d'une étape de séparation solide/liquide afin d'éliminer au moins une fraction de la matière solide contenu dans le moût de fermentation, et de produire le résidu solide non converti qui sera traité (lavé) selon l’invention.
De préférence l'étape de séparation du ou des produits d'intérêt, par exemple l'éthanol, met en œuvre une ou plusieurs distillations qui est une technologie bien connue de l'homme du métier.
: la biomasse lignocellulosique
Conformément à l’invention, la charge du procédé peut être une biomasse seule ou en mélange. La quantité d’eau contenue dans la charge brute peut être d’au moins 10%, notamment comprise entre 10 et 40 % massique. Alternativement, la biomasse peut être sèche, et contenir moins de 10% poids d’eau.
La biomasse brute est choisie parmi tout type de biomasse, de préférence de la biomasse de type solide, et en particulier de la biomasse de type lignocellulosique. Des exemples non limitatifs de types de biomasse concernent par exemple les résidus d’exploitation agricole (notamment paille, rafles de maïs), les résidus d’exploitation forestière, les produits de l’exploitation forestière, les résidus de scieries, les cultures dédiées par exemple des taillis à courte rotation. De préférence, la biomasse brute, dite aussi biomasse native, est de la biomasse lignocellulosique. Elle comprend essentiellement trois constituants naturels présents en quantités variables selon son origine : la cellulose, l'hémicellulose et la lignine. La charge biomasse lignocellulosique est de préférence utilisée sous sa forme brute, c'est-à- dire dans l’intégralité de ces trois constituants cellulose, hémicellulose et lignine.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la biomasse lignocellulosique est choisie parmi la biomasse herbeuse, les résidus d’exploitation agricole tel que les déchets de paille, rafles de maïs, la bagasse de canne à sucre, les résidus d’exploitation forestière ou de scieries tels que les copeaux de bois ou tout autre type de résidus ligneux.
Le fluide d’i : Le fluide optionnel, injecté pour l’imprégnation est une solution liquide aqueuse contenant ou non de l’acide, à une température comprise entre 10 et 95°C et à pression atmosphérique. Le pH de cette solution chimique est compris entre 0,1 et 12,0, de préférence entre 0,1 et 7, de préférence entre 0,3 et 2. Selon un mode de réalisation préféré, la liqueur utilisée est une liqueur à catalyse acide, et on règle le pH de la liqueur entre 0,1 et 4, notamment entre 0,3 et 2. Comme acide, on peut par exemple utiliser au moins un acide choisi parmi l’acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l’acide oxalique. Leur teneur, en phase aqueuse, est de préférence comprise entre 0,2 et 8% poids.
L’invention s’applique de façon analogue à des procédés et des installations différentes, notamment à :
- des installations/procédés qui prévoient un prétraitement par cuisson sans imprégnation préalable par une liqueur (autohydrolyse par exemple),
- des installations/procédés qui prévoient un prétraitement par cuisson avec une imprégnation préalable par une liqueur non acide.
La figure 1 représente de façon synthétique le schéma-bloc d’un exemple de procédé de conversion de ce type non conforme à l’invention, un procédé qui prévoit un prétraitement de la biomasse incluant une imprégnation avec une liqueur acide puis une cuisson/explosion à la vapeur, puis une hydrolyse enzymatique suivie d’une fermentation alcoolique, pour transformer la biomasse en éthanol.
La figure 1 représente donc une conversion de biomasse opérée de la façon suivante : la biomasse 1 a été préalablement conditionnée (étape optionnelle) puis éventuellement préimprégnée d’une liqueur, par exemple acide (étape optionnelle). Elle est introduite dans un réacteur de cuisson pour une étape 3 de cuisson et explosion à la vapeur, le réacteur étant également alimenté en vapeur d’eau 2. A noter qu’il peut s’agir d’une cuisson avec explosion à la vapeur, ou une cuisson sans explosion à la vapeur mais qui génère de la vapeur. A la fin de l’étape de cuisson 3, on sépare la biomasse prétraitée 5 de la phase vapeur 4a. Cette phase vapeur est majoritairement constituée d’eau mais peut contenir des traces de furfural, de 5-HMF et d’acide acétique.
La biomasse prétraitée 5 passe à l’étape 6 d’hydrolyse enzymatique, dans un réacteur approprié qui est également alimenté avec un cocktail enzymatique approprié pour convertir la cellulose et les hémicelluloses en sucres, notamment en sucres monomériques. La biomasse hydrolysée 7 est ensuite fermentée à l’étape 8, par ajout de levures pour convertir les sucres monomériques en alcool, notamment en éthanol. Les étapes 6 et 8 peuvent être réalisées simultanément ou pas, dans un ou plusieurs réacteurs en série. A l’issue de la fermentation, le moût de fermentation contenant l’alcool est traité dans une étape 10a de filtration solide/liquide, par un filtre à bande ou un filtre presse par exemple, et la fraction solide piégée dans l’outil de séparation solide/liquide de l’étape 10a est ensuite lavé à l’étape 10b avec un apport 11 en eau liquide. Le filtrat de lavage est noté 12b. Le filtrat de filtration est noté 12a. Cette étape 10b peut inclure un repulpage ou contactage de la fraction solide piégée dans l’outil de séparation solide/liquide avec l’eau liquide 11 suivie d’une séparation solide/liquide par filtration par exemple. On comprend par « repulpage » ou « contactage » l’opération consistant à mettre en contact la biomasse fermentée ou la fraction solide obtenu après l’étape 10a) avec un fluide de lavage par mise en suspension de la biomasse dans l’eau.
L’étape 10c est une étape de compactage de la fraction solide piégée dans l’outil de séparation solide/liquide après l’étape 10a et 10b, en sortie de laquelle on obtient un filtrage de compactage 12c et un résidu solide lavé appelé également « résidu solide lavé » ligneux compact 13 qui est riche en lignine et en solides non convertis lors de l’hydrolyse enzymatique/fermentation. Il pourra, en final, être utilisé en tant que combustible. La chaleur produite peut être utilisée dans le procédé dans une ou plusieurs étapes nécessitant de chauffer un fluide (liqueur d’imprégnation), un réacteur (cuisson lors du prétraitement) ou un rebouilleur d’une colonne de distillation (pour purifier l’alcool obtenu par fermentation ...).
Un exemple de réalisation des étapes 10a, 10b et 10c est le suivant : La séparation du résidu solide lavé de lignine se fait préférentiellement par filtration sous pression, avec un filtre-presse, avec une étape de filtration à proprement dite, sous pression (6-8 bars) : remplissage des chambres de filtration puis filtration. On récupère une première fraction liquide, appelée filtrat de filtration, à très faible concentration de solide et riche en produits de fermentation (éthanol) ou sucres. La fraction solide reste piégée entre les toiles du filtre- presse. L’étape de filtration est réalisée à une température comprise entre 30 et 80°C, de préférence entre 35 et 50°C. Elle est suivie d’une étape de lavage de la fraction solide pour augmenter le taux de récupération des produits de fermentation (éthanol) ou produits d’hydrolyse enzymatique (sucres). Cette étape de lavage est mise en œuvre en faisant percoler un fluide de lavage. Ce fluide de lavage, comme vu plus loin avec les figures 2 et 3, est constitué d’eau, dont, selon l’invention, au moins 30% des condensats obtenus à l’étape de prétraitement (cuisson). On récupère une deuxième fraction liquide, appelé filtrat de lavage, à très faible concentration de solide et riche en produits de fermentation (éthanol) ou sucres. La fraction solide reste dans les chambres du filtre et est plus appauvrie en produits d’intérêt que la première fraction solide. La température du fluide de lavage est comprise entre 30 et 90°C, de préférence entre 50 et 80°C.
Cette étape de lavage peut également être mise en œuvre par un repulpage de la fraction solide après l’étape de filtration avec le fluide de lavage, suivie d’une filtration.
Cette opération peut être suivie d’une opération dite de compactage : drainage du liquide contenu dans la fraction solide. On récupère un filtrat de compactage à très faible concentration de solide et suffisamment riche en produits de fermentation (éthanol) ou sucres. Elle est ensuite suivie d’une opération dite de débâtissage pour récupérer la fraction solide, appelé résidu solide lavé, appauvri en éthanol ou sucres, et enrichi en lignine/cellulose/hémicellulose non convertie.
Les différents filtrats 12a, 12b et 12c sont rassemblés et envoyés à l’étape 14 de purification de l’alcool, qui peut comprendre au moins un des traitements suivants : strippage, distillation, déshydratation sur tamis moléculaire. Il en sort un flux d’alcool purifié 15 (éthanol à au moins 96% poids) et des vinasses 16. Ces vinasses 16 sont traitées à l’étape 18 de traitement des eaux, qui peut comprendre un ou plusieurs traitements physico-chimiques, du type, évapo- concentration, ultrafiltration, osmose inverse, et/ou traitements biologiques tels que la digestion anaérobie permettant de produire du biogaz. On obtient une eau traitée 19 qui peut être recyclée dans le procédé.
Si on revient à l’étape 3 de cuisson, on a donc, à la fin de la cuisson outre la biomasse prétraitée 3, une phase vapeur 4a. Celle-ci est condensée à l’étape 17, par refroidissement de la vapeur par échange thermique en phase liquide 4b pour réchauffer au moins un fluide utilisé dans le procédé de conversion de la biomasse. Il peut s’agir de réchauffer une liqueur d’imprégnation de la biomasse (avant sa cuisson) ou encore le « vin » obtenu après fermentation avant sa distillation. Cette phase liquide 4b est ensuite envoyée à l’étape 18 de traitement des eaux, avec les vinasses 16, et contribuent donc au flux d’eau traitée 19 qui en sort. On n’exploite donc cette vapeur 4a que pour l’épuiser thermiquement puis on la dirige sous forme liquide à l’unité finale de traitement des eaux.
La figure 2 est un premier mode de réalisation de l’invention, qui modifie le schéma du procédé selon l’invention de la façon suivante : (ne sera ci-après décrit que ce qui diffère du procédé représenté à la figure 1 , par soucis de concision). L’eau de lavage de l’étape 10b est pour partie un appoint en eau 11 comme précédemment à la figure 1, et pour partie l’eau liquide 4b issu de la condensation de la vapeur 4a.
La figure 3 est un deuxième mode de réalisation de l’invention, qui modifie le schéma du procédé selon l’invention de la figure 2 de la façon suivante : : (ne sera ci-après décrit que ce qui diffère du procédé représenté à la figure 2, par soucis de concision). L’eau de lavage de l’étape 10b est ici entièrement constituée de l’eau liquide 4b issue de la condensation de la vapeur 4a.
Exemples de réalisation
Exemple 1 (comparatif) La biomasse considérée est une biomasse lignocellulosique : de la paille de blé. Sa composition est indiquée dans le tableau 1 ci-dessous
Tableau 1
Figure imgf000021_0001
La biomasse est traitée selon le procédé représenté sur la figure 1 (procédé non conforme à l’invention) :
52,2 t/h de biomasse broyée 1 entre dans le procédé et subit un prétraitement 3 qui consiste en :
- une imprégnation par une solution aqueuse d’acide sulfurique : l’imprégnation est effectuée en présence de liqueur acide chauffée à 80°C.
- l’introduction de cette biomasse imprégnée au sein d’un réacteur sous pression ~10bara chauffé à 180°C avec injection de vapeur 2.
- une détente en plusieurs étapes jusqu’à la pression atmosphérique libérant de la vapeur 4a et une biomasse prétraitée 5 ayant un taux de matière sèche de 45% poids.
Cette séparation est effectuée par un ou plusieurs cyclones afin de limiter la perte en solide.
La phase vapeur 4a en sortie de ce cyclone est à la pression de 2,1 bara et une température de 123°C. Ce flux chaud est utilisé dans un premier temps pour chauffer la liqueur acide jusqu’à une température de 80°C, (la vapeur ne se condense pas complètement) et est ensuite utilisé pour préchauffer le moût de fermentation avant l’étape de séparation solide/liquide ou le vin filtré en entrée de l’étape de distillation. L’étape de condensation et refroidissement 17 est donc réalisée au moyen d’un échangeur. La température en sortie de l’étape de condensation est de 30°C. En sortie de l’étape de prétraitement :
- Le débit de phase vapeur condensée 4b est de 21,4 t/h.
- Le débit de biomasse prétraitée 5 est de 96,1 t/h
La phase vapeur 4a contient notamment de l’acide acétique et du furfural qui sont produits au cours du prétraitement de la biomasse et sont dus à la dégradation des hémicelluloses et à la dépolymérisation des groupements acétyles.
La composition des condensats 4b est donnée dans le tableau 2 ci-dessous :
Tableau 2
Figure imgf000022_0001
Les condensats 4b alimentent l’unité de traitement des eaux 18, en mélange avec d’autres eaux sortie procédé à purifier.
La biomasse prétraitée 5 alimente un ou plusieurs réacteurs de fermentation afin de convertir les polymères de sucres en sucres monomères sous l’action d’un cocktail enzymatique (de préférence contenant des cellulases, bétaglucosidases, xylanases), puis ces sucres en éthanol par fermentation avec des levures (Saccaromyces cerevisiae pour la production d’éthanol).
Cette étape peut être réalisée en deux sous-étapes : une première de liquéfaction 6 avec une alimentation séquentielle de la biomasse permettant de travailler à haute teneur en matière sèche. Puis une deuxième d’hydrolyse enzymatique et de fermentation 8 en batch.
Le cocktail enzymatique et les levures sont introduits de préférence dans le réacteur de liquéfaction 6. Un ajustement du pH du milieu peut également être réalisé par ajout de base, par exemple hydroxyde de sodium ou ammoniaque.
Le moût de fermentation obtenu 9, dont la composition est donnée dans le tableau 3 ci- dessous alimente ensuite l’étape de séparation solide/liquide 10a.
Le débit de moût de fermentation 9 est de 178,4 t/h.
Tableau 3
Figure imgf000022_0002
Figure imgf000023_0001
L’outil de séparation solide/liquide utilisé est par exemple un filtre-presse.
Cette étape de séparation solide/liquide comporte une première étape 10a de filtration du moût de fermentation, suivie d’une étape de lavage 10b du solide restant. Le ratio massique entre le débit d’eau utilisé pour cette étape de lavage et le débit de solide à laver (solide piégée dans l’outil de séparation solide/liquide après l’étape 10a) est de 1,08. Cette étape de lavage permet de récupérer l’éthanol présent dans le solide.
Le débit d’eau de lavage 11 est 50,5 t/h. Le taux de récupération de l’éthanol dans le filtrat de lavage 12b est de 80,5% poids.
L’étape de compactage et débâtissage 10c permet de récupérer le résidu solide lavé appelé résidu solide lavé de lignine 13. L’efficacité du compactage est de 45%, elle correspond au taux de récupération de l’éthanol dans le filtrat de compactage 12c par rapport à l’éthanol présent dans le résidu solide après filtration et lavage.
Après séparation solide/liquide, l’ensemble des filtrat 12a, filtrat de lavage 12b et filtrat de compactage 12c sont rassemblés. Le débit total de ces filtrats est de 196 t/h.
Le débit de résidu solide lavé 13 récupéré après cette étape de séparation est de 32,8 t/h. Sa composition est donnée dans le tableau 4 ci-dessous :
Tableau 4
Figure imgf000023_0002
L’ensemble des filtrats, contenant principalement de l’eau et de l’éthanol, mais aussi les composés produits lors des étapes amont (sucres non convertis, impuretés produites par la fermentation) alimentent la colonne de distillation atmosphérique 14 afin de séparer l’éthanol produit. L’éthanol 15, dont la composition est proche de l’azéotrope avec l’eau, est obtenu en tête de colonne avant d’être envoyé vers la section de déshydratation. Les autres composés liquides du procédé 16 (vinasses) sont extraits en fond de colonne et envoyés vers la section de traitement des eaux usées 18.
La composition des vinasses 16 est donnée dans le tableau 5 ci-dessous :
Tableau 5
Figure imgf000024_0001
Les rejets liquides envoyés vers l'unité de traitement des eaux sont donc :
- Les condensats 4b en sortie de la section de prétraitement : débit de 21,4 t/h
- Les vinasses 16 issues de la colonne de distillation eau/alcool : débit de 185,4 t/h
Le débit total d’effluents à traiter est donc de 206,8 t/h. Les condensats en sortie de prétraitement représentent donc 10% de l’eau à traiter dans le procédé.
Exemple 2 (selon l’invention)
Dans cet exemple, les condensats 4b sont dirigés directement vers l’étape de lavage du solide résiduel 10b) obtenu après filtration du moût de fermentation, en mélange avec un flux d’eau de lavage 11, comme représenté à la figure 2. Dans cet exemple, la proportion des condensats 4b par rapport au flux 11 d’eau de lavage est de 74% (volume).
La température en sortie de l’étape de condensation 17 est de 80°C.
Le ratio de lavage pour minimiser la perte en éthanol dans le résidu solide lavé de lignine 13 est identique à celui de l’exemple 1. Le débit d’eau de lavage 11 utilisé en mélange avec les condensats 4b pour le lavage du résidu solide lavé est de 29,1 t/h.
Les composés solubles présents dans les condensats 4b n’impactent pas le rendement de récupération de l’éthanol dans les filtrats lors de l’étape de lavage.
Après séparation solide/liquide, l’ensemble des filtrat 12a, filtrat de lavage 12b et filtrat de compactage 12c sont rassemblés. Le débit total est de 196 t/h.
Les conditions opératoires de l’étape 14 de séparation eau/éthanol par distillation puis par déshydratation sur tamis moléculaire sont identiques à l’exemple 1.
Le flux de vinasses 16 extraits en fond de colonne est envoyé vers la section de traitement des eaux usées 18. Le débit total d’effluents à traiter est de 185,4 t/h, ce qui représente une diminution de 10% sur la capacité de la section de traitement des eaux par rapport à l’exemple 1.
Exemple 3 (selon l’invention)
Dans cet exemple, les condensats 4b sont dirigés directement vers l’étape de lavage du solide résiduel 10b) obtenu après filtration du moût de fermentation. La température en sortie de l’étape de condensation 17 est de 80°C.
Le lavage du résidu solide lavé 13 est effectué uniquement avec ce flux de condensats 4b issu du prétraitement 3, comme représenté à la figure 3.
Le ratio massique entre le débit de condensats utilisé pour cette étape de lavage et le débit de solide à laver est de 0,46, soit une réduction de 57% par rapport à l’exemple 1 et 2.
Cette étape de lavage permet un taux de récupération de l’éthanol dans le filtrat de lavage 12b de 65% poids.
L’étape de compactage et débâtissage 10c permet de récupérer le résidu solide lavé de lignine 13. L’efficacité du compactage est identique aux exemples 1 et 2, soit un taux de récupération de l’éthanol de 45% poids dans le filtrat de compactage 12c.
Après séparation solide/liquide, l’ensemble des filtrat 12a, filtrat de lavage 12b et filtrat de compactage 12c sont rassemblés. Le débit total de ces filtrats est de 167 t/h.
Le débit de résidu solide lavé de lignine 13 récupéré après cette étape de séparation est de 32,8 t/h. Sa composition est donnée dans le tableau 6 ci-dessous :
Tableau 6
Figure imgf000025_0001
Les conditions opératoires de l’étape 14 de séparation eau/éthanol par distillation puis par déshydratation sur tamis moléculaire sont identiques aux exemples 1 et 2. Le flux de vinasses 16 extrait en fond de colonne est envoyé vers la section de traitement des eaux usées 18.
Le débit total d’effluents à traiter est de 156,6 t/h, ce qui représente une diminution de 15% sur la capacité de la section de traitement des eaux par rapport à l’exemple 2, et une diminution de 24% sur la capacité de la section de traitement des eaux par rapport à l’exemple 1.
La perte en éthanol dans le résidu solide lavé de lignine est augmentée de 80% par rapport aux exemples 1 et 2 par un débit de fluide de lavage limité.
En conclusion, l’invention permet de diminuer la consommation en eau de l’opération de lavage réalisée après la fermentation, et de diminuer de fait la quantité d’eau à traiter en fin de procédé de conversion, sans affecter la qualité du produit obtenu, et même en permettant d’en augmenter le rendement, en exploitant « telle quelle » une vapeur d’eau condensée issue de la cuisson de la biomasse, ce qui est une solution à la fois simple et efficace.

Claims

Revendications
1. Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ledit procédé comprenant a) une étape optionnelle d’imprégnation de la biomasse (1) par une liqueur, notamment acide, pour obtenir une biomasse imprégnée, b) une étape de cuisson (3) de la biomasse (1) , éventuellement imprégnée à l’étape a), en présence de vapeur d’eau (2), par exemple de type cuisson avec explosion à la vapeur, pour obtenir un mélange comprenant la biomasse prétraitée (5) et de la vapeur d’eau (4a), c) une étape de séparation du mélange de biomasse prétraitée et de vapeur d’eau pour obtenir d’une part la biomasse prétraitée (5) et d’autre part de la vapeur d’eau (4a), d) une étape de condensation (17) de la vapeur d’eau (4a) issue de l’étape de cuisson b) en effluent liquide comprenant majoritairement de l’eau liquide (4b), e) une étape d’hydrolyse enzymatique (6) de la biomasse prétraitée (5), pour obtenir une biomasse hydrolysée (7) sous forme de sucre(s), notamment monomériques, f) une étape de fermentation (8) de la biomasse hydrolysée (7) sous forme de sucre(s), afin d’obtenir un mélange comprenant une biomasse fermentée (9) comprenant au moins un alcool sous forme d’un jus et un résidu solide, puis au moins une étape de traitement visant à traiter ce mélange ou l’un de ses composants en vue d’extraire, d’isoler et/ou de purifier la biomasse fermentée, ladite étape de traitement, ou au moins l’une d’elles, comprenant au moins une étape de lavage dudit mélange ou dudit résidu solide obtenus à l’étape f) , ladite étape de lavage utilisant au moins pour partie l’effluent liquide issu de l’étape d) de condensation.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend , après l’étape f) de fermentation au moins deux étapes de traitement : g) une étape de séparation solide/liquide (10a) de la biomasse fermentée, afin d’obtenir un jus séparé (12a) comprenant au moins cet alcool et un résidu solide, h) une étape de lavage (10b) du résidu solide avec, comme eau de lavage, au moins pour partie, l’effluent liquide (4b) issu de l’étape d) de condensation (17).
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vapeur d’eau (4a) séparée à l’étape c) de séparation est chargée en sous-produits issus de la cuisson (3) de la biomasse de l’étape b), notamment comprenant au moins un des sous- produits suivants : du furfural, des composés de dégradation des sucres tels que le 5- hydroxyméthylfurfural 5-HMF, un ou des acides organiques tels que l’acide acétique.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que tout l’effluent liquide (4b) issu de l’étape d) de condensation (17) est utilisée comme eau de lavage dans l’étape (10b) de lavage h).
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape (10b) de lavage h) n’utilise comme eau de lavage que l’effluent liquide (4b) issu de l’étape d) de condensation (17) .
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’étape (10b) de lavage h) utilise comme eau de lavage pour partie l’effluent liquide (4b) issu de l’étape d) de condensation (17) et pour partie un apport en eau autre (11), notamment dans une proportion volumique 10/90 à 90/10.
7. Procédé selon l’une des revendication précédentes, caractérisé en ce que l’étape (10b) de lavage h) utilise comme eau de lavage au moins pour partie l’effluent liquide (4b) issu de la l’étape d) de condensation (17), ledit effluent liquide étant alors à une température comprise entre 30 et 60°C et/ou à un pH entre 2 et 4.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes (6) d’hydrolyse enzymatique e) et (8) de fermentation f) sont réalisées simultanément sur la biomasse prétraitée (5).
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend également : i) une étape de séparation ou de purification, notamment de distillation, de la biomasse fermentée, et en ce que l’étape g) de séparation solide/liquide et l’étape h) de lavage sont opérées avant ou après ladite étape i) de séparation ou de purification.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape d) de condensation (17) est opérée par échange thermique de la vapeur d’eau avec un fluide utilisé dans le procédé, afin d’élever la température dudit fluide.
11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on réalise l’étape g) de séparation solide/liquide (10a) par filtration, notamment à l’aide d’un dispositif de pressage ou d’égouttage, tel un filtre-presse ou un filtre sous vide, un filtre à bande, d’une presse à bande, un dispositif de centrifugation, de décantation ou d’essoreur ou la combinaison d’au moins deux de ces dispositifs.
12. Installation de mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend : a) un dispositif d’imprégnation optionnel, notamment un réacteur d’imprégnation, de la biomasse par une liqueur, notamment acide, pour obtenir une biomasse imprégnée (1) b) un dispositif de cuisson de la biomasse, éventuellement imprégnée avec le dispositif Tl d’imprégnation a), en présence de vapeur d’eau (2), par exemple de type cuisson avec explosion à la vapeur, pour obtenir un mélange comprenant la biomasse prétraitée (5) et de la vapeur d’eau, c) un dispositif de séparation du mélange de biomasse prétraitée et de vapeur d’eau, pour obtenir d’une part la biomasse prétraitée(5) et d’autre part de la vapeur d’eau (4a), d) un dispositif de condensation de la vapeur d’eau issue de l’étape de cuisson b) en effluent liquide (4b), notamment un dispositif échangeur thermique, e) un dispositif d’hydrolyse enzymatique, notamment un réacteur d’hydrolyse enzymatique, de la biomasse prétraitée, pour obtenir une biomasse hydrolysée (7) sous forme de sucre(s), f) un dispositif de fermentation de la biomasse hydrolysée sous forme de sucre(s), notamment un réacteur de fermentation, afin d’obtenir un mélange comprenant une biomasse fermentée (9) comprenant au moins un alcool sous forme d’un jus et un résidu solide (13), ledit dispositif étant distinct du dispositif d’hydrolyse enzymatique ou étant commun avec celui-ci, puis au moins un dispositif de traitement visant à traiter ce mélange ou l’un de ses composants en vue d’extraire, d’isoler et/ou de purifier la biomasse fermentée (12a), dont au moins un dispositif de lavage utilisant au moins pour partie l’effluent liquide (4b) issu de l’étape d) de condensation.
13. Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que, en aval du dispositif f) de fermentation, elle comprend deux dispositifs de traitement : g) un dispositif de séparation solide/liquide de la biomasse fermentée, afin d’obtenir un jus séparé (12a) comprenant au moins cet alcool, et un résidu solide, notamment un dispositif de pressage ou d’égouttage, tel un filtre-presse ou un filtre sous vide, un filtre à bande, d’une presse à bande un dispositif de centrifugation, de décantation ou d’essoreur ou la combinaison d’au moins deux de ces dispositifs h) un dispositif de lavage du résidu solide (13), éventuellement commun avec le dispositif de séparation solide/liquide ou distinct de celui-ci, avec, comme eau de lavage, au moins pour partie, l’effluent liquide (4b) issu du dispositif d) de condensation (17).
14. Utilisation du procédé selon l’une des revendications 1 à 11 pour le traitement de biomasses lignocellulosiques, du type bois, paille, résidus agricoles, résidus papetiers, et toutes cultures énergétiques dédiées, notamment des plantes annuelles ou pluriannuelles telles que le miscanthus, en vue de produire des biocarburants de type alcool ou des molécules biosourcées.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8456633B2 (en) 2001-12-21 2013-06-04 Malvern Instruments Incorporated Spectrometric process monitoring
WO2014135755A1 (fr) * 2013-03-06 2014-09-12 IFP Energies Nouvelles Procédé de production d'alcools et/ou de solvants à partir de biomasse lignocellulosique avec lavage du residu solide obtenu après fermentation
WO2017080933A1 (fr) * 2015-11-09 2017-05-18 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement de biomasse lignocellulosique incluant la gazeification d'une poudre d'un residu ligneux issu d'un procede biochimique de traitement de biomasse lignocellulosique
EP3177672A1 (fr) 2014-08-06 2017-06-14 Clariant International Ltd Processus écoénergétique et respectueux de l'environnement pour la production de composés chimiques cibles à partir de matière cellulosique
FR3075203A1 (fr) 2017-12-20 2019-06-21 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement de biomasse ligno-cellulosique par impregnation
EP3587583A1 (fr) 2018-06-27 2020-01-01 IFP Energies nouvelles Procede de traitement de biomasse ligno-cellulosique
WO2020152105A1 (fr) * 2019-01-24 2020-07-30 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement d'une biomasse lignocellulosique

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8456633B2 (en) 2001-12-21 2013-06-04 Malvern Instruments Incorporated Spectrometric process monitoring
WO2014135755A1 (fr) * 2013-03-06 2014-09-12 IFP Energies Nouvelles Procédé de production d'alcools et/ou de solvants à partir de biomasse lignocellulosique avec lavage du residu solide obtenu après fermentation
EP3177672A1 (fr) 2014-08-06 2017-06-14 Clariant International Ltd Processus écoénergétique et respectueux de l'environnement pour la production de composés chimiques cibles à partir de matière cellulosique
WO2017080933A1 (fr) * 2015-11-09 2017-05-18 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement de biomasse lignocellulosique incluant la gazeification d'une poudre d'un residu ligneux issu d'un procede biochimique de traitement de biomasse lignocellulosique
FR3075203A1 (fr) 2017-12-20 2019-06-21 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement de biomasse ligno-cellulosique par impregnation
EP3587583A1 (fr) 2018-06-27 2020-01-01 IFP Energies nouvelles Procede de traitement de biomasse ligno-cellulosique
WO2020152105A1 (fr) * 2019-01-24 2020-07-30 IFP Energies Nouvelles Procede de traitement d'une biomasse lignocellulosique

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. BALAT: "Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review", ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT, vol. 52, 2011, pages 858 - 875, XP055567536, DOI: 10.1016/j.enconman.2010.08.013
N. SARKARS. KUMAR GHOSHS. BANNERJEEK. AIKAT: "Bioethanol production from agricultural wastes : an overview", RENEWABLE ENERGY, vol. 37, 2012, pages 19 - 27
SINGHAL ABHISHEK ET AL: "Improving inorganic composition and ash fusion behavior of spruce bark by leaching with water, acetic acid, and steam pre-treatment condensate", CHEMICAL ENGENEERING JOURNAL, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 452, 139351, 23 September 2022 (2022-09-23), pages 1 - 14, XP087201708, ISSN: 1385-8947, [retrieved on 20220923], DOI: 10.1016/J.CEJ.2022.139351 *

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