biomasse présentation ctri - biocarburants liquides de 2e génération

Développement d’un procédé de production d’éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière

Mathieu Allaire Pierre-Olivier GendronJasmina LahlahFélicia Porqueres

L’émergence de l’éthanol

L’éthanol est utilisé comme carburant depuis plusieurs années et on le décrit comme un carburant vert.

Mais on connais maintenant les problèmes engendrés par la production massive d’éthanol à partir de cultures alimentaires (maïs, céréales).

Flambée du prix des aliments.Utilisation massive d’engrais et de pesticides.

L’utilisation de biomasse comme les résidus forestiers est une alternative.

Production d’éthanol au Québec !

A varenne le complexe Ethanol GreenField (éthanol de première génération et cellulosique) et Enerkem (gazéification).

Tembec à Témiscaming.

Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière

Au Brésil l’éthanol carburant est produit à partir de canne à sucre. Aux États-Unis le maïs est la culture la plus utilisée.

Éthanol de première génération

Maïs, céréales, canne à sucre.

Saccharification

Fermentation

Distillation

Éthanol de deuxième génération

Biomasse

Prétraitement, hydrolyse

Purification

Fermentation

Distillation

Gazéification

L’éthanol carburant au QuébecPlan d’action du gouvernement du Québec 2006-2012 sur les changements climatiques.

Toute l’essence distribuée au Québec devrait contenir 5% d’éthanol.

Budget 2012-2013

Le gouvernement du Québec offre des avantages fiscaux pour la production d’éthanol de deuxième génération.

Le gouvernement souhaite favoriser l’éthanol cellulosique plutôt que l’éthanol de première génération.


Toute l’essence distribuée au Québec ?8.5 milliards de litres distribuée en 2010 (statistiques Canada).

5% = 430 millions de litres par année.

GrenField 120 millions litres/an Enerkem 38 millionsTembec 15 millions

La place de la région dans ce nouveau marché

La région peut tirer avantage de son industrie forestière et de son territoire.

La biomasse lignocellulosique et agricole est présente en région et accessible.

L’expertise forestière et industrielle pour gérer la biomasse est présente.

Possibilité de production de cultures énergétiques à croissance rapide (saule, peuplier) sur des terre non agricoles.


Photo Jean Boivin


Défis à relever.Contraintes techniques à résoudre pour atteindre les rendements de l’éthanol de première génération.

Développer un système d’approvisionnement en biomasse efficace et rentable.

Le prix et la disponibilité de la biomasse lignocellulosique et agricole peut être sujet à de grandes variations.

Traiter la biomasse en région !

Appauvrissement des sols forestiers après le retrait de la biomasse.

Photo Jean Boivin Photo Jean Boivin

La biomasse forestière


Biomasse résiduelle

Bois commercial

Photo Jean Boivin

Photo Jean Boivin

Photo Jean Boivin

Dans la région un hectare de forêt peut produire environ 20 tonnes métriques (verte) de biomasse résiduelle.

Le coût de récolte peut varier entre 40 et 50$/ tmv

Présentement une tonne de biomasse produit entre 200 et 230 litres d’éthanol.

L’optimisation des procédés de conversions et de fermentations pourrais faire augmenter ce rendement à près de 400 litres1. 1. La production d’éthanol à partir de matière lignocellulosique. Centre de référence en agriculture et agroalimentairre du Québec. 2008.

Transformer la biomasse en carburant !?

?

Comment passer de la forêt à la pompe ?

Schéma du procédé

Biomasse

1. PrétraitementMise en pâte.Rendre la fibre accessible.

2. Hydrolyse.Faire du sucre.

3. Détoxification.Solution propice à la fermentation.

4. Fermentation

Distillation

Premier défi pour produire de l’éthanol cellulosiqueExtraire les sucres du bois

Lignine 21 à 25 %

Sucres 60 à 80% !

Hémicellulose 25 à 35 % Cellulose 35 à 45 %

Matières extractibles 2 à 8 %

La cellulose et l’hémicellulose constituent 60 à 80% de la masse de l’arbre et contiennent les sucres fermentescibles



Biomasse




4. Fermentation

Distillation

Première étape prétraitement de la fibreMise en pâte.

Transformation mécanique permettant la séparation de la lignine.

Procédé testé au CTRI

Testé avec des résidus (branches) d’épinette noire.

Nos tests menés sur des branches avec et sans écorce ont donnés des résultats similaires.

Pas nécessaire d’enlever l’écorce avant de traiter les branches.

À tester avec d’autres sources de biomasse.


1. Biomasse




5. Fermentation

Distillation

La fibre de cellulosePolymère de sucres

Lignine (21-25%)Polymère phénolique difficile à dégrader

Sucres obtenus

Glucose XyloseMannose

Cellulose Polymère de glucose

+Hemicellulose Polymère de glucose, xylose, mannose, arabinose, galactose.

Image tirée du site http://www.lbl.gov/Publications/YOS/Feb/

Hydrolyse


Fermentation

Exemple d’un hydrolysat d’épinette noire

Glucose 26.96 g/lXylose 4 g/lMannose 5.36 g/lArabinose 1.28 g/lGalactose 2.4 g/l

Pas seulement du glucose…..

L’hydrolyseÉtape clé la transformation de la cellulose.

Option 1. Hydrolyse enzymatiqueEfficace, mais couteux.Plus difficile à optimiser.Approvisionnements constant en enzyme $$

Option 2. Hydrolyse acideDégradation de la cellulose par l’acide sulfurique.

Approvisionnement en acide sulfurique permettant une compétitivité régionale.

Contraintes : récupération de l’acide, neutralisation du milieu, production de composés inhibiteurs.

Méthode la plus envisagée pour la production industrielle.Le prix des enzymes peut affecter la rentabilité du processus.


Production d’acide sulfurique par Xtrata

•L’hydrolyse est la réaction chimique qui transforme les polymère de sucre (cellulose et hémicellulose en sucre simple ( glucose, xylose, mannose).

Avec la méthode développée au CTRI 86% des polymères provenant de la pâte sont converti en sucre


Hydrolyse acide

Cellulose 3 unités de glucose

par mico-onde120°C 10 min

Utilisation des micro-ondes pour l’hydrolyse acide de la biomasse un procédé novateur

Avantage vs autre procédé•La réaction d’hydrolyse est rapide et sélective• Moins de formation decomposés inhibiteurs• Moins énergivore

Défi à relever• Peu de procédé à l’échelle Industrielle utilise les micro-ondes


Biomasse




4. Fermentation

Distillation

Neutraliser et détoxifier l’hydrolysat


Sucres + H2SO4+ 2NH4OH 2H2O + (NH4)2SO4

eau sel+

•Milieu de culture trop salé pour la croissance des levures

La solution est dans un premier temps neutralisée avec de l’ammoniaque.Il en résulte du sel et de l’eau.

Avant de passer à l’étape de fermentation il est nécessaire de détoxifier celui-ci, car l’acide contenu serait toxique pour les levures si on essayait de fermenter la solution directement sans détoxification

Purification de l’hydrolysat


Deux techniques sont à l’essai présentement au CTRI soit la filtration membranaire et l’électrodialyse.

1. Filtration membranaire 2. L’électrodialyse

Dans un premier temps l’acide est Neutralisée avec l’ammoniaque, ensuiteles sucres sont séparés des sels par nano-Filtration.

L’acide est séparé des sucresdirectement à l’aide d’un courant électrique et de membranes échangeusesd’ions


Filtration membranaire

La nanofiltration est un procédé de séparation mécanique basé sur la grosseur des particules à séparer. La taille des pores de la membranes est d’environ 10 nm

Les molécules plus petite que 150 g/mol comme les sels passent à travers la membrane sous une pression de 150 psi tandis que les molécules de sucres à180 g/mol sont retenues dans la solution d’alimentation.

Ammonium 18 g/mol

Sulfate 96 g/mol

Sel

Glucose180 g/mol

Sucre

>


ÉlectrodialyseCette technique consiste à faire migrer sous un courant électrique les ions SO4 2-

de l’hydrolysat à travers une membrane échangeuse d’anions (MEA) pour qu’ils réagissent avec les ions H+ formé à l’anode par l’électrolyse de l’eau.

sucres

sucres

sucres•L’acide est reconcentré du côté gauche de la cellule et peu être réutilisé dans le procédé

• Les sucres eux restent du côté droit car ils ne peuvent migrer à travers la membrane

•La solution du coté droit une fois débarrassée de son acide peut être ensuite fermentée.

pH pH


Biomasse




4. Fermentation. Optimisation du rendement.

Distillation

Fermentation Transformer les sucres en alcool

Sélection d’une souche microbienne.Hydrolysat cellulosique contenant Glucose 67.4 %Xylose 10 %Mannose 13.4 %Arabinose, galactose

Saccharomyces cerevisiae (levure à bière)

Sheffersomyces stipitis

Fermente les 3 sucres.Permettra d’avoir un rendement optimal, particulièrement avec les espèces riches en hémicellulose.


Saccharomyces est une espèce bien connue et largement utilisée dans l’industrie.

Sheffersomyces demande un peu plus d’optimisation mais permettra un meilleur rendement si les concentrations de xylose sont élevés.

Ne fermente pas le xylose !Perte de rendement par rapport aux sucres totaux.

Optimisation de la fermentationObtenir le maximum d’éthanol par molécule de sucre

Le rendement théorique maximum est de 0.51g d’éthanol par gramme de sucre.

Une partie du sucre est utilisé par la levure pour sa croissance cellulaire.

Définir les conditions pour un rendement optimal (% des sucres convertis en éthanol).

Définir un milieu de culture efficace et économique.Éléments à ajouter au mélange d’hydrolysat pour un rendement maximal.-sel minéraux, source d’azote, taux d’oxygénation.

Préparation des levures pour le fermenteur.


Présentement des tests préliminaires nous permettent d’atteindre de plus de 80% du rendement théorique total avec un hydrolysat d’épinette noire.

Milieu optimal !!!

K2HPO4 KH2PO4

FeSO4(7H2O)MgSO4(7H2O)NaClAdénineCytosine GuanineUracileThymineThiamineRiboflavine

Panthoténate de calciumNiacinePyridoxamineAcide ThioctiqueAcide foliqueBiotineB12TryptophaneCystéineZnSO4(7H2O)CoCl2(6H2O)MnCl2(6H2O)(NH4)6Mo7O24(4H2O)CuSO4(2H2O)

CaCl2(2H2O)H3BO3

AlaninineAginineAcide aspartiqueAcide glutamiqueHistidineLeucineIsoleucine

Trop complexe pour un usage industriel rentable.

Slininger et. al. Appl. Micro. Biotech. 2006

La fermentation


Fermentation en batch

Points critiques à surveiller

1. Préparer les levures2. Hydrolysat + additifs3. Fermentation 24-30h

Forcer la levure à utiliser le sucre pour produire de l’éthanol.

Atteindre 100% de consommation des sucres.

Éviter les phénomènes d’inhibition.

Paramètres à contrôler

1. pH2. Température (30°C)3. Agitation4. Oxygénation

Fermenteur de laboratoire 2.5 litres

La suite de nos travaux de recherche

Fermentation en continu par filtration membranaire.

Purifier l’éthanol en continu lors de la fermentation.

Meilleur rendementPlus économiquePermet d’éviter les phénomènes d’inhibition et d’arrêt de la fermentation.

Test avec différentes essences et différentes sources de biomasse.

Travailler directement avec des copeaux plutôt qu’avec de la pâte.

Conclusions

La région de l’Abitibi-Témiscamingue peut se démarquer dans l’important marché de l’éthanol cellulosique grâce à son accès à la biomasse forestière.

L’hydrolyse acide est la méthode la plus avantageuse de prétraitement à cause de la disponibilité de ce produit en région.

Des procédés novateurs d’hydrolyse au micro-onde et de purification d’hydrolysat sont en développement.

Une bonne expertise scientifique et technique sur la production d’éthanol cellulosique se développe au CTRI.

Notre levure qui travaille fort

Sheffersomyces stipitis

L’équipe biomasse du CTRI

Pierre-Olivier GendronJasmina LahlahFélicia PorqueresHassine BouafifJean BoivinRobin Potvin

Remerciements

Centre national en électrochimie et technologies environnementales

Partenaire financierConseil de recherche en sciences naturelles et en génie

Questions ?

biomasse présentation ctri - biocarburants liquides de 2e génération

Documents