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UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO

ÉCOLE SUPÉRIEURE POLYTECHNIQUE

DOMAINE : SCIENCE DE L’INGÉNIEUR

MENTION : INGÉNIERIE PÉTROLIÈRE

PARCOURS : PÉTROCHIMIE

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du Diplôme de Master en Ingénierie Pétrolière

Titre : Ingénieur

Intitulé :

ESSAIS DE FABRICATION DE BIOÉTHANOL À

MADAGASCAR

Présenté par : RAKOTONDRINA Iandoharilala Rinah

Soutenu le 08 Février 2019

UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO

ÉCOLE SUPÉRIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

DOMAINE : SCIENCE DE L’INGÉNIEUR

MENTION : INGÉNIERIE PÉTROLIÈRE

PARCOURS : PÉTROCHIMIE

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du Diplôme de Master en Ingénierie Pétrolière

Titre : Ingénieur

Intitulé :

ESSAIS DE FABRICATION DE BIOÉTHANOL À

MADAGASCAR

Présenté par : RAKOTONDRINA Iandoharilala Rinah

Soutenu le 08 Février 2019

Président du jury :

Monsieur ANDRIANAIVO Lala, Professeur Titulaire

Rapporteurs :

Monsieur ANDRIANAIVORAVELONA Oliva Jaconnet, Professeur

Monsieur RAMAROSON Jean de Dieu, Professeur, Directeur de Recherches Associées

au Centre National de Recherches Industrielle et Technologique (CNRIT)

Examinateurs :

Monsieur ANDRIANARY Philippe Antoine, Professeur Titulaire

Monsieur RAKOTOSAONA Rijalalaina, Professeur

Madame RARIVOSON Nantenaina, Maître de Conférences

i

RAKOTONDRINA Iandoharilala Rinah

« ESSAIS DE FABRICATION DE BIOETHANOL À MADAGASCAR »

Mémoire de fin d’études en Ingénierie Pétrolière / Option : Pétrochimie

TENY FISAORANA

Ety ampiandohana dia tolorana fisaorana ireo rehetra nanampy ka nahatontosa izao asa

fikarohana izao. Tolorana fankasitrahana manokana amin’izany :

- Andriamanitra, nanome ahy ny fahasalamana sy ny hery nandritra izay fotoana

nianarana izay.

- Andriamatoa ANDRIANAHARISON Yvon, Professeur Titulaire, Talen’ny

Sekoly Ambony Politeknika eto Antananarivo, izay tsy mikely soroka amin’ny fanatsarana ny

endriky ny rafi-pampianarana ety amin’ny Sekoly ambony ny politeknika.

- Andriamatoa ANDRIANAIVO Lala, Professeur Titulaire, Lehiben’ny

Departemanta « Ingénierie Pétrolière », nanome torohevitra mba tsy hampitsanga-menatra anay

eo amin’ny sehatry ny asa.

- Ramatoa RARIVOSON Nantenaina, Maitre de conférences,

Tompon’andraikitry ny lalam-pihofanana « Pétrochimie ».

- Andriamatoa ANDRIANAIVORAVELONA Oliva Jaconnet, Professeur, na dia

eo ary ny adidy sy ny andraikitra sahaninao dia tsy nataonao ambanin-javatra ny fanampinao

ahy ka nahatontosa izao mémoire izao.

- Andriamatoa RAMAROSON Jean de Dieu, Professeur, Directeur de Recherches

Associées au Centre national de Recherches Industrielle et Technologique (CNRIT),

mankasitra amin’ny fanampiana tsy tambo ho isaina natolotrao nandritra izay fotoana izay.

- Andriamatoa ANDRIANARINIRINA Edson Zozime, Tale lefitra ny

Laboratoara ao amin’ny OMNIS, nanampy ahy betsaka tokoa teo ampamitana ito mémoire ito.

- Ho an’ireo Membres des Jury, izay nanaiky ny hitsara ity mémoire ity sy hanome

voninahitra izao andro anio izao.

- Ireo mpampianatra sy mpandraharaha rehetra ety amin’ny Sekoly Ambony

Politeknika eto Antananarivo.

- Isaorako manokana etoana ihany koa ny Ray aman-dReniko, nandany vola

aman-karena nampianatra ahy ka nahatonga ahy amin’izao toerana izao.

- Tsy adino ny fianakaviana iray manontolo, sy ireo namana, ary ny Mpiara-

mianatra, betsaka ny soa vitanareo tamiko nandritra izay fotoana naharitra izay.

Mankasitraka indrindra tompoko

ii




SOMMAIRE

INTRODUCTION

Partie I : ÉTUDES BIBLIOGRAPHIQUES

Chapitre I : GÉNÉRALITÉS SUR LES BIOCARBURANTS

Chapitre II : PROPRIÉTÉS DU BIOÉTHANOL ET TECHNIQUES DE PRODUCTION

Chapitre III : PRODUCTION DE BIOÉTHANOL DANS LE MONDE ET LEUR UTILITÉS

DANS LA VIE

Chapitre IV : DÉTAILS SUR LES MATÉRIELS ET MÉTHODES DE LA PRODUCTION

DE BIOÉTHANOL

Partie II : ÉTUDES EXPÉRIMENTALES

Chapitre V : MIS EN PRATIQUE DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DE BIOÉTHANOL À

L’ÉCHELLE LABORATOIRE

Chapitre VI : ANALYSE DES ÉCHANTILLONS DE BIOÉTHANOL

Chapitre VII : RECTIFICATION ET TRAITEMENT DE L’ALCOOL PAR LA CHAUX

VIVE POUR AVOIR DU BIOÉTHANOL PUR

Chapitre VIII : ESSAIS D’UTILISATION DU BIOÉTHANOL PUR

Chapitre IX : RÉSULTATS DISCUSSIONS

Partie III : ÉVALUATION DU PROJET ET ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX

Chapitre X : ÉVALUATION TECHNIQUE DU PROJET

Chapitre XI : ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX POUR LA FILIÈRE BIOÉTHANOL

CONCLUSION

iii




LISTES DES ABRÉVIATIONS

ATP : Adénosine TriPhosphate

ACV : Analyse de Cycle de Vie

CFR : Coopérative Fuel Research

CNRIT : Centre National de Recherches Industrielle et Technologique

Coef : Coefficient

ESPA : Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo

ETBE : Ethyl Tertio Butyl Ether

EMHV : Ester Méthylique d’Huile Végétale

EMAG : Ester Méthylique d’Acide Gras

GNV : Gaz Naturel Véhicule

IFP : Institut Français du Pétrole

INRS : Institut National de Recherche et de Sécurité

MPS : Matières Premières Sucrées

MPSC : Matières Premières Sucrées Concentrées

NAD : Nicotinamide Adénine Dinucléotide

OMH : Office Malgache des Hydrocarbures

OMNIS : Office des Mines Nationales et des Industries Stratégiques

P : Pression

pH : potentiel Hydrogène

RN : Route National

SP : Sans Plomb

T : Température

iv




LISTE DES TABLEAUX

Tableau n° 1 : Comparaison des trois générations des biocarburants ........................................ 7

Tableau n° 2 : Propriétés physiques de l’éthanol ....................................................................... 9

Tableau n° 3 : Tableau récapitulatif des générations de bioéthanol ......................................... 12

Tableau n° 4 : Comparaison des différents prétraitements de la lignocellulose ...................... 19

Tableau n° 5 : Notation des échantillons .................................................................................. 33

Tableau n° 6 : Proportions des mélanges Bioéthanol-Essence ................................................ 38

Tableau n° 7 : Résultats de l’expérience de production de bioéthanol .................................... 41

Tableau n° 8 : Détermination de la densité .............................................................................. 42

Tableau n° 9 : Détermination de la viscosité ............................................................................ 43

Tableau n° 10 : Détermination des points d’éclairs ................................................................. 44

Tableau n° 11 : Détermination des points d’auto inflammations ............................................. 44

Tableau n° 12 : Détermination des alcoométries ..................................................................... 45

Tableau n° 13 : Résultats de la rectification ............................................................................. 46

Tableau n° 14 : Résultats obtenus après traitement du bioéthanol par chaux .......................... 46

Tableau n° 15 : Densité des carburants utilisés dans le cadre de ce travail ............................. 47

Tableau n° 16 : Viscosité des carburants utilisés dans le cadre de ce travail ........................... 48

Tableau n° 17 : Point d’éclair des carburants utilisés dans le cadre de ce travail .................... 49

Tableau n° 18 : Point d’auto inflammation des carburants ...................................................... 49

Tableau n° 19 : Résultats du premier essai sur le groupe électrogène ..................................... 50

Tableau n° 20 : Résultats du deuxième essai sur le groupe électrogène .................................. 51

Tableau n° 21 : Comparaison des résultats lors de l’essaie d’obtention de bioéthanol ........... 52

Tableau n° 22 : Comparaison des résultats lors de la rectification de « Toaka Gasy » ........... 52

Tableau n° 23 : Comparaison des résultats lors de la déshydratation par chaux vive .............. 53

Tableau n° 24 : Évolution de la consommation de carburant à Madagascar ........................... 57

v




LISTES DES FIGURES

Figure n° 1 : Les différents biocarburants produits à partir de biomasse ................................... 5

Figure n° 2 : molécule d’éthanol ................................................................................................ 8

Figure n° 3 : Étapes à suivre pour produire du bioéthanol première génération ...................... 10

Figure n° 4 : Étapes à suivre pour produire du bioéthanol deuxième génération .................... 11

Figure n° 5 : Technique de production de bioéthanol 1ère et 2nd génération ........................... 12

Figure n° 6 : Production de bioéthanol en 2015 ....................................................................... 14

Figure n° 7 : Impact du prétraitement sur la matière lignocellulosique ................................... 19

Figure n° 8 : Principe de la fermentation alcoolique du glucose par la levure ........................ 21

Figure n° 9 : La structure morphologique et les constituants de la levure type ....................... 22

Figure n° 10 : Représentation générale de la distillation ......................................................... 24

Figure n° 11: Matières premières utilisées ............................................................................... 28

Figure n° 12 : Procédé de fabrication de bioéthanol avec des déchets d’ananas ..................... 29

Figure n° 13 : Déchets d’ananas après broyage ....................................................................... 30

Figure n° 14 : Réalisation de fermentation ............................................................................... 31

Figure n° 15: Distillation simple du moût alcoolisé ................................................................. 32

Figure n° 16 : Déroulement des essais sur le groupe électrogène ............................................ 40

Figure n° 17 : Densité des échantillons .................................................................................... 43

Figure n° 18 : Viscosité des échantillons ................................................................................. 43

Figure n° 19 : Point d’éclair des échantillons .......................................................................... 44

Figure n° 20 : Point d’auto inflammation des échantillons ...................................................... 45

Figure n° 21 : Densité des mélanges de carburant ................................................................... 48

Figure n° 22 : Viscosités des carburants .................................................................................. 48

Figure n° 23 : Points d’éclairs des carburant ............................................................................ 49

Figure n° 24 : Point d’auto inflammation des mélange ............................................................ 50

Figure n° 25 : Consommation des carburants .......................................................................... 58

Figure n° 26 : Prix des carburants en Ariary ............................................................................ 58

Figure n° 27 : Flow-sheet, ........................................................................................................ 60

Figure n° 28 : Cycle de vie du bioéthanol en tant que biocarburant ........................................ 68

Figure n° 29 : Illustration de la comparaison des bilans énergétiques ..................................... 69

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INTRODUCTION

Dans le domaine énergétique, le recours aux énergies d’origine fossile est très largement

prépondérant dans tous les secteurs d’activité, et en particulier dans les transports. Cependant,

le constat de la raréfaction de ces énergies fossiles est réel et des alternatives permettent de

préparer l’avenir tout en minimisant les effets sur la planète. À la suite du choc pétrolier de

1973, la production du bioéthanol a été relancée par le Brésil et les États-Unis à travers divers

programmes de recherche visant à le mélanger avec l’essence. Les États-Unis sont actuellement

les premiers pays producteurs de bioéthanol, devant le Brésil. La valorisation de ce bioéthanol

ne se limite pas seulement sur le carburant, nous les utilisions aussi comme combustible

ménager, et pour produire des alcools consommables.

À Madagascar, nous avons de possibilités de produire en masse de bioéthanol tout au

long de l’année, en maitrisant bien l’abondance des différentes matières premières que nous

estimions possible à utiliser pour la production. Nous savions que les ressources en matières

premières pour produire de bioéthanol sont abondantes chez nous, comme les cannes à sucre,

les tubercules de maniocs, les déchets fruitiers… D’ailleurs, il y en a déjà des paysans qui

focalisent leurs gagnes pains à produire de bioéthanol artisanaux que nous appelons « toaka

gasy ». En général, ce bioéthanol artisanal est utilisé dans des différents rituels des « Fomba

Malagasy », comme boissons alcoolisées.

Beaucoup d’études sont déjà faites sur ce la production de bioéthanol à Madagascar.

Certaines de ces études sont déjà en marche, d’autre encore en attente, mais ce qui est sûr, c’est

que tôt ou tard, nous devrions bien maitriser l’exploitation de nos ressources concernant le

bioéthanol parce que c’est l’une des ressources énergétiques non négligeables qui pourrait bien

être très bénéfique pour notre pays. Basé sur cette idée d’exploitation de bioéthanol à

Madagascar, la raison nous a guidés à prendre comme thème :

« Production de bioéthanol à partir des ressources accessibles à Madagascar ».

Les travaux que nous avons effectués durant l’élaboration de ce mémoire sont : dans le

premier temps, nous avons fait des documentations bibliographiques et webographiques, dans

le second temps, nous avons réalisé des expériences dans le laboratoire, et à la fin, nous

effectuions des analyses pour caractériser les produits obtenus.

La présente œuvre comporte trois grandes parties :

La première partie se penche sur les études bibliographiques,

La seconde partie consiste sur les études expérimentales,

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Et la troisième partie prend en compte l’évaluation technique du projet et les

enjeux environnementaux.

À part l’introduction et la conclusion, l’ouvrage comprend une référence

bibliographique et des annexes.

Pour satisfaire aux objectifs suscités, un stage m’a été très bénéfique au sein de

l’OMNIS, dans la direction LABORATOIRE, au département Géochimie et Physico-chimie.

Les principales sources de l’élaboration de cette étude provenaient par les enseignements

théoriques que nous avions acquis à l’ESPA et les différents enseignements tirés de la pratique

journalière des tâches durant le stage à l’OMNIS. Enfin, beaucoup de collaborations avec des

personnes de différents services m’ont aidé à réaliser cette œuvre.




Partie I : ÉTUDES

BIBLIOGRAPHIQUES

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Chapitre I :

GÉNÉRALITÉS SUR LES BIOCARBURANTS

I.1 HISTORIQUE [1]

À la naissance de l’industrie automobile, le pétrole et ses dérivés n’étaient pas encore

très utilisés ; c’est donc très naturellement que les motoristes se tournaient, entre autres, vers ce

qu’on n’appelait pas encore des biocarburants : Nikolaus Otto, inventeur du moteur à

combustion interne, avait conçu celui-ci pour fonctionner avec de l’éthanol.

Rudolf Diesel, inventeur du moteur du même nom, faisait tourner ses machines à l’huile

d’arachide. Entre 1911 et 1912, il déclarait que « le moteur Diesel peut être alimenté avec des

huiles végétales et serait en mesure de contribuer fortement au développement de l’agriculture

des pays qui l’utiliseront », prédisant que « l’utilisation d’huiles végétales comme combustible

liquide pour moteurs peut sembler insignifiante aujourd’hui », mais que « ces huiles

deviendront bientôt aussi importantes que le pétrole et le goudron de charbon ». La Ford T

(produite de 1903 à 1926) roulait avec de l’alcool. Henry Ford écrivait en 1906 dans un article

de presse : « Il y a de l’essence dans toute matière végétale qui peut être fermentée ».

Le 28 février 1923, les efforts d’Édouard Barthe pour la promotion d’un carburant

national à base d’alcool de grains sont entérinés par la loi.

Lors des deux guerres mondiales, les gazogènes sont rapidement apparus pour parer au

manque de gazole ou d’essence.

Au milieu du XXe siècle, le pétrole abondant et bon marché explique un désintérêt des

industriels pour les biocarburants. Le premier et second choc pétrolier (1973 et 1979) les rendit

à nouveau attractifs, pour des questions stratégiques (sécurité d’un approvisionnement en

énergie) et économiques (réduction de la facture pétrolière, développement d’une industrie

nationale dans un contexte de chômage croissant). De nombreuses études furent ainsi menées à

la fin des années 1970 et au début des années 1980. Le Brésil engagea un vaste programme de

production d’éthanol à partir de canne à sucre, et de conversion de son parc automobile à cette

énergie (programme Proalcool, décret-loi du 14 novembre 1975, renforcé en 1979).

Aux États-Unis, les travaux du National Renewable Energy Laboratory (US Department

of Energy) sur les énergies renouvelables ont commencé dans les années 1970 dans le contexte

du pic pétrolier américain. Il est alors apparu indispensable au gouvernement américain de se

tourner vers des sources pétrolières étrangères ou de développer d’autres carburants.

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Le contre-choc pétrolier de 1986 (baisse des prix du pétrole), et le lobbying des

multinationales pétrolières ont fait chuter l’enthousiasme pour les biocarburants. Cependant,

durant les années 1980, l’Institut Français du Pétrole (IFP) se penche sur la transformation des

huiles végétales en esters méthyliques d’huiles végétales (biogazole). Les tests réalisés révèlent

la possibilité d’utiliser du biodiesel en mélange avec le gazole. La mise en place de jachères

agricoles dans le cadre de la Politique agricole commune de 1992 est alors perçue par certains

comme une occasion pour développer ce type de production. Une première unité industrielle de

production de biogazole est ainsi mise en place à Compiègne en 1992.

Mais en 2000, une nouvelle hausse du prix du pétrole, la menace du pic pétrolier , la

nécessité de lutter contre l’effet de serre (respect des engagements du protocole de Kyoto en

1997), les menaces sur la sécurité d’approvisionnement et enfin et surtout la surproduction

agricole ont conduit les gouvernements à multiplier les discours et les promesses d’aides pour

le secteur des biocarburants, la filière bénéficiant d’un régime fiscal particulier avec les États

qui financent la majeure partie de leur surcoût d’utilisation. Les États-Unis lancent un grand

programme de production d’éthanol de maïs. La Commission européenne souhaite que les pays

membres incluent au moins 5,75 % de biocarburants dans l’essence, et, à cet effet, les directives

adoptées autorisent les subventions et détaxations, ainsi que l’utilisation des jachères à des fins

de production d’agrocarburant. Enfin, la Suède vise une indépendance énergétique dès 2020.

I.2 GENERALITES [2]

Le principal intérêt revendiqué par le biocarburant est de ne pas être une énergie fossile

et de fournir une énergie renouvelable, contribuant très peu à l’augmentation du taux de CO2

présent dans l’atmosphère. En effet, la plante durant sa croissance consomme par la

photosynthèse une quantité de dioxyde de carbone qui sera dégagé lors la combustion du

biocarburant.

Plusieurs types de biocarburants sont utilisés, principalement GNV (gaz naturel

véhicule), les alcools, et les huiles Esters. Nous voyons sur le figure n° 1 Les différents

biocarburants produits à partir de biomasse. Les biocarburants liquides sont classés en trois

générations selon la matière première.

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Figure n° 1 : Les différents biocarburants produits à partir de biomasse

I.2.1 Biocarburant gazeux

Le biocarburant gazeux peut être utilisé dans les moteurs, se substituer au gaz naturel

(essentiellement composé de 95 % de méthane). Ce gaz résulte de la fermentation anaérobique

de n’importe quel matériau organique. Ce méthane peut être utilisé pur comme le GNV ou être

utilisé à alimenter un procédé industriel de fabrication de combustible liquide à partir du gaz.

I.2.2 Les biocarburants liquides

I.2.2.1 Biocarburants de première génération

Les biocarburants de première génération (agrocarburants) sont produits à partir de la

biomasse agricole par exemple ; la betterave sucrière, la canne à sucre, le tournesol, le colza, le

soja, le blé, le maïs, etc., ils sont produits par deux filières distinctes :

La filière bioéthanol qui comprend l’éthanol et l’éthyltertiobutyléther (ETBE)

pour alimenter en mélanges les véhicules à essence.

La filière huiles végétales avec l’ester méthylique d’huiles végétales (EMHV),

ou d’acides gras (EMAG), pour les véhicules diesel.

I.2.2.2 Biocarburants de deuxième génération

La deuxième génération concerne le bioraffinage de la biomasse lignocellulosique qui

valorise les molécules de structuration des plantes. Cette nouvelle génération permet de

résoudre certains des problèmes soulevés avec l’éthanol et le biodiesel de première génération.

Le principal intérêt de cette génération est de valoriser la source de carbone renouvelable la

plus abondante de notre planète, et réduire les concurrences d’usage avec la biomasse

alimentaire de première génération. Cette technologie permet d’exploiter la totalité de la plante

et les résidus agricoles, et même les ressources forestières. Par ailleurs, sur le plan technico-

économique et environnemental, cette nouvelle génération de biocarburant a également pour

BIOMASSE BIOALCOOL

HYDROGÈNE

BIOMETHANE

BIODIESEL

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objectif de réduire nettement les émissions de gaz à effet de serre et la concurrence avec les

produits alimentaires causés par les biocarburants de première génération.

I.2.2.3 Biocarburants de troisième génération

Les biocarburants de troisième génération sont principalement produits par des

microalgues. Il existe entre 200 000 et plusieurs millions d’espèces, ce qui constitue un réel

potentiel pour la recherche et pour l’industrie, elles vivent tant en eau salée qu’en eau douce, et

peuvent croître dans des eaux résiduaires. Avec leur contenu lipidique (triglycérides et acides

gras libres) pouvant atteindre plus de 75 % du poids de leur biomasse sèche (capacité à

synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale),

Les microalgues constituent une alternative particulièrement attractive aux biocarburants

actuels. Grâce à une cinétique de croissance très élevée (temps de dédoublement compris

entre quelques heures et quelques jours), les acides gras doivent être extraits puis

transestérifiés pour produire du biodiesel. D’autres espèces de microalgues peuvent contenir

des sucres et ainsi être fermentées en bioéthanol. Enfin, les microalgues peuvent aussi être

méthanisées pour produire du biogaz. Les biocarburants de troisième génération présentent un

fort potentiel en matière de rendement, mais la technique demeure pour l’instant à l’étape de

recherche. Nous voyons sur le tableau n° 1 la comparaison des trois générations des

biocarburants

I.2.3 Compatibilité des biocarburants

I.2.3.1 Éthanol

Il possède des propriétés physiques et chimiques indispensables pour le bon

fonctionnement d’un moteur à essence, tel qu’un indice d’octane très élevé. Cependant,

certaines précautions sont à prendre en considération, en effet, on ne peut pas utiliser le

bioéthanol pur dans un moteur à essence sans quelques modifications préalables du véhicule.

On peut tout de même le mélanger avec l’essence standard à hauteur de 5 à 15 % sans

changer le moteur, mais cela entraine malgré tout quelques inconvénients qui sont supprimés

par l’utilisation d’ETBE (obtenu par une réaction entre l’éthanol et l’isobutène) que l’on peut

incorporer dans l’essence à teneur plus. Le carburant le plus écologique de la filière bioéthanol

qui existe aujourd’hui est l’E85 composé à 85 % d’éthanol et 15 % d’essence.

I.2.3.2 Esters d’Huiles

Les huiles végétales et leurs esters (EMHV) sont des biocarburants utilisés en proportion

variables dans le diesel. Les esters (EMHV) sont obtenus par estérification des huiles avec un

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alcool (méthanol), peuvent être utilisé pur (sans être mélangé au gazole B100), mais cette

utilisation nécessite l’emploi de joints particuliers dans les moteurs. En pratique le biodiesel est

mélangé à des taux allant de 5 % à 30 % (B5 et B30) et ne nécessite pas de modification des

moteurs.

Tableau n° 1 : Comparaison des trois générations des biocarburants

1ere

génération

Avantages

Peu coûteuse, réduction des émissions de gaz à effet de serre,

contribution à l’indépendance énergétique du pétrole, diversification des

activités agricoles et valorisation des coproduits, temps de recyclage de

biomasse agricole 3 mois -1 année.

Inconvénients

Risque d’épuisement de la qualité organique et minérale du sol et par

conséquent, l’utilisation abusive d’engrais et pesticide pour améliorer les

rendements de matière première, compétition entre productions agricoles

alimentaires et celle destinée au bioraffinage.

2ème

génération

Avantages

Coût des matières premières faible a priori (bois + ressources

supplémentaires). Pas de compétition avec la filière alimentaire, pas de

coproduits et volumes de biocarburants produits plus importants.

Inconvénients

Concurrence entre les différents usages des terres agricoles. (Cultures

alimentaires ou cultures énergétiques). Concurrence avec les usages

traditionnels des matières premières : la 2ème génération pourra solliciter des

ressources forestières qui ont d’autres usages comme la papeterie, la

construction, le bois-énergie, risques de surexploitation des matières

premières (déforestation).

3ème

génération

Avantages

Pas de problème de sol (saison fertile, espace). Taux de croissance

plus élevée pour les microalgues moins de 1 mois, 90 % rejet de gaz à effet

de serre moins que l’essence.

Inconvénients

On ne connait pas les impacts sur l’environnement que pourrait avoir

la culture de microalgues, rejet d’azote et de phosphore, cout de production

élevé.

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Chapitre II :

PROPRIÉTÉS DU BIOÉTHANOL ET TECHNIQUES DE PRODUCTION

II.1 PROPRIETES DU BIOETHANOL

Au Moyen Âge, le philosophe et médecin perse Abu Bakr Muhammad ibn Zakarîya al-

Râzi (865 à 925), à l’aube de la chimie matérialiste, réussit à obtenir de l’alcool pur, par

distillation du vin pour des fins d’usage médicinal [3].

Mais aujourd’hui, nous avons utilisé les éthanols dans des différents secteurs que ce soit

industriel ou ménager.

L’objectif ici, c’est de voir un aperçu des propriétés physiques et chimiques de l’éthanol,

et ce qui caractérise ses molécules.

II.1.1 Molécule d’éthanol

L’éthanol est classé dans la famille des alcools à cause de la liaison C-OH. L’étymologie

du mot « alcool » viendrait du mot arabe « al-kuhul » qui désignait à l’origine une poudre très

fine de stibine (SbH3) connue sous l’appellation de sulfure d’antimoine qui est un gaz toxique

incolore caractérisé par une odeur identique à celle de l’ammoniac (NH3) [4].

L’éthanol est composé de deux atomes de carbone (C), six atomes d’hydrogène (H) et

d’un atome d’oxygène (O). Voyons sur la figure n° 2 la représentation en 3 dimensions de la

molécule d’éthanol.

Formule brute : C2H6O

Formule semi-développée : CH3-CH2-OH

Représentation spatiale de la formule développée :

Figure n° 2 : molécule d’éthanol

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II.1.2 Propriétés physiques de l’éthanol

L’éthanol est un liquide incolore, mobile, très volatile, odorant. Il est miscible à l’eau à

toute proportion, le mélange se faisant avec dégagement de chaleur et contraction du liquide.

Par contre, il y a expansion du liquide lorsque l’éthanol est mélangé à de l’essence.

L’éthanol est également miscible à la plupart des solvants usuels. C’est un bon solvant des

graisses. Sa combustion est sans fumée et donne une flamme bleutée [1]. Nous voyons sur le

tableau n° 2 les détails des propriétés physiques de l’éthanol.

On appelle titre alcoolique d’une solution le nombre de cm3 d’alcool contenu dans

100 cm3 du mélange. Il est mesuré avec un alcoomètre et exprimé en degré Gay-Lussac ou degré

G.L.

Tableau n° 2 : Propriétés physiques de l’éthanol

États physiques Valeurs

Masse Molaire 46,07 g/mol

Point de Fusion -114 °C

Point d’Ébullition 78 °C à 78,5 °C

Densité 0,789

Densité Gaz/Vapeur 1,59

Pression de Vapeur 5,9 kPa à 20 °C

10 kPa à 30 °C

29,3 kPa à 50 °C

Point d’éclair à coupelle fermée 13 °C (éthanol pur)

17 °C (éthanol à 95 °GL)




Point d’auto inflammation 370 °C à 425 °C

Limite d’explosibilité ou inflammabilité (en

volume % dans l’air)

Limite inférieure : 3,3 %

Limite supérieure : 19 %

Chaleur latente de vaporisation 854 kJ/kg

Pouvoir calorifique inférieur massique 26 805 kJ/kg

Pouvoir calorifique inférieur volumique 21 285 kJ/L

Indice d’octane recherché (biocarburant) 111

Viscosité cinématique à 20 °C 1,5 cSt

Source : INRS

II.1.3 Propriétés chimiques de l’éthanol

Les propriétés chimiques de l’éthanol sont dues principalement à la présence du

groupement hydroxyle et de la courte chaine carbonée. Le groupement hydroxyle peut former

des liaisons hydrogène, rendant l’éthanol plus visqueux et moins volatil que des solvants

organiques de masse moléculaire équivalente [5]. Dans les conditions normales, l’éthanol est

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un produit stable. Il possède les propriétés générales des alcools primaires (réactions

d’oxydation, déshydrogénation, déshydratation et estérification).

Il peut réagir vivement avec les oxydants puissants : acide nitrique, acide perchlorique,

perchlorates, peroxydes, permanganates, trioxyde de chrome...

La réaction avec les métaux alcalins conduit à la formation d’éthylate et à un

dégagement d’hydrogène ; elle peut être brutale sauf si elle est réalisée en l’absence d’air pour

éviter la formation de mélanges explosifs air-hydrogène. Le magnésium et l’aluminium peuvent

également former des éthylates, la plupart des autres métaux usuels étant insensibles à l’éthanol

[6].

II.2 TECHNIQUES DE PRODUCTION DE BIOETHANOL

Tout d’abord, il faut préciser qu’il existe 3 générations de bioéthanol. Ce classement est

dû aux matières premières utilisées et aux détails des procédés à suivre pendant la production

du bioéthanol.

II.2.1 Bioéthanol de première génération

Le bioéthanol de première génération est obtenu par fermentation alcoolique de sucres

fermentescibles (glucose, saccharose, etc.) [7]. Ces sucres sont soit directement présents dans

la plante (canne à sucre, betterave sucrière), soit obtenus après hydrolyse acide ou

« enzymatique » de l’amidon contenu dans les grains de blé ou de maïs [8].

L’étape spécifique (sur la Figure n°3) de la préparation du moût est l’extraction du

saccharose qui se fait par un pressage, ou un lavage à l’eau chaude suivi d’un pressage. On

obtient un jus sucré, très fermentescible en présence de levures [9]. La liqueur fermentée ou

bière doit subir une distillation qui consiste à la séparation de l’alcool des vinasses à une

température de 78 °C [10].

Cette génération de bioéthanol pose un grand problème au niveau mondial à cause de la

matière première utilisée, les matières premières affectent l’approvisionnement alimentaire

[11].

Figure n° 3 : Étapes à suivre pour produire du bioéthanol première génération [12]

Distillation Glucose

Page | 11




II.2.2 Le bioéthanol de deuxième génération

Le bioéthanol de deuxième génération, également appelé « biocarburant avancé », est

produit par des matières premières lignocellulosique et des résidus de forêts agricoles. Les

avantages de ces matières premières sont la facilité de disponibilité.

La cellulose est incluse dans une matrice complexe d’hémicellulose et de lignine

auxquelles elle est liée par différents types de liaisons chimiques (hydrogène, Van der Waals

ou covalentes).

La préparation du moût se fait en deux étapes :

Le prétraitement vise à la solubilisation totale ou partielle de l’un ou des deux

agents incrustants de la cellulose : les hémicelluloses (solubles à chaud entre 100 et 150 °C en

conditions acides dilués) et la lignine.

L’hydrolyse enzymatique consiste en la conversion de la cellulose en glucose et

cellobiose par l’intermédiaire d’enzymes. Les enzymes les plus utilisées sont les exo-

glucanases, β-cellobio hydrolases, les endro-glucanases et les β-glucosidases.

Par la suite, les sucres sont fermentés et convertis en un alcool qui subit par la suite une

distillation pour le séparer des vinasses [13] (Figure n° 4).

Toutefois, l’expansion industrielle du bioéthanol de deuxième génération a connu

l’obstacle dû à certains problèmes technologiques. Il s’agit du coût élevé et du rendement

moyen du bioéthanol en raison de sa composition de lignine. D’autres problèmes principaux

liés à la production de bioéthanol de deuxième génération sont l’exigence de technologies et

d’installations de pointe [11].

Figure n° 4 : Étapes à suivre pour produire du bioéthanol deuxième génération [12]

II.2.3 Le bioéthanol de troisième génération

Les algues sont considérées comme la matière première potentielle pour la production

de bioéthanol de troisième génération, car la biomasse peut être convertie directement en

énergie. L’amidon peut être extrait par voie mécanique telle que les ultrasons et le cisaillement

Distillation Glucose

Page | 12




ou par voie chimique, par dissolution des cellules en utilisant des enzymes. Une fois l’amidon

extrait, il subit une hydrolyse (saccharification) pour le transformer en un sucre simple

fermentescible, qui sera soumis à une fermentation suivie d’une distillation [14].

Généralement, l’utilisation de cette matière première pour la production de bioéthanol

dépend de facteurs tels que la technologie et l’environnement [11].

Figure n° 5 : Technique de production de bioéthanol 1ère et 2nd génération [12]

Tableau n° 3 : Tableau récapitulatif des générations de bioéthanol [15]

Génération de

bioéthanol

Première génération Deuxième génération Troisième génération

Source de matière

première

Culture comestible

(canne à sucre, mais,

betterave)

Culture non comestible

(résidus agricoles et

forestiers)

Biomasse algale

Utilisation des terres

pour la culture

Croque sur les terres

arables

Croque sur les terres

arables et marginales

Eau de mer, eaux

douces, eaux usées…

Technologies de

conversion

Extraction de sucre

Fermentation

Distillation

Prétraitement

Hydrolyse

Fermentation

Distillation

Fermentation

Distillation

Rendement en

bioéthanol

Faible Moyen Élevé

Impact sur

l’environnement

Faible apport à

l’atténuation du CO2

Contribution élevée à


Contribution élevée à


Avantages ou

inconvénients

Processus de

conversion simple

Pas de concurrence

avec la ressource

alimentaire

Investissements limités

et difficultés dans la

conception des

processus

Page | 13




Chapitre III :

PRODUCTION DE BIOÉTHANOL DANS LE MONDE ET LEUR UTILITÉS

DANS LA VIE

III.1 ALTERNATIVE AUX ENERGIES FOSSILES

Les réserves des énergies fossiles subissent de nos jours un épuisement progressif. Le

pic de production pétrolière devrait avoir lieu, selon les experts, aux alentours de 2025 en tenant

compte des nouvelles découvertes et aux alentours de 2035 en tenant compte de l’exploitation

des pétroles non conventionnels. Aussi, le prix des carburants fossiles ne cesse d’augmenter.

L’usage des carburants fossiles entraîne aussi le réchauffement climatique qui est

principalement causé par l’émission de gaz à effet de serre lors de la leur combustion. L’un des

principaux gaz à effet de serre est le dioxyde de carbone (CO2) [16].

L’accumulation de gaz à effet de serre dans l’environnement causé par l’utilisation de

combustibles a déjà dépassé le seuil considéré « dangereusement élevé » qui est de 450 ppm

équivalentes CO2. Tous ces inconvénients liés à l’utilisation des carburants fossiles ont motivé

l’intérêt de trouver des alternatives renouvelables, durables et économiquement viables : les

biocarburants. Ces derniers se réfèrent aux carburants obtenus à partir de sources biologiques

renouvelables et qui peuvent être utilisés pour le chauffage, l’éclairage et le transport [16].

Les bioénergies constituent une réelle opportunité pour répondre à nos besoins

énergétiques qui ne cessent de croître. Elles sont considérées comme une voie prometteuse pour

les énergies renouvelables surtout que les énergies fossiles commencent à se raréfier. Le

bioéthanol qui appartient à cette famille d’énergies renouvelables serait un bon substitut aux

énergies fossiles s’il peut être produit conformément aux données industrielles et économiques

exigées par les populations et sociétés contemporaines [17].

III.2 DIFFERENTES BIOENERGIES

Les bioénergies forment un ensemble d’énergies de valorisations possibles de la

biomasse : combustible chaleur (ex. le bois énergie), électricité (ex. le biogaz issu des effluents

d’élevages) et carburant (ex. l’ester de colza). Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre

et notre dépendance au pétrole, il est impératif de trouver une énergie alternative. Les

biocarburants sont une solution déjà utilisée, mais qui doit encore évoluer [18].

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III.3 PRODUCTION DU BIOETHANOL DANS LE MONDE

Actuellement, l’États-Unis d’Amérique et le Brésil sont les géants dans les productions

de bioéthanol. Les États-Unis possèdent la moitié du total de produit, fabriqué essentiellement

à partir du maïs. Le Brésil qui le produit à partir de la canne à sucre, consolide sa place de

second et voit même sa part mondiale augmenter, atteignant quasiment 30 %. Sa production

varie selon les évolutions du marché du sucre. Les pays européens pèsent très peu dans la

production mondiale comme nous voyons sur la figure n° 6.

Figure n° 6 : Production de bioéthanol en 2015 [19]

La production mondiale de bioéthanol en 2017 a le même niveau de celle de

l’année 2016, soit 97,80 milliards de litres. Des prévisions stables dans l’ensemble, avec

certaines fluctuations dans les principales régions productrices du bioéthanol, en raison de

l’évolution des politiques gouvernementales et des conditions de croissance interne variées. La

production est en augmentation depuis 2013 [20].

En Europe, il existe depuis 2010 une association européenne appelée ePure qui défend

les intérêts des producteurs d’éthanol auprès des instances représentatives de l’Union

Européenne dont le siège se trouve à Bruxelles. C’est la fusion de l’Union Européenne des

producteurs d’alcools et d’eBio (European Bioethanol Fuel Association), association des

producteurs de bioéthanol. Une quarantaine d’entreprises sont membres d’ePure. Elles

représentent ensemble 43 unités de production dans seize pays européens, soit 85 % de la

capacité européenne de production de bioéthanol [21].

966

516

47 16 16 14 7 6 3

Production de bioethanol (en millier de barils/jour)

Page | 15




III.4 UTILITES DE BIOETHANOL

III.4.1 Biocarburants

Le bioéthanol peut être utilisé à l’état pur comme carburant substitut à l’essence

dérivée du pétrole ou bien en mélange à des niveaux de concentration variables. Les

mélanges d’éthanol et d’essence sont identifiés par l’abréviation « Exx », où « xx » indique

le pourcentage d’éthanol inclus dans le mélange. Un carburant E20 contient donc 20 %

d’éthanol et 80 % d’essence, alors qu’un carburant E100 correspond à de l’éthanol pur [21].

Le bioéthanol peut être aussi utilisé sous forme d’ETBE (Ethyl Tertio Butyl

Ether), qui est formé par l’éthérification catalytique de l’isobutène avec de l’éthanol. Il

contient 45 % en masse d’éthanol combiné sous forme chimique. L’ETBE possède les

mêmes avantages que l’éthanol en termes d’accroissement d’indice d’octane [13].

III.4.2 Combustibles

Pour atténuer la destruction de l’environnement à cause d’utilisation des combustibles

brutalement nocif pour l’environnement dans des pays sous-développés, la Banque mondiale

est particulièrement intéressée à la production de bioéthanol pour combustible à usage

domestique [22].

III.4.3 Diverses utilités

Aujourd’hui, les applications industrielles utilisant l’éthanol sont nombreuses. Au-delà

du fait que le bioéthanol serve à l’éclairage et au chauffage, il constitue le principe actif de base

des boissons alcoolisées, il entre dans la synthèse de produits chimiques tels que les peintures,

les vernis, les encres, les matières plastiques, les adhésifs, les cosmétiques et les produits

pharmaceutiques. Réputé pour ses qualités de solvant, il est également utilisé dans l’industrie

du nettoyage contre les graisses et les matières plastiques. Le bioéthanol est également utilisé

comme matière première pour la synthèse de solutions d’insecticides. En pharmacologie, il est

utilisé pour ses propriétés de désinfectant et d’agent antiseptique [3].

III.5 : BIOETHANOL A MADAGASCAR

En général, nous pouvons dire que la quantité de production de bioéthanol chez nous est

encore très loin de nos potentiels de production, vu les différentes matières premières que nous

pourrions considérer comme source de bioénergie. Vu ce manque de quantité, la valorisation

est encore en stade d’essai et ne se concentre que sur l’utilisation de bioéthanol en tant que

combustible domestique, mais peu de projets se penche sur l’idée de biocarburant provenant du

bioéthanol. Voici quelques articles qui confirment ce que nous venons de dire :

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« Madagascar a ouvert une unité de production d’éthanol du côté d’Ampasimpotsy

Ranomafana dans le district de Brickaville, dans l’Est de Madagascar et qui sera entièrement

dévolu à l’approvisionnement d’éthanol à destination des particuliers comme combustible.

L’entreprise Madagascar Energy envisage de produire 2 000 litres d’éthanol au quotidien à

partir de la bagasse de canne à sucre. [23]. »

« Connu comme étant un tubercule, le manioc peut être transformé en combustible vert

qui peut ainsi remplacer le charbon de bois, grâce à l’utilisation d’un réchaud spécial. Ce qui

fait toutefois la particularité de la Société Obio Hamy est que ses activités commencent depuis

la plantation de manioc, jusqu’à la commercialisation de l’éthanol et du réchaud, en passant par

la transformation du manioc en alcool. [24]. »

« Actuellement, nous ne faisons pas de production d’éthanol en grande quantité. Nous

collectons et revendons les produits existants. En fait, le « toaka gasy » collecté est transformé

en éthanol combustible, c’est-à-dire que nous revalorisons ce produit brut [25]. »

« La première usine de production d’éthanol combustible du pays est enfin

fonctionnelle. Installée à Mandaniresaka à Antsirabe, elle va démarrer officiellement sa

production. [26]. »

« Madagascar n’est pas encore un producteur de biocarburants, mais peut à priori en être

considéré comme un futur pôle étant donné que la nouvelle Politique énergétique de l’État

malgache est totalement orientée vers la diffusion massive des énergies renouvelables. [27]. »

« La valorisation de la canne à sucre se met au service de la production d’éthanol, cette

biomasse qui commence à faire son chemin à Madagascar. À travers ses diverses études, le

Centre National de Recherches Industrielle et Technologique (CNRIT) a commencé par la

valorisation des déchets de litchis dans la région Atsinanana. Un contrat avec la région

Amoron’Imania a permis l’amélioration de la qualité du « toaka gasy », ce produit de base de

l’éthanol. [28] »

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Chapitre IV :

DÉTAILS SUR LES MATÉRIELS ET MÉTHODES DE LA PRODUCTION

DE BIOÉTHANOL

IV.1 PRETRAITEMENT

Des prétraitements des matières premières sont nécessaires avant de les soumettre à de

différentes étapes de la fabrication du bioéthanol. Les différentes étapes à suivre pendant le

prétraitement varie selon la matière première utilisée.

IV.1.1 Bioéthanol première génération

Les matières premières utilisées sont des végétaux qui sont des plantes sucrières et

amylacées : Cannes à sucres, betteraves, maïs, fruits, blés, orges. Le but de ce prétraitement

c’est d’obtenir des jus.

En général, les étapes à suivre sont les suivants [29] :

Stockage ;

Broyage ;

Dilution ;

Extraction du jus.

Ces étapes varient un peu selon les besoins qui dépend de la matière utilisée. Voici

quelques exemples.

Canne à sucre [29] :

- Moutures (couper la canne en morceaux réguliers)

- Broyages ;

- Écrasages ;

- Dilutions ;

- Extraction des jus.

Maïs [30] :

- Moutures des graines ;

- Broyages ;

- Liquéfactions ;

- Saccharifications.

Betterave [3] :

- Découpages ;

- Diffusions dans l’eau à 70 °C ;

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- Extraction des jus ;

- Sirop (Mélasse riche en sucre).

IV.1.2 Bioéthanol seconde génération

La production d’éthanol à partir de biomasse lignocellulosique est indirecte, elle

nécessite obligatoirement des prétraitements physiques, chimiques ou physicochimiques [31].

Les ressources les plus populaires pour le bioéthanol lignocellulosique (seconde génération)

sont les arbres à croissance rapide et les herbes comme l’eucalyptus, le chanvre et le miscanthus

[29]. Les sources de matières premières sont d’origines ligneuses comme les feuilles, les

résineux, la paille qui est un sous-produit des activités agricoles et toute industrie qui génère

des flux de déchets lignocellulosiques notamment les industries agroalimentaires et papetières.

Un traitement mécanique est requis pour préparer la matière première. Ce prétraitement

consiste à broyer la paille et découper le bois en copeaux. Cette opération a pour objectif de

briser les liaisons moléculaires de manière à augmenter leur interface (voir la Figure n° 7).

Deux voies caractérisent la production d’éthanol à partir de la biomasse

lignocellulosique : chimique et enzymatique.

En ce qui concerne la voie enzymatique, des prétraitements de nature chimique ou

thermique peuvent être appliqués pour préparer la matière végétale afin de faciliter l’hydrolyse

enzymatique, qui est une étape critique du procédé de fabrication à partir de souches de

champignons aérobies [3].

Après la préparation mécanique, nous passons à l’hydrolyse, qui permet de libérer les

sucres simples présents dans la cellulose et l’hémicellulose.

Les différents types d’hydrolyses à faire sur le prétraitement de matière première sont

les suivants [31] :

Hydrolyse acide dilué,

Hydrolyse acide concentré,

Thermo-Hydrolyse,

Explosion à la vapeur,

Prétraitement alcalin.

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Tableau n° 4 : Comparaison des différents prétraitements de la lignocellulose [31]

Température (en °C) Pression (MPa) Temps

Hydrolyse acide diluée 120 à 240 0,09 01 à 06 heures

Hydrolyse acide concentrée 40 4,14 10 sec à 10 min

Thermo-Hydrolyse 190 à 250 > 4,93 01 à 20 min

Explosion à la vapeur 160 à 290 0,68 à 4,93 10 sec à 20 min

Prétraitement alcalin 20 à 160 0,09 Quelques jours

Figure n° 7 : Impact du prétraitement sur la matière lignocellulosique [31]

IV.2 FERMENTATION

IV.2.1 Définition

Les fermentations résultent de l’action d’enzymes microbiennes sur un substrat

organique. Ces réactions biologiques qui dégradent le substrat sont des réactions

d’oxydoréduction se produisant à l’abri de l’air (anaérobiose) et qui dégagent peu d’énergie

[32].

IV.2.2 Historique [33]

Les premiers à faire de la biotechnologie furent les civilisations mésopotamiennes, il y

a 8 000 ans environ, qui cultivaient des céréales et savaient déjà utiliser les levures pour

fabriquer des boissons alcoolisées.

Dès le 19ème siècle, différents scientifiques s’affrontèrent pour expliquer le phénomène

de la fermentation : le Suédois Jakob Berzélius (1779-1848) et les Allemands Justus von Liebig

(1803-1873) et Friedrich Woehler (1800-1882) d’un côté, et de l’autre, notamment l’Allemand

Theodor Schwann (1810-1882), père de la théorie cellulaire.

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Pour les premiers, adeptes de la « théorie chimique », la fermentation était un processus

chimique au cours duquel le sucre est décomposé en alcool et gaz carbonique. Ils affirmaient

que les levures se décomposent au cours de ce processus. Le second soutenait que c’était

l’activité des levures elles-mêmes qui transformait le sucre.

Finalement, ce fut Louis Pasteur (1822-1895) qui trouva la solution à la question. Il

démontra entre autres que certains microorganismes sont anaérobies (ils possèdent un

métabolisme anaérobie).

IV.2.3 Principes

La fermentation alcoolique consiste à transformer les sucres fermentescibles en

anaérobiose par des levures en alcool et gaz carbonique avec dégagement de calories selon la

réaction suivante [34] :

La fermentation alcoolique est donc un processus catabolique, dont la première étape

est la glycolyse. Elle est un processus biologique de fermentation en absence totale d’oxygène,

par l’activité de certains microorganismes, lesquels produisent des hydrates de carbone,

généralement des sucres comme du glucose, du fructose, du saccharose, qui est une substance

ayant la forme empirique de glucose, à savoir un hexose, pour obtenir comme produits finaux

un alcool, comme l’éthanol [35].

L’espèce de levures principalement responsable de la fermentation alcoolique est

Saccharomyces cerevisiae. La voie métabolique utilisée pour la consommation de sucres, en

condition anaérobie, qui comporte la glycolyse, produit dans cette étape deux molécules d’ATP

pour une molécule de sucre consommé. Durant cette réaction, deux molécules de cofacteur

NAD+ sont réduits en NADH. La production d’éthanol à partir du pyruvate de la glycolyse est

la conséquence de la réoxydation de ces cofacteurs. Lors de la fermentation alcoolique, la

macération provoque l’extraction de la couleur. La fermentation se déroule en milieu non

renouvelé. La croissance de Saccharomyces cerevisiae peut être limitée par l’accumulation de

substances toxiques. Signale que les acides gras (l’acide octanoïque, decanoïque), formés par

les levures, deviennent toxiques pour elle. Pour remédier à ce phénomène, une pincée de

charbon était additionnée aux moûts avant ensemencement pour faciliter la reprise de la

fermentation [36].

Saccharomyces cerevisiae donne un rendement de l’ordre de 0,47 g d’éthanol par g de

glucose, une productivité supérieure ou égale à 5 g/l. h, et des concentrations finales en éthanol

voisines de 10 % en volume. Saccharomyces cerevisiae présente de nombreux atouts

Sucres + Levures Éthanol + CO2 + Énergie

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supplémentaires résultant de nombreuses années de sélection : résistance à l’éthanol, mise en

œuvre industrielle aisée [6].

La réaction de fermentation peut être modélisée ainsi [6] :

Il y a trois types de fermentations :

Mode discontinu (ou batch) ;

Mode semi-continu (ou Fed batch) ;

Mode continu.

Figure n° 8 : Principe de la fermentation alcoolique du glucose par la levure [36]

IV.2.3.1 Définition de la levure boulangère type (Saccharomyces cerevisiae)

Les levures peuvent être définies comme des eucaryotes microscopiques. Elles sont des

hétérotrophes faisant partie du groupe des champignons dont on les distingue par leur caractère

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unicellulaire et l’absence de vrai mycélium (au moins dans la plus grande partie de leur cycle

biologique) largement distribué dans la nature. Elle a été découverte, isolée et identifiée au

milieu du XIXème siècle. Ce champignon, capable de métaboliser des sucres (saccharo)

responsables de la fermentation fut appelé Saccharomyces cerevisiae par Mayen en 1837 [37].

Les levures se caractérisent par la présence d’un [38] :

Noyau ;

Mitochondrie ;

Appareil de Golgi ;

Chromosomes.

Les cellules végétatives sont généralement ovoïdes ou sphériques. Leur taille cellulaire

varie de quelques microns jusqu’ à 25 à 30 microns.

Figure n° 9 : La structure morphologique et les constituants de la levure type [36]

IV.2.3.2 Le métabolisme fermentaire du Saccharomyces cerevisiae

En absence totale d’oxygène, Saccharomyces cerevisiae présente un métabolisme

fermentaire. L’oxygène n’est plus l’accepteur final d’électrons, ce rôle est joué par des

molécules organiques comme l’acétaldéhyde. Comme pour le métabolisme oxydatif, le glucose

est dégradé par la voie de la glycolyse jusqu’au pyruvate. À ce niveau-là, le pyruvate n’est plus

dirigé vers le cycle de Krebs, mais est converti en éthanol et CO2. La première étape est la

décarboxylation du pyruvate en acétaldéhyde par la pyruvate décarboxylase, puis la réduction

finale de l’acétaldéhyde en éthanol est catalysée par l’alcool déshydrogénase utilisant le NADH,

H+ comme coenzyme. Le métabolisme fermentaire produit beaucoup moins d’énergie que le

catabolisme aérobie et le cycle de Krebs n’a qu’un rôle anabolique (synthèse de précurseurs),

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seule la synthèse d’éthanol permet la production d’énergie nécessaire aux besoins de la cellule

et la ré-oxydation du NADH produit lors de la glycolyse [39].

IV.2.3.3 Les besoins nutritionnels de la levure

Le milieu de culture doit apporter tous les éléments nécessaires à la croissance et aux

besoins énergétiques de la levure. La biomasse est composée principalement d’eau et des

éléments carbone, hydrogène, oxygène, azote ; le milieu doit donc fournir ces éléments pour

permettre la croissance. Les besoins des levures pour leur croissance sont les suivants [40] :

Eau ;

Source de carbone ;

Source d’azote ;

Source des vitamines ;

Oligo-éléments (ions inorganiques).

La température idéale pour la fermentation est entre 23 °C à 30 °C ; pH normal est entre

4,5 à 5, le temps de fermentation varie selon la matière première utilisée et la condition

environnementale du lieu de fermentation.

IV.3 DISTILLATION

Nous avons obtenu divers produits quand la fermentation s’achève, l’un de ces produits

dans la solution est le bioéthanol qui est probablement en faible concentration (05 % à 10 % de

la solution fermentée). La technique de séparation courante pour séparer le bioéthanol aux

autres produits, c’est la distillation.

IV.3.1 Notion fondamentale sur la théorie de la distillation :

IV.3.1.1 Définition

La distillation est une technique de séparation des constituants d’un mélange liquide.

Cette méthode de séparation repose simplement sur le fait que la vapeur en équilibre avec un

liquide, qui lui a donné naissance, est plus riche en composés le plus volatils. Il sera d’autant

plus facile de séparer les composés d’un mélange que leurs volatilités sont différentes [41].

IV.3.1.2 Historique

La distillation a été découverte par les Romains il y a plus de 2 000 ans et portée à l’état

d’art par les moines du Moyen Âge. La distillation la plus simple, à l’application la plus connue

(alambic), a été étudiée par Rayleigh au début du XXe siècle. La technique de l’alambic avait

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été développée par l’alchimiste Jabir ibn Hayyan vers l’an 800. Il a développé plusieurs autres

appareils dont certains sont encore utilisés en chimie [42].

IV.3.1.3 Principe [43]

La distillation est un procédé de séparation d’un mélange liquide par différence de

volatilité. Ces substances peuvent être des liquides miscibles ou non, des solutions aqueuses ou

non aqueuses.

Le procédé de distillation utilise la différence de température d’ébullition entre les

liquides à séparer.

Pendant qu’un liquide s’évapore, l’autre n’atteint pas sa température d’ébullition et reste

liquide. La vapeur ainsi produite peut-être condensée pour donner le distillat ou fraction légère,

et la substance restante est appelée le résidu ou fraction lourde.

Le principe de cette distillation est basé sur le fait que, à une température donnée du

mélange, la composition de la vapeur en équilibre avec le liquide est différente de celle du

liquide. Elle est particulièrement plus riche en composés volatils.

En condensant cette vapeur, on obtient un liquide de plus en plus riche en éléments

volatils.

Figure n° 10 : Représentation générale de la distillation

IV.3.2 Les différents types de distillation [44]

Il existe plusieurs types de distillation, mais on peut les classer selon leur mode

d’alimentation et de soutirage ou selon leur mode de fonctionnement.

IV.3.2.1 Selon leur mode d’alimentation et de soutirage

Selon ce mode de classification, on rencontre deux types : la distillation continue et la

distillation discontinue.

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a- La distillation continue :

Elle est utilisée industriellement pour le traitement des quantités importantes de charges.

L’alimentation et le soutirage se font de façon permanente, et en cours de fonctionnement la

température, la pression, la concentration et les débits sont indépendants du temps. Il s’agit

donc d’un régime stationnaire.

b- La distillation discontinue :

La distillation en discontinue est surtout utilisée en laboratoire et à l’échelle pilote. Elle

consiste à introduire le mélange à séparer dans un bouilleur. Puis, ce mélange est chauffé et les

différents constituants sont soutirés en tête de la colonne selon leur ordre de volatilité

décroissante jusqu’à l’obtention du degré d’épuisement souhaité. Tandis que pour le résidu, il

est évacué du bouilleur en fin de l’opération. Il faut noter que pendant l’opération, il n’y a pas

d’alimentation.

IV.3.2.2 Selon leur mode de fonctionnement

a- La distillation simple

C’est la séparation simple d’un liquide qui permet d’obtenir une vapeur en équilibre

avec le liquide résiduel. Elle se fait seulement lorsque le produit pur et les impuretés ont des

points d’ébullition nettement différents (au moins 50°C d’écart).

b- La distillation en colonne binaire

La colonne utilisée est une colonne qui a l’aptitude de séparer un mélange en deux

constituants qui sont :

Soit deux corps purs

Soit deux mélanges comportant moins de constituants que le mélange initial.

c- La distillation en colonne complexe

Cette distillation est utilisée pour des produits ne nécessitant pas une très grande pureté.

On peut obtenir en plus du distillât et du résidu d’autres produits, et le soutirage peut se faire

tout le long de la colonne, soit en phase vapeur, soit en phase liquide.

Il y a aussi la distillation avec reflux ; le système de reflux se place toujours après le

condenseur ou le réfrigérant.

IV.3.3 Rectification

C’est une variante de la distillation. Par comparaison à une simple distillation dans la

rectification, on ne prélève pas la totalité du distillat, car après condensation, une partie retourne

dans l’appareil effectuant l’opération ; cette partie s’appelle le reflux. La rectification se réalise

dans une colonne à plateau ou à garnissage qui peut fonctionner en continu ou en discontinu.

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L’appareillage de rectification en laboratoire se compose des éléments suivants :

Un bouilleur : c’est un réservoir chargé au départ du mélange à distiller ;

Un dispositif de chauffage du bouilleur ;

Une colonne de rectification munie de plateau perforé ;

Un condenseur.

IV.3.4 Distillation du bioéthanol en général

Le liquide le plus volatil, ici l’éthanol, car c’est le liquide qui a la température

d’ébullition la plus faible (78 °C contre 100 °C pour l’eau), se condense sur les piques de la

colonne. Puis les gouttes se vaporisent à nouveau avant de retourner dans le tube réfrigérant,

les vapeurs sont plus concentrées en éthanol. Une fois dans le réfrigérant à eau, les vapeurs

reprennent une forme liquide puis tombent dans un récipient, le processus est plutôt lent [32].

Après les distillations, nous allons récupérer un distillat qui aura une concentration

d’environ 80 % à 95 % de bioéthanol.

Il est primordial de mentionner qu’étant donné la miscibilité de l’eau et du bioéthanol,

il faut utiliser une technique de séparation qui tient compte de leurs différents points

d’ébullition. La distillation est un procédé intéressant pour ce genre de traitement, mais est tout

de même limitée, car l’eau et l’éthanol forment un azéotrope [4].

IV.4 DESHYDRATATION DU BIOETHANOL

Pour obtenir du bioéthanol encore plus pur, il faut amplifier la technique de séparation

eau-bioéthanol. Plusieurs solutions sont envisageables comme :

Utilisation de tamis moléculaire. Il s’agit d’un tamis composé de zéolites, dont

les pores ont un diamètre nominal de 0,30 nm. Les molécules d’éthanol (approximativement

0,44 nm de diamètre) sont retenues par ce tamis, alors que les molécules d’eau (0,28 nm de

diamètre), plus petites, peuvent pénétrer les pores. Cette technologie présente un excellent bilan

énergétique de 0,1 à 0,2 MJ/kg d’éthanol pour une consommation totale (avec la première

distillation) de 5 MJ/kg d’éthanol. La séparation eau-éthanol peut également s’effectuer par des

membranes par pervaporation. Des membranes hydrophiles ou hydrophobes existent [6].

Pratique de la distillation azéotropique, qui consiste à ajouter un troisième

composé à un mélange favorisant ainsi la séparation. Qu’on appelle aussi procéder Keyes,

l’ajout de ce solvant au mélange éthanol-eau conduit à la formation d’un azéotrope ternaire

hétérogène (deux phases liquides non miscibles, aqueuses et organiques) permettant ainsi

d’obtenir l’éthanol pur [41]. Les solvants employés sont le cyclohexane, le diéthylether, le n-

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pentane, le benzène et le toluène. Le distillat obtenu passe après par une décantation pour

séparer le solvant et le bioéthanol.

Traitement par chaux vive. Après 3 h 30 min d’agitation, le degré est de 99 °

GL ; après 6 h de traitement le bioéthanol est à 100 °GL. On distille alors pour recueillir l’alcool

absolu. La richesse de la chaux a une grande importance. On peut obtenir une déshydratation

rapide en opérant sous pression donc à température plus élevée. Mais la perte d’alcool par

formation d’alcoolate dépasse 5 %. On peut la récupérer par addition d’eau ou distillation sous

vide.

Corps solides agissant sur les vapeurs : dans ce cas on propose de faire passer

les vapeurs alcooliques à travers des corps solides avides d’eau pour déshydrater. HUGUENET,

dès 1824 a préconisé le passage des vapeurs alcooliques sur des couches de chaux vive ;

DEININGER (1881) a utilisé le chlorure de calcium et le charbon de bois : la solution de

chlorure est concentrée, et le sel régénéré par fusion. Le procédé Loriette (1921) utilise la chaux

vive. L’alcool à 96 ° vaporisé au préalable traverse une colonne de chaux vive et sort à 99 °

7 GL-100 °GL, alors que la chaux éteinte par absorption de l’eau est évacuée à la base de

l’appareil. La dépense est de 21 kg de chaux vive par hectolitre d’alcool. D’après PATARD, on

dépense 86 kg de vapeur par hectolitre, car il faut redistiller l’alcool pour éliminer la chaux

entraînée [45].

Nous avons vu dernièrement que pour avoir du bioéthanol, nous devrions suivre un

procédé à plusieurs étapes, et certaines étapes sont plus complexes que d’autres. Dans le

chapitre suivant, nous tentons de mettre en pratique ce procédé de fabrication de bioéthanol.




Partie II : ÉTUDES

EXPÉRIMENTALES

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Chapitre V :

MIS EN PRATIQUE DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DE BIOÉTHANOL

À L’ÉCHELLE LABORATOIRE

V.1 MATIERES PREMIERES

Nous avons vu que les matières premières souvent utilisées pour produire du bioéthanol

de première génération ont eu d’inconvénient à cause de leur concurrence à utilité alimentaire,

comme le cas du blé, de la betterave, du tubercule de manioc, et du maïs…

C’est la première raison qui nous a guidés à choisir une matière première qui ne touche

pas directement la réserve alimentaire. La seconde raison, c’est que la matière première choisie

devrait être abondante chez nous, pendant une saison considérable.

Après avoir tenu compte de ces paramètres, nous avions décidé d’utiliser comme

matière première dans notre expérience les déchets fruitiers. La transformation de ces déchets

de fruits en bioéthanol n’affecte pas directement l’approvisionnement alimentaire, et à

Madagascar, les fruits sont un peu abondants pendant une longue saison de l’année. Dans notre

cas, nous utilisons des déchets d’ananas (sur la Figure n° 11) rejetés au marchand des fruits.

Figure n° 11: Matières premières utilisées

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Figure n° 12 : Procédé de fabrication de bioéthanol avec des déchets d’ananas

V.1.1 Matériels

Tout aux longs du processus, nous allions utiliser les matériels suivants :

Récipient 15 l ;

Marteau ;

Eau ;

Levure ;

Carton ;

Sciure et copeau de bois ;

Chauffe ballon ;

Ballon de 200 ml ;

Colonne Vigreux ;

Réfrigérant à eau froide contre-courant ;

Ampoule de récupération.

BROYAGE ET

DILUTION Prétraitement

FERMENTATION À

L’ABRI DE L’AIR Fermentation

DISTILLATION SIMPLE Distillation

RÉCUPÉRATION ET

STOCKAGE DES DÉCHETS

BIOÉTHANOL

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V.2 PRETRAITEMENT

Après la récupération des déchets, tout d’abord, nous les nettoyions pour éliminer toutes

impuretés qui les entourent :

Le broyage : il faut broyer les pulpes pour faciliter l’extraction du jus. Dans notre

situation nous l’avons fait manuellement avec un couteau et un marteau. Nous pouvons le faire

avec cet outil, car nous ne sommes encore qu’à une échelle laboratoire, donc la quantité de la

matière première est moyennement faible. Mais si on envisage de refaire à une échelle plus

grande, il faut adapter un broyeur apte à nos besoins. Il y a aussi une autre technique, mais elle

demande du temps : stocker les déchets dans un récipient pendant un ou 2 jours maximum, puis

on l’écrase facilement avec un bâton ou quelque chose adaptable pour l’écrasement.

Dilution : on ajoute de l’eau, car la solution obtenue après broyage est très visqueuse, le

but c’est d’extraire les solutions de jus fermentescible.

Figure n° 13 : Déchets d’ananas après broyage

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V.3 FERMENTATION

Après ces prétraitements, nous avons obtenus un jus sucré fermentescible avec des

débris de déchets dedans. Auquel nous allons ajouter des levures pour déclencher la

fermentation. Une fois le récipient fermé pour que la solution soit à l’abri de l’air, puis celui-ci

est mis dans un endroit isotherme à une température régulière qui est entre 25 °C à 30 °C le

plus souvent possibles. Dans notre cas, nous avons mis dans un carton et le remplir par des

coupons de bois. Le temps de fermentation est de 6 jours.

Figure n° 14 : Réalisation de fermentation

Le tuyau fixé sur le couvercle est relié à un barboteur pour suivre le dégagement de

CO2. Le barboteur est une solution de chaux dans un récipient.

VI.3.1 Dosage de l’alcool dans le moût

L’alcool dans le moût est mesuré directement avec l’aide d’un alcoomètre.

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V.4 DISTILLATION

Le moût alcoolisé obtenu est distillé afin d’extraire le bioéthanol. La température de

distillation est de l’ordre de 78 °C. La distillation est effectuée dans un montage classique

comportant :

Chauffe-ballon ;

Ballon ;

Colonne Vigreux ;

Réfrigérant à eau froid ;

Ampoule de récupération de distillat.

La distillation a duré cinq heures et nous avions obtenu de bioéthanol.

Figure n° 15: Distillation simple du moût alcoolisé

Vu la fin de notre expérience, nous pouvons conclure qu’il est bien possible de produire

de bioéthanol de première génération grâce aux déchets d’ananas. Dans le chapitre suivant,

nous nous focaliserions sur les caractéristiques de bioéthanol accessibles à Madagascar.

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Chapitre VI :

ANALYSE DES ÉCHANTILLONS DE BIOÉTHANOL

Nous avons déjà vu sur l’une des chapitres précédents que la plupart de la production

des éthanols à Madagascar est faite dans un but d’utilisation en tant que combustibles.

Les échantillons que nous avions sont :

Bioéthanol combustible ;

Le rhum « Toaka Gasy » ;

Le produit de l’expérience de production de bioéthanol par des déchets d’ananas.

Tableau n° 5 : Notation des échantillons

Les analyses à faire sont les suivantes :

- Densité ;

- Viscosité (cinématique) ;

- Point d’éclair à coupelle fermer ;

- Point inflammation ;

- Alcoométrie.

VI.1 DENSITE

VI.1.1 Définition

C’est le rapport qui existe entre la masse volumique d’un corps et la masse volumique

de la référence ; eau pour le corps solide et liquide, et air pour les corps gazeux dans les mêmes

conditions de température et de pression.

VI.1.2 Formules

VI.1.3 Matériels

Par pycnomètre (à calculer) :

Balance de précision KERN ;

Pycnomètre 25 ml ;

Bioéthanol combustible Ec1

Le « Toaka Gasy » Ec2

Bioéthanol obtenu par des déchets d’ananas Ec3

𝑑 =𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒 𝑙′é𝑐ℎ𝑎𝑛𝑡𝑖𝑙𝑙𝑜𝑛

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒 𝑙′𝑒𝑎𝑢

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Thermomètre 0 à 250 °C ;

Plaque chauffante ;

Compresseur ;

Chamoisine ;

Bécher 100 ml.

Par aéromètre (à lecture direct) :

Éprouvette gradué (250 ml) ;

Aéromètre.

VI.2 VISCOSITE (cinématique) A 40 °C

VI.2.1 Définition

C’est la capacité de rétention des particules du fluide et quantifie sa capacité à

s’épancher.

VI.2.2 Formule

η = Coeff x Temps

VI.2.3 Matériels

Viscosimètre mono calibrage, série 200 (Cannon Fenski) ;

Coef (à 40°C) = 0,12570 ;

Bain thermostatique (huile de Silicone 200-10) ;

Chronomètre ;

Plaque chauffante ;

Thermomètre 0 à 250 °C ;

Bécher 100ml.

VI.3 POINT D’ECLAIR ET POINT D’AUTO INFLAMMATION

VI.3.1 Définitions :

C’est la température la plus basse à laquelle un corps combustible émet suffisamment

de vapeur pour former, avec l’air ambiant, un mélange gazeux qui s’enflamme sous l’effet d’une

source d’énergie calorifique telle qu’une flamme pilote. Pour le point d’éclair, la combustion

est rapide et ne s’entretienne pas d’elle-même, mais pour le point d’inflammation, elle

s’entretienne.

VI.3.2 Matériels :

Bécher ;

Vase clos Pensky Martens ;

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Thermomètre de 0 à 250 °C ;

Gaz butane ;

Allumette.

VI.4 ALCOOMETRIE

VI.4.1 Définition

Méthodes et procédés permettant de mesurer la richesse en alcool d’un liquide.

VI.4.2 Matériels

Alcoomètre ;

Bécher ;

Tube à essai.

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Chapitre VII :

RECTIFICATION ET TRAITEMENT DE L’ALCOOL PAR LA CHAUX

VIVE POUR AVOIR DU BIOÉTHANOL PUR

VII.1 RECTIFICATION

La quantité d’alcool obtenue par les déchets d’ananas obtenus avec notre expérience est

insuffisante pour la continuité de notre expérience. C’est pourquoi on a fait la pratique de la

redistillation et de la rectification à partir de « Toaka gasy » titrant 50 °GL.

Le but c’est d’avoir un alcool titrant 95 °GL environ, la technique appliquée est la même

que celle de la rectification que nous avions vue dans le chapitre précèdent.

VII.2 TRAITEMENT PAR CHAUX VIVE POUR AVOIR DU BIOETHANOL

PUR

Pour avoir du bioéthanol pur, une technique de déshydratation s’impose, ça consiste à

enlever l’eau restante du mélange (alcool + eau) pour obtenir un alcool anhydre, ici nous avons

appliqué la méthode de Berthelot, c’est-à-dire la déshydratation par voie chimique en utilisant

comme absorbant la chaux vive CaO.

VII.2.1 Mode opératoire d’activation de la chaux éteinte (Chaux grasse)

Séchage à l’air libre pendant une demi-journée ;

Activation à 900 °C pendant 3 heures ;

Broyage et tamisage.

VII.2.2 Principe

La chaux vive ou oxyde de calcium CaO réagit avec l’eau pour former Ca(OH)2 et ne

réagit pas avec le bioéthanol. L’oxyde de calcium et le dihydroxyde de calcium sont insolubles

dans le bioéthanol, alors nous pourrions les séparer facilement.

VIII.2.3 Calcul théorique de la quantité de la chaux

Soit : un alcool de x degrés

Soit un alcool à déshydrater de volume V en mL et à x degrés,

Soit y la quantité de l’eau contenue en mL dans cet alcool,

(C2H5OH + H2O) + 2CaO C2H5OH + Ca(OH)2 + CaO

CaO + H2O Ca (OH) 2

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𝑦 =V . (100 − 𝑥)mL

100

Calcul de la quantité de chaux théorique pour éliminer la quantité (y) de H2O

Il faut 56 g de CaO pour éliminer 18 mL d’H2O

Si T est la quantité de chaux théoriques pour éliminer un volume y d’H2O, T en g

T =56 𝑦

18

Si la chaux n’est pas pure, on considère qu’il y une pureté de p%

T′ =T . 100

𝑝

VII.2.4 Matériels

Récipient hermétique ;

Chauffe-ballon ;

Ballon ;

Colonne Vigreux ;

Réfrigérant à eau froid.

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Chapitre VIII :

ESSAIS D’UTILISATION DU BIOÉTHANOL PUR COMME CARBURANT

Les biocarburants contenant de bioéthanol visibles sur le marché européen sont les

suivants :

SP95 : Contiens jusqu’à 5 % (en volume) du bioéthanol. Il est adapté à tous les

véhicules essence (excepté ceux conçus pour fonctionner à l’essence « plombée »).

SP98 : Contient 5 % maximum du bioéthanol. Il est destiné aux véhicules

anciens conçus pour l’essence plombée.

SP95-E10 : SP95 dans lequel le taux du bioéthanol est augmenté : il peut

atteindre 10 %. Il peut être utilisé sur la majorité du parc immatriculé à partir de 2000.

E85 : Ou « Superéthanol », contiens 60 à 85 % du bioéthanol. Il est réservé aux

véhicules FlexFuel, dont le moteur fonctionne soit avec de l’essence pure, soit avec un mélange

de 0 à 85 % du bioéthanol.

VIII.1 PRINCIPE

Nous allons tenter de mélanger le bioéthanol à l’essence, avec de différentes proportions

pour trouver la limite de proportion idéale tout en respectant la norme internationale.

VIII.2 MATERIELS

- Bécher ;

- Agitateur magnétique ;

VIII.3 METHODE

- Mettre de l’essence (aux quantités voulues) dans le bécher ;

- Diluer l’essence par du bioéthanol (en précisant bien la proportion) ;

- Agiter avec l’agitateur magnétique.

Tableau n° 6 : Proportions des mélanges Bioéthanol-Essence

Bioéthanol pur Essence Notation du mélange

05 % 95 % E5

10 % 90 % E10

15 % 85 % E15

100 % 0 % Bp

0 % 100 % Ep

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VIII.4 ANALYSE A EFFECTUER SUR L’ESSENCE ET SUR LE MELANGE

BIOETHANOL-ESSENCE

- Densité ;

- Viscosité (cinématique) ;

- Point d’éclair à coupelle fermer ;

- Point inflammation.

Les méthodes, les matériels, et les principes sont les mêmes que ceux des analyses

précédentes.

VIII.5 ESSAIE D’UTILISATION DU BIOETHANOL SUR UN GROUPE

ELECTROGENE

Les caractéristiques du groupe électrogène utilisé pour les essais sont les suivants :

Puissance : ≃ 950 W ;

Tension : 220 - 240 V.

Nous avons réalisé deux essais :

- Premier essai : vérification du fonctionnement du groupe avec les biocarburants ;

- Deuxième essai : détermination de la consommation de biocarburant du groupe.

Les modes opératoires adaptés pendant le premier test sont les suivants :

- Installer un branchement d’appareillage qui a besoin de puissance d’au moins

5OOW, dans notre cas nous avions utilisé une ampli-baffle de 750W ;

- Mettre 250 ml d’essence pur dans le réservoir du groupe électrogène ;

- Vérifier la puissance et la tension du groupe ;

- Mettre respectivement 250mL de mélange bioéthanol-essence E5, E10, E15 dans

le réservoir du générateur et vérifier bien les caractéristiques impliquées (Tension et puissance).

Pour le deuxième essai, les modes opératoires sont le suivant :

- Garder l’installation du premier essai ;

- Relier le réservoir à un récipient de volume d’environ 250mL à l’aide d’un tuyau,

brancher les directement au carburateur du générateur ;

- Mettre 62,5mL d’essence dans le récipient ;

- Chronométrer le temps de fonctionnement du groupe jusqu’à ce que l’essence

dans le réservoir soit épuiser ;

- Mettre les bioéthanol-essence dans le récipient et chronométrer respectivement

les temps de fonctionnement du groupe, selon la proportion du mélange.

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Figure n° 16 : Déroulement des essais sur le groupe électrogène

Nous avons vu les techniques pour avoir du bioéthanol, les caractéristiques de

bioéthanol qui existent à Madagascar, et la valorisation de ce bioéthanol en le rectifiant puis en

le traitant pour avoir du bioéthanol pur avant de le mélanger à l’essence pour enfin d’obtenir du

biocarburant utilisable. Nous allons voir dans la partie suivante les résultats obtenus tout au

long de notre expérience.

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Chapitre IX :

RÉSULTATS DISCUSSIONS

IX.1 ÉTUDE DE LA PRODUCTION D’ETHANOL A PARTIR DES DECHETS

D’ANANAS

IX.1.1 Résultats

Tableau n° 7 : Résultats de l’expérience de production de bioéthanol

Quantité des matières premières collectées 07 Kg

Jus extraits (après prétraitement) 04 L

°GL de moût alcoolisé (après fermentation) 10,5°GL

Vinasse restant dans le ballon (après distillation) 3,3 L

Bioéthanol obtenu (après distillation) 0,5 L

IX.1.2 Interprétations

Selon ces résultats, on peut dire que les déchets d’ananas pourraient être utilisés comme

des matières premières pour la production de bioéthanol.

Les matières premières que nous avons choisies sont faciles à trouver et moyennement

manipulables pendant le prétraitement.

Nous avons obtenu suffisamment de jus fermentescible après l’extraction dans la phase

de prétraitement.

La phase de fermentation était difficile à réaliser à cause de la température de la saison

un peu basse et l’insuffisance de matériels convenable à la situation, alors nous nous adaptions

à la circonstance.

IX.1.3 Rendement de la transformation du déchet d’ananas à l’alcool

Notre procédé de fabrication comporte une suite « i » opération ayant chacune un

rendement Ri, le rendement global RG se calcule par la relation :

Les opérations qui se succèdent sont respectivement :

Passage des déchets aux jus ;

Passage des jus aux alcools.

On considèrera d = 1 (par rapport à l’eau) pour les jus de fruits.

RG = Π Ri

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IX.1.3.1 Rendement du passage des déchets aux jus

On a utilisé une masse totale des déchets d’ananas de 7 kg et ayant obtenu une masse de

jus de 4 kg soit un rendement RF-J = 57 %.

IX.1.3.2 Rendement du passage des jus aux alcools

La distillation de 4 kg de jus a permis d’obtenir 0,5 L d’alcool soit 0,4 kg d’alcool d’où

un rendement massique : RD = 10 %

IX.1.3.3 Rendement global du passage du déchet d’ananas à l’alcool :

RG = RF-J x RD

RG = 0,57 x 0,10 = 0,057 soit 5,7 %

NB : à préciser que le distillat obtenu n’est pas encore un alcool absolu alors ce

rendement est le rendement des distillats obtenus après distillation du jus de fruit.

On peut exprimer le rendement en % en volume ou % en masse. Cette dernière unité est

préférable car la masse est une donnée physique indépendante des variables d’état pression et

température. On considèrera d = 1 (par rapport à l’eau) pour les jus de fruits.

IX.2 LES CARACTERISTIQUES DES ECHANTILLONS DE BIOETHANOL

UTILISES DANS LE CADRE DE CE TRAVAIL

IX.2.1 Résultats des analyses

Tableau n° 8 : Détermination de la densité

Ec1 0,775

Ec2 0,780

Ec3 0,760

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Figure n° 17 : Densité des échantillons

Vue la Figure n° 17, nos échantillons ont des densités différentes à celle de l’éthanols

pur, cela est dû à une partie d’eau restant dans ces échantillons. Les densités sont presque égales

à celle qui est dans la référence de la norme internationale.

Tableau n° 9 : Détermination de la viscosité

Ec1 1,7598cSt

Ec2 1,8855cSt

Ec3 1,6341cSt

Figure n° 18 : Viscosité des échantillons

Nos échantillons sont tous plus visqueux que l’éthanol pur, mais la différence de

viscosité est assez faible. L’échantillon Ec2 est le plus visqueux parmi les trois échantillons.

0,745

0,75

0,755

0,76

0,765

0,77

0,775

0,78

0,785

0,79

0,795

Ec1 Ec2 Ec3 Ep

Densité

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

Ec1 Ec2 Ec3 Ep

Viscosité

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Même si nos échantillons sont obtenus à partir des matières premières différentes (y compris

les ferments), viscosités sont presque égales ou proches de celle qui est dans la référence de la

norme internationale.

Tableau n° 10 : Détermination des points d’éclairs

Ec1 18°C

Ec2 24,8°C

Ec3 19°C

Figure n° 19 : Point d’éclair des échantillons

Nous constatons que les points d’éclairs de nos échantillons suivent bien la norme

internationale, ils sont tous supérieur à celle de l’éthanol pur à cause du différent degré

alcoolique.

Tableau n° 11 : Détermination des points d’auto inflammations

Ec1 375°C

Ec2 392°C

Ec3 377°C

0

5

10

15

20

25

30

Ec1 Ec2 Ec3 Ep

Point d'éclair

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Figure n° 20 : Point d’auto inflammation des échantillons

Les point d’auto inflammation de nos échantillons sont dans l’intervalle de la norme

internationale.

Tableau n° 12 : Détermination des alcoométries

Ec1 92°GL

Ec2 50°GL

Ec3 80°GL

Il y a des différences sur les degrés alcooliques des échantillons, elle peut être due aux

matières premières utilisées, les ferments utilisés pendant la fermentation, les matériels utilisés

pour la distillation, et le mode de conservation de bioéthanol.

L’échantillon qui a le degré alcoolique le plus fort a le point d’éclair et le point d’auto

inflammation les plus faibles, ce qui implique qu’il est le plus facilement inflammable.

Ec1 : Bioéthanol combustible

Ec2 : « Toaka Gasy »

Ec3 : Bioéthanol obtenu par des déchets d’ananas

Voici la norme internationale pour les caractéristiques de bioéthanol :

Densité : 0,780 (bioéthanol absolu) ;

Viscosité (à 20°C) : 1,5cSt ;

Point d’éclair : 21°C pour l’éthanol 70°GL, 17°C pour l’éthanol 95°GL, et 13°C

pour l’éthanol pur ;

365

370

375

380

385

390

395

Ec1 Ec2 Ec3

Point d'auto inflammation

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Point d’auto inflammation : 370°C à 425°C.

IX.3 RECTIFICATIONS ET TRAITEMENT DE L’ALCOOL PAR LA CHAUX

VIVE

IX.3.1 Résultats

Tableau n° 13 : Résultats de la rectification

Volume initial

(ml)

°GL d’alcool

initial

Volume final

(ml)

°GL d’alcool final

1er

rectification

7000 50°GL 2996 89°GL

2nd

rectification

2996 89°GL 2350 97°GL

Tableau n° 14 : Résultats obtenus après traitement du bioéthanol par chaux

Quantité de bioéthanol utilisé 2350 mL

Quantité de chaux vive utilisée 300 g

°GL d’alcool initial 97°GL

Quantité de bioéthanol pur récupéré 2105 mL

°GL d’alcool final 99,6°GL

IX.3.2 Discussions

IX.3.2.1 Rectification du « Toaka Gasy »

Le résultat de la rectification nous montre qu’il y a une perte d’alcool considérable

pendant le processus. Le résidu restant dans le bouilleur contient encore un faible taux d’alcool.

La séparation d’eau-éthanol par distillation simple est bloquée par le phénomène d’azéotrope.

IX.3.2.2 Traitement par la chaux vive

Le traitement est efficace pour obtenir de l’alcool pur mais nous remarquons aussi une

perte d’alcool pendant le traitement par la chaux qui est due à l’emprisonnement de l’alcool par

la chaux (formation de l’éthanoate de calcium).

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IX.3.2.3 Rendements

a) Cas de passage de « Toaka Gasy » vers l’alcool pur

Les opérations qui se suivent sont :

Passage du « Toaka Gasy » 50° GL à des alcools 89° GL obtenus par la première

distillation ;

Redistillation des alcools 89 °GL pour avoir des alcools 97° GL ;

Déshydratation des alcools 97 °GL pour avoir des alcools purs.

b) Rendement du passage du « Toaka Gasy » à des alcools 85 °GL

La distillation de 7000mL de « Toaka Gasy » titrant 50 °GL a permis d’obtenir 2996mL

d’alcool 89 °GL d’où le rendement volumique : RD1 = 43 %.

c) Rendement de la redistillation

Nous avons 2996mL d’alcool 89 °GL à redistiller, nous avons obtenu 2350mL d’alcool

97 °GL, alors le rendement RD2= 78 %.

d) Rendement de la déshydratation

Nous avons 2350mL d’alcool 97°GL à déshydrater, et nous avons obtenu 2105ml

d’alcool pur, d’où le rendement RDH = 90 %.

e) Rendement global du passage de « Toaka Gasy » vers l’alcool pur

RG = RD1 x RD2 x RDH

RG = 0,43 x 0,78 x 0,90 = 0,30186 soit 30,186 %

IX.4 LES CARACTERISTIQUES DE L’ESSENCE, BIOETHANOL PUR, ET

LES MELANGES BIOETHANOL-ESSENCE

IX.4.1 Résultats

Tableau n° 15 : Densité des carburants utilisés dans le cadre de ce travail

Bp 0,792

Ep 0,760

E5 0,765

E10 0,767

E15 0,770

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Figure n° 21 : Densité des mélanges de carburant

La densité de notre bioéthanol pur et de l’essence respecte les normes internationales.

Celle des E5, E10, et E15 sont aussi dans l’intervalle de la norme internationale et elles respectent

aussi la norme qui est imposé par l’OMH, sur les caractéristiques des carburants (essence)

utilisable à Madagascar.

Tableau n° 16 : Viscosité des carburants utilisés dans le cadre de ce travail

Bp 1,5084 cSt

Ep 1,2578 cSt

E5 1,3198 cSt

E10 1,3827 cSt

E15 1,4455 cSt

Figure n° 22 : Viscosités des carburants

0,74

0,75

0,76

0,77

0,78

0,79

0,8

Bp Ep E5 E10 E15

Densité

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

1,45

1,5

1,55

Bp Ep E5 E10 E15

Viscosité

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Plus le taux de bioéthanol dans le mélange augmente, plus le carburant devient de plus

en plus visqueux. Les viscosités de notre carburant sont encore dans l’intervalle des normes que

ce soit national ou international.

Tableau n° 17 : Point d’éclair des carburants utilisés dans le cadre de ce travail

Bp 12°C

Ep -38°C

E5 -35°C

E10 -30°C

E15 -26°C

Figure n° 23 : Points d’éclairs des carburant

Vue la Figure n° 23, nous concluons que le carburant devient moins inflammable quand

nous augmentons les quantités de bioéthanol dans le mélange. Mais nos mélanges suivent

encore la norme imposée par l’OMH et la norme internationale.

Tableau n° 18 : Point d’auto inflammation des carburants utilisés dans le cadre de ce

travail

Bp 370°C

Ep 304°C

E5 312°C

E10 318°C

E15 323°C

12

-38-35

-30-26

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Bp Ep E5 E10 E15

Point d'éclair

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Figure n° 24 : Point d’auto inflammation des mélange

Les points d’éclairs et les points d’auto inflammations des E5, E10, E15 sont suffisamment

proche de celle de l’essence, cela veut dire que les mélanges ont les valeurs de points d’éclairs

et d’auto inflammations nécessaire pour le fonctionnement direct dans les moteurs à essence.

À Madagascar, d’après l’arrêté n° 9894/95 du 30 novembre 1995, le carburant des

moteurs à essence devrait répondre aux spécifications suivantes :

Couleur : jaune pâle ;

Densité (à 15°C) : 0,720 à 0,770 ;

Viscosité (à 40°C) : 1,2cSt à 1,7cSt ;

Point d’éclair : -38°C ;

Point d’auto inflammation : 300°C à 450°C ;

Indice d’octane : 95 à 98.

À préciser que le carburant ne peut être mélangé à d’autre produit (ou additifs destiner

à améliorer la qualité) qu’avec l’agrément du ministère charger de l’énergie.

Tableau n° 19 : Résultats du premier essai sur le groupe électrogène

Ep E5 E10 E15

Puissance Les appareilles branchés fonctionne normalement, ainsi, nous supposons

que le générateur fournit une puissance d’au moins 750 W

Tension 220 V 220V 220 V 220 V

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Bp Ep E5 E10 E15

point d'auto inflammation

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Tableau n° 20 : Résultats du deuxième essai sur le groupe électrogène

Ep E5 E10 E15

Temps de

fonctionnement

10 min 05 s 09 min 45 s 09 min 20 s 08 min 58 s

Peu importe le carburant utilisé, que ce soit de : essence pure, E5, E10, ou E15, la

puissance et la tension produites par le groupe sont dans les normes prescrites par le fabriquant.

Concernant la consommation, elle est inversement proportionnelle au temps de

fonctionnement du groupe, nous avons constaté un petit écart. Nous avons remarqué que plus

la proportion du bioéthanol dans le mélange Bioéthanol-Essence augmente, plus le temps de

fonctionnement du générateur diminue, c’est-à-dire que la consommation augmente.

Les surconsommations de biocarburant par rapport à l’essence pendant le deuxième test

sont :

E5 : 3,42% ;

E10 : 8,04% ;

E15 : 12,45%.

IX.5 COMPARAISON DE NOS RESULTATS PAR RAPPORT AUX ETUDES

ANTERIEURES

Des études sont déjà faites sur la fabrication de bioéthanol à Madagascar, Nous allons

prendre les résultats de quelques une pour comparer par rapport aux résultats que nous avons

obtenus.

En 2008, une étude pour l’obtention du diplôme d’étude approfondie en Chimie

appliquée à l’industrie et à l’environnement, au département de Génie Chimique, à l’ESPA,

intitulé : « Valorisation des déchets de fruits en biocarburant de seconde génération » réalisé

par FANJANIRINA Tafitasoa. Voici quelque comparaison par rapport aux résultats de nos

deux études.

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Tableau n° 21 : Comparaison des résultats lors de l’essai d’obtention de bioéthanol avec les

déchets d’ananas

Résultats en 2008 Nos résultats

Masse du déchet d’ananas (kg) 16 07

Volume du jus obtenu (L) 10 04

Rendement du passage de déchet en jus 62% 57 %.

Volume total de l’alcool obtenu (L) 1,5 0,5

°GL d’alcool final 75 80

Rendement du passage de jus en éthanol 11,25% 10%

Nous constatons alors que notre rendement est faible par rapport à celle qui a été effectué

en 2008, nous devons faire une augmentation de rendement que ce soit au niveau du passage

du déchet en jus, ou encore sur le passage de jus en éthanol.

Par contre au niveau °GL d’alcool final, nous avons obtenu le meilleur résultat.

Une autre étude concernant la fabrication de bioéthanol à Madagascar a été faite à

l’ESPA, au département de Génie Chimique, pour l’obtention de diplôme d’ingénieur. Cette

étude intitulée : « Contribution à l’étude de production de l’éthanol absolus en vue de son

utilisation comme biocarburant », était réalisé par RASOLONJATOVO Ando johary. Nous

allons faire aussi une comparaison des résultats.

Tableau n° 22 : Comparaison des résultats lors de la rectification de « Toaka Gasy »


Volume initial (ml) 500 7000

° GL d’alcool initial 35 50

Volume final (ml) 175 2350

°GL d’alcool final 96 97

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Tableau n° 23 : Comparaison des résultats lors de la déshydratation par chaux vive


Volume initial (ml) 1500 2350

° GL d’alcool initial 96 97

Volume final (ml) 1105 2105

°GL d’alcool final 99,7 99,6

Rendement 78,97% 90%

Nous avons vue alors que le passage de « Toaka Gasy » vers un bioéthanol pur est

rentable dans les deux résultats.

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IX.6 RECOMMANDATIONS

Pour augmenter le rendement de la production de bioéthanol avec les déchets d’ananas,

nous suggérons une amélioration du rendement d’extraction de jus en utilisant une presse

adaptée à la caractéristique de la matière première et de bien contrôler l’évolution du moût

pendant l’étape de la fermentation, par exemple : la température, le taux de sucre, le taux

d’alcools, le pH (acidité), les conditions de survie des levures, la vitesse de fonctionnement des

levures (en transformant les sucres en alcool) … Au niveau de la distillation, il faut utiliser un

distillateur spécifié (longueur et diamètre de colonne précis, condenseur tubulaire à contre-

courant …)

Pour la transformation du « Toaka Gasy » à l’alcool pur, la recommandation au niveau

de la redistillation est de même que celle de la distillation du moût alcoolisé obtenu à partir des

déchets d’ananas, c’est-à-dire, concevoir un distillateur adapté au besoin. Pour le traitement par

la chaux vive, pour éviter la formation d’alcoolate de calcium, nous suggérons de faire passer

les alcools en phase vapeur sur une couche de chaux vive à une température sur laquelle il n’y

a aucune condensation.

Les recommandations sur les biocarburants constitués par le mélange Bioéthanol-

Essence sont les suivants :

Utiliser de bioéthanol titrant au moins 99,5°GL pour éviter la dissociation entre

le mélange bioéthanol-essence en présence de quantité d’eau considérable.

Conserver le biocarburant dans un réservoir bien hermétique, et le conserver

dans un endroit convenable.

Si vous envisagez d’utiliser un biocarburant qui a une teneur en bioéthanol

supérieur à 15% dans des moteurs à essence standards, il faut installer un Kit spécial (exemple :

kit Automatique ARTECOLOGIE, Kit E85 Eco-system V3, …) pour éviter des dommages

potentiels sur les moteurs.




Partie III : ÉVALUATION

TECHNIQUE DU PROJET ET

ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX

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Chapitre X :

ÉVALUATION SOMMAIRE DU PROJET

X.1 SITUATION GEOGRAPHIQUE

X.1.1 Objectif du projet

Nos objectifs majeurs pour ce projet sont les suivants :

Valoriser les productions de biocarburant à Madagascar

Promouvoir le biocarburant qu’on pourra obtenir à partir des déchets de fruits.

Normaliser la production du bioéthanol afin qu’il puisse être commercialisé.

X.1.2 Matières premières

Nous choisissons comme matière première les déchets des fruits (selon la saison

d’abondance) puisque les déchets des fruits n’ont jusqu’à maintenant aucune utilité précise, et

pour que la concurrence alimentaire sur le choix de matière première soit mise à l’écart. Notre

choix est aussi justifié par l’abondance des déchets des fruits dans certaines régions, dans notre

cas c’est la ville d’Antananarivo. Il y a les déchets provenant des grossistes et des revendeurs

des fruits, et il y a aussi des déchets considérables provenant dans les usines qui fabriquent en

grande quantité des produits fruitiers (comme les jus de fruits, les confitures…). Comme

SOFITRANS Ivato, ils ont environ 10 Tonne de déchet de fruit par ans, il y a aussi le marché

de fruit d’Anosibe, Anosikely, Andravoahangy, Namontana.

X.1.3 Critères de choix du site

Le site doit répondre aux besoins de l’installation c’est-à-dire :

Besoin en matières premières : la source de matières premières doit se trouver

près du site d’exploitation pour éviter le risque d’augmentation du coût de production par le

transport.

Besoin en eau : Dans toute installation industrielle, l’eau est un élément vital

pour le bon déroulement de tous les procédés mis en œuvre. Ainsi, l’usine ne doit pas être trop

éloignée d’une source d’eau (lac, rivière ou fleuve…).

Voies d’accès : pour faciliter l’écoulement des produits, le site doit se trouver

dans une zone à accès facile. L’accessibilité du site peut se faire soit par voie routière, soit par

voie ferroviaire, soit par voie maritime.

X.1.4 Délimitation du site

Suite à ces conditions citées ci-dessus, nous avons choisi comme zone d’installation du

site la Région d’Itasy, à Ambatomirahavavy.

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Ceci pourrait être expliqué comme suit :

Proche de la ville d’Antananarivo, qui est la ville de récupération des déchets ;

Sources d’eau : quelques rivières ;

La Région est à accessible par voie routière (RN1) et elle est à proximité de la

ville d’Antananarivo pour l’écoulement du produit (bioéthanol).

X.2 ÉVALUATION DU MARCHE

Cette étape est vitale pour un lancement de projet. Pour notre cas, le bioéthanol obtenu

sera utilisé comme biocarburant.

Les chiffres, que nous allons avancer dans cette étude sont données à titre purement

indicatif.

X.2.1 Enjeu de l’utilisation du bioéthanol

Dans le cas de Madagascar qui importe des carburants fossiles, l’utilisation du

bioéthanol procure des atouts favorables :

Réduire les importations des produits pétroliers (essences), donc amélioration de

l’indépendance énergétique de Madagascar ;

Impact environnemental positif à cause de la réduction des émissions des gaz à

effet de serre.

Valorisation des déchets des fruits.

X.2.2 Consommation d’essence à Madagascar

Il est nécessaire de faire l’évaluation de la quantité d’essence consommée à Madagascar

parce que le bioéthanol que nous allons produire seront utilisés comme additif des essences.

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Tableau n° 24 : Évolution de la consommation de carburant à Madagascar

Période

Consommation des carburants fossiles (en m3)

Super carburant Gasoil Pétrole lampant Total

Décembre 2013 11 535 42 103 2 438 68 917

Juin 2014 10 461 43 333 2 858 71 578

Décembre 2014 12 350 48 582 2 742 76 645

Mars 2015 9 753 37 693 2 496 62 131

Juillet 2015 11 407 50 775 2 913 78 905

Décembre 2015 12 421 55 188 2 681 82 735

Avril 2016 11 088 48 162 2 779 73 457

Septembre 2016 12 045 56 228 2 445 83 885

Décembre 2016 13 599 59 813 2 476 90 697

Mars 2017 11 628 52 133 2 289 66 050

Août 2017 13 210 56 577 2 578 72 365

Janvier 2018 12 245 41 009 2 161 55 415

Mais 2018 13 273 52 407 2 472 68 152

Aout 2018 14 305 56 230 2 570 73 105

Source : OMH

La consommation moyenne mensuelle des carburants du décembre 2013 jusqu’en Aout

2018 est égale à 73 146 m3.

La figure n° 13 nous montre le pourcentage de consommation de super carburant, gasoil,

et pétrole lampant :

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Figure n° 25 : Consommation des carburants

Vu la figure n°13, 19 % des carburants consommés sont de l’essence, c’est environ

13 897,74 m3 ; alors que nous pourrions diminuer cette consommation de 5 % à 15 % en

ajoutant du bioéthanol dans l’essence selon le besoin du moteur. Si nous prenons en exemple

un ajout de 10 % de bioéthanol dans l’essence, la consommation va être diminuée à

12 507,966 m3.

X.2.3 Prix des carburants

Le prix du pétrole n’a pas cessé d’augmenter depuis quelques années, ceci est causé par

l’épuisement des puits de pétrole. À Madagascar le prix à la pompe varie sensiblement avec le

cours mondial du pétrole brut selon la figure n° 19 :

Figure n° 26 : Prix des carburants en Ariary

19%

77%

4%

Consommation des carburants

Super carburant Gasoil Pétrole lampant

0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

3 500

4 000

4 500

jan

v-0

2

jan

v-0

8

no

v-1

3

juin

-14

oct

-14

jan

v-1

5

juil-

15

dé

c-1

5

avr-

16

juil-

16

oct

-16

mar

s-1

7

juin

-17

sep

t-1

7

dé

c-1

7

jan

v-1

8

févr

-18

mar

s-1

8

avr-

18

mai

-18

juin

-18

juil-

18

Ao

ut

20

18

sep

t-1

8

Prix de litre des carburants (Ariary)

Super carburant Gasoil Pétrole lampant

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La figure n° 14 nous confirme bien que les prix des carburants ne cessent plus de monter

depuis Janvier 2002 jusqu’au Septembre 2018. L’essence est aujourd’hui à 4 100 Ar/L ; alors

que le bioéthanol est estimé à maximum 3 000 Ar/L. Si nous ajoutons alors 10 % de bioéthanol

dans l’essence, ce biocarburant sera commercialisé à un prix de 3 990 Ar/L.

X.3 TECHNIQUE DE PRODUCTION

X.3.1 Présentation du procédé

La simulation de procédés que nous présentons ici n’est qu’une suggestion. Elle peut

encore être améliorée afin de concevoir, mais surtout d’optimiser les procédés de production de

bioéthanol. La modélisation démarre juste après le traitement préalable des déchets.

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Figure n° 27 : Flow-sheet,

Montage : auteur, Symbole [46]

Récupération

de CO2

Addition

d’eau

Récupération

de levures

Résidus

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« ESSAIS DE FABRICATION DE BIOÉTHANOL À MADAGASCAR »


X.3.2 Description de l’installation

X.3.2.1 Unité d’extraction de jus sucrés

Cette unité est constituée par la zone de réception des déchets, le malaxage, jusqu’au

filtre devant la cuve mère. Il comporte aussi les batteries de moulins qui permettent d’extraire

le jus sucré. Après extraction les jus sont envoyés vers une unité de filtration qui permet de

séparer les résidus.

X.3.2.2 Unités de fermentation

Elle se compose de cuves de cultures de levures pures (cuve mère), et de la cuve de

fermentation avec leur accessoire (mélangeur, dispositif de pompage, échangeur de chaleur). Il

comprend aussi l’équipement de commande des opérations et des canalisations afférentes à

l’ensemble du processus, ainsi qu’une unité de récupération du CO2.

X.3.2.3 Unités de récupération des levures

Dans cette partie se fait la récupération des levures à partir du moût fermenté, afin de

recycler une partie et de récupérer et sécher le surplus disponible. Cette section comporte deux

appareils de séparation des levures par centrifugation, des bacs de recette, des dispositifs de

pompage, des canalisations, l’équipement de commande des opérations, l’appareillage de

contrôle et une essoreuse.

X.3.2.4 Unités de distillation et de déshydratation

Elle est équipée de :

Une installation de distillation, il délivre, en pourcentage de quantités totales

produites, 80 à 85 % d’alcool entre 60 °GL à 85 GL.

Une installation de distillation à rectification pour augmenter le degré alcoolique

vers 96 °GL.

Une unité de déshydratation à chaux pour obtenir de l’alcool titrant à 99,7 °GL.

X.3.2.5 Unités supplémentaires

a- Unité de traitement des vinasses :

Cette partie regroupe la partie de l’usine comprenant le traitement des vinasses pour la

fabrication d’engrais, etc.

b- Section de traitement des eaux :

Cette unité comprend l’unité de traitement de l’eau utilisée et l’unité de traitement des

eaux résiduaires de toute l’installation.

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c- Unité de traitement de l’hydroxyde de calcium Ca (OH) 2 :

L’hydroxyde de calcium récupéré devrait être traité pour le transformer en Chaux

totalement éteinte ou encore le réactiver…

X.3.2.6 Sections de stockage des produits

C’est l’endroit où s’effectue le décompte quotidien de la production. Elle comprend les

réservoirs de réception et les réservoirs de stockage de l’alcool. Et aussi la zone de stockage des

coproduits.

X.3.2.7 Sections de production de la vapeur

C’est dans cette section qu’on effectue toute la production de la vapeur nécessaire dans

les différents endroits qui on a besoin comme l’extraction du jus ainsi que les opérations de

distillation.

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Chapitre XI :

ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX POUR LA FILIÈRE BIOÉTHANOL

XI.1 DEFINITION

XI.1.1 Environnement

L’environnement est l’ensemble des milieux naturels et artificiels dans lesquels un

organisme fonctionne. Il inclut la terre, l’air, les ressources naturelles, la faune, la flore, les êtres

humains et leur interrelation [47].

XI.1.2 Enjeux environnementaux d’un projet

Un espace, une ressource, un bien, une fonction sont porteurs d’un enjeu lorsqu’ils

présentent, pour un territoire une valeur au regard de préoccupations environnementales,

patrimoniale, culturelle, etc…, ou qu’ils conditionnent l’existence, le bon fonctionnement,

l’équilibre, le dynamisme et l’avenir de ce territoire. L’enjeu est indépendant de la nature du

projet, il se rattache au territoire. Identifier les enjeux est sur la base d’une analyse thématique

et complexe (systématique), c’est déterminer jusqu’à quel point il est envisageable de modifier,

dégrader voire supprimer les biens, les valeurs.

XI.1.3 Impact environnemental

Une étude d’impact sur l’environnement est une étude préalable à la mise en œuvre de

programmes ou de plans et à la réalisation d’équipements, qui permet d’estimer leurs effets

probables sur l’environnement.

XI.2 CHARTE DE L’ENVIRONNEMENT MALAGASY

À Madagascar, la charte qui cadre l’environnement est dictée par la loi n° 90-033 du 21

décembre 1990 modifiée par les lois n° 97-012 du 06 juin 1997 et n° 2004-015 du 19 août 2004.

Les principes fondamentaux dans la charte sont les suivants :

L’environnement constitue une préoccupation prioritaire de l’État ;

La protection et le respect de l’environnement sont d’intérêt général. Il est du

devoir de chacun de veiller à la sauvegarde du cadre dans lequel il vit.

À cet effet, toute personne physique ou morale doit être en mesure d’être informée sur

les décisions susceptibles d’exercer quelque influence sur l’environnement et ce directement ou

par l’intermédiaire de groupements ou d’associations. Elle a également la faculté de participer

à des décisions.

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XI.3 GENERALITES

Pour établir le bilan environnemental complet et exhaustif du bioéthanol, il faut prendre

en compte chaque étape de production, depuis l’obtention de la matière première (la culture de

la plante dans notre cas) jusqu’à son utilisation finale, en passant par la fabrication proprement

dite.

Si les cultures des matières premières sont produites de façons non biologiques, la

fabrication de bioéthanol a bien sûr des impacts sur l’environnement, avec ce que cela suppose

en matière de consommation d’énergie dans les engins agricoles et d’utilisation d’engrais,

d’eau, etc.

Toutefois, le bilan énergétique et environnemental du bioéthanol varie sensiblement en

fonction de :

L’espèce végétale utilisée,

Le mode de production agricole,

La région de production,

La consommation du bioéthanol,

Le mode de production industrielle.

Dans un bilan environnemental, le cycle de vie et l’Analyse de Cycle de Vie (ACV) ont

de grands rôles à jouer :

Le cycle de vie d’un produit prend en compte toutes les activités qui entrent en jeu dans

la fabrication, l’utilisation, le transport et l’élimination de ce produit. Le cycle de vie est

généralement illustré comme une série d’étapes, depuis la production (extraction et récolte des

matières premières) jusqu’à l’évacuation finale (élimination ou valorisation), en passant par la

fabrication, l’emballage, le transport, la consommation et le recyclage ou l’élimination.

L’analyse de cycle de vie est une méthode d’évaluation des impacts sur l’environnement

ayant pour objectif de réaliser le bilan environnemental d’un produit ou d’un procédé en tenant

compte de toutes les consommations d’énergie et de toutes les émissions de gaz à effet de serre

direct ou indirect.

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XI.4 CAS DE MADAGASCAR

XI.4.1 Matières premières utilisées

Les matières premières utilisées comme source de production du bioéthanol à

Madagascar sont pour le moment dominées par la canne à sucre, suivie par le manioc. Vu la

variété des végétaux à Madagascar, qui pourront être transformés aussi en bioéthanol, tôt ou

tard la filière bioéthanol va être en expansion sur toute la grande île. Mais nous devrions bien

étudier les impacts impliquant cette exploitation à grande échelle de bioéthanol pour chaque

variété de végétaux utilisés comme matière première de production.

Les matières premières qui pourraient être exploitées prochainement sont les suivants :

Bioéthanol première génération : maïs, pomme de terre, blé, betterave, déchet

fruitier, patate douce, sorgho…

Bioéthanol deuxième génération : paille de blé et de riz, tige de maïs, herbes,

taillis (à croissance rapide), peuplier, eucalyptus…

Bioéthanol troisième génération : Puisque Madagascar est une île, il pourrait

avoir de la chance d’existence des algues marines qui pourraient être utilisées comme matière

première pour produire la troisième génération du bioéthanol.

XI.4.2 Régions des productions des matières premières

Les matières premières utilisées pour la production du bioéthanol première génération

sont plus ou moins abondantes à Madagascar :

La canne à sucre : on le trouve dans presque toutes les régions de la grande île,

la production en 2017 atteint 90 000 tonnes, mais son utilisation comme matière première se

focalise à la production de sucres et de boissons alcoolisées [48].

Manioc : Sa culture est pratiquée dans toutes les régions, la production annuelle

est environ 1,5 à 2,5 millions de tonnes [49]. Peu de quantité est transformée en bioéthanol, la

plupart servent au produit alimentaire.

Maïs : La production massive de maïs de Madagascar se focalise dans les hauts-

plateaux, mais en général, on trouve les productions de maïs dans toute l’île. La production est

estimée à 400 000 tonnes/ans [50], il n’y a pas encore de projet d’exploitation du maïs en tant

que source d’énergie à Madagascar.

Pomme de terre, blé, betterave, patate douce : la production de ces matières

premières en grande échelle se trouve dans les Régions suivantes : Vakinankaratra, Itasy,

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Analamanga, Bongolava (autrement dit dans l’ex-province d’Antananarivo). Aucune

exploitation concernant la transformation en bioéthanol n’est en cours.

Déchets fruitiers : Nous avions beaucoup de fruits à Madagascar. Presque

pendant toute l’année, il y en a toujours. C’est sûr que la plupart des déchets de ces fruits sont

actuellement gaspillés inutilement, alors que nous pourrions les récupérer et les transformer en

bioéthanol et utiliser ces derniers comme source d’énergie.

NB : le problème pour ces matières premières c’est qu’elles constituent aussi une source

alimentaire pour la population.

Pour le bioéthanol deuxième génération, les matières premières sont accessibles partout

à Madagascar, elles n’attendent que des projets d’exploitation en tant que source d’énergie.

XI.4.3 Mode de production agricole des matières premières

Les cultures de matières premières utilisées pour la fabrication de bioéthanol se font

jusqu’à maintenant de manière traditionnelle à Madagascar. En général, les paysans utilisent

les bœufs pour les travaux dans les champs et ils utilisent aussi des engrais biologiques comme

les bouses. Peu de cultivateurs utilisent des engrais chimiques et des engins pour les travaux

dans les champs.

Actuellement, peu de projets se concentrent sur la production des cultures à utilité

spécifique en tant que matières premières pour la production du bioéthanol à Madagascar.

XI.4.4 Lieux de transformation de matière première en bioéthanol

Il y a que peu de distillerie (règlementé) de bioéthanol à Madagascar, elles produisent

de bioéthanol combustibles de première génération. Ces distilleries se situent à :

Ampasimpotsy Ranomafana, Brickaville,

Amboanjombe, Antananarivo

Mandaniresaka, Antsirabe

À préciser qu’il y a plusieurs distilleries artisanales (non règlementées) qui se dispersent

dans toutes les régions de la grande île, elles produisent en général le « Toaka gasy ».

Ces distilleries (qu’elles soient règlementées ou non) utilisent généralement la canne à

sucre comme matière première. Celle qui se situe à Amboanjombe a déclaré avoir déjà utilisé

aussi le manioc pour la production de bioéthanol combustible.

Vu la quantité en matière première que Madagascar pourrait transformer en bioéthanol,

l’État devrait mettre en place des projets de construction de raffinerie de bioéthanol dans

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plusieurs régions du pays pour éviter le gaspillage d’énergie (carburant) durant le transport des

matières premières vers les distilleries existantes.

XI.4.5 Consommation du bioéthanol

Pour le moment, le bioéthanol produit sert pour combustible, leurs utilités comme

biocarburant ne se pratiquent pas encore à Madagascar.

Le bioéthanol combustibles produits par les distilleries existant sont à utilité

domestique, les consommateurs sont les populations des zones urbaines du Pays.

La production et la consommation du bioéthanol ne sont pas proportionnelles puis qu’il

n’y a que peu de distillerie pour la production alors que les consommateurs sont très nombreux.

XI.4.6 Mode de production industrielle du bioéthanol

Selon la norme internationale, la production massive du bioéthanol devrait être

écologique, sinon, elle n’est pas bénéfique pour l’environnement. Les distilleries à Madagascar

utilisent des énergies non écologiques (comme les charbons de bois) pour transformer les

matières premières en bioéthanol, la production ne suit pas encore les normes exigées par les

comités internationaux.

XI.4.6.1 Exemple de production écologique de bioéthanol

Si nous considérons les productions de bioéthanol à partir de la canne à sucre. Nous

pourrions utiliser la bagasse (résidu fibreux de la canne à sucre) pour générer la chaleur

nécessaire à l’étape de distillation. En revanche, si du charbon est utilisé pour l’étape de

distillation, il est évident que le bilan environnemental devient négatif.

De même, l’impact sera négatif si la production de biocarburants :

Entraîne un changement brutal d’usage des sols, comme une déforestation

massive (les forêts étant de véritables systèmes de captage/stockage de CO2)

Requiert une grande quantité d’eau.

Ainsi, à partir du moment où le bioéthanol sont exploités raisonnablement, ces bilans

environnementaux seront positifs, et les émissions de gaz à effet de serre exprimé en

équivalent CO2 seront réduites par rapport aux énergies fossiles.

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XI.4.7 Cycle de vie de bioéthanol

Le cycle de vie de bioéthanol est en général :

Culture des matières premières ;

Récolte ;

Transport vers les distilleries ;

Transformation de la matière première en bioéthanol (combustible et carburant) ;

Distributions ;

Combustion (transformation en CO2) ;

CO2 nécessaire pour les végétaux, y compris les cultures de matière première

pour produire du bioéthanol.

Figure n° 28 : Cycle de vie du bioéthanol en tant que biocarburant [51]

XI.4.8 Comparaison de l’énergie consommée pour la production bioéthanol et de

l’essence

Dans le cas de Madagascar, les carburants fossiles (essence) que nous utilisons

quotidiennement sont tous importés de l’extérieur. Alors les phases qui consomment de

l’énergie sont les suivants :

Extraction du pétrole brut,

Transport vers la raffinerie,

Raffinage,

Transport (maritime) de ces produits vers le port de Toamasina,

Page | 69




Transport (maritime et terrestre) vers les différents lieux de distribution à chaque

coin de la grande île.

Si nous adaptons des projets qui ont pour but de produire massivement des biocarburants

provenant du bioéthanol, l’estimation des phases qui consomme de l’énergie se présente comme

suit :

Cultures et récoltes des matières premières,

Transports (terrestre) des matières premières qui pourraient être minimisées si

nous dispersions les installations des distilleries auprès des régions productrices des matières

premières,

Raffinage de la matière première (qui pourrait être minimisé écologiquement

aussi comme l’exemple pour la canne à sucre que nous venions de citer précédemment),

Distribution vers les différentes localités.

Vu ces deux consommations d’énergie pour obtenir des carburants fossiles et bioéthanol

à Madagascar, c’est clair que l’adaptation d’une politique de production de bioéthanol en tant

que carburant est plus rentable pour nous, par rapport à l’importation des carburants fossiles.

Figure n° 29 : Illustration de la comparaison des bilans énergétiques entre l’essence fossile et

le bioéthanol [52]

XI.4.9 Risques à prendre en compte

Malgré ces avantages qui ne sont pas du tout négligeables aussi bien sur le plan

environnemental ou économique, il est notoire que les risques et impacts négatifs éventuels

d’un tel projet sont nombreux et à prendre en compte. Ces risques peuvent se présenter à

Page | 70




différentes échelles allant de la plantation des matières premières jusqu’au niveau des ménages

utilisateurs finaux en passant par les unités de fabrication du bioéthanol.

En ce qui concerne les distilleries, la vinasse, qui est le résidu de la distillation a un fort

pouvoir polluant. Compte tenu des produits utilisés lors de la phase de préparation du jus avant

la fermentation, sa principale composition est constituée d’éléments minéraux dont un élément

indésirable dans l’eau destinée à la consommation, à savoir le nitrite. La pollution peut

également reposer sur sa forte Demande Chimique en Oxygène (DCO). La production d’éthanol

à travers l’utilisation des chaudières peut aussi avoir des répercussions sur la qualité de l’air

sans oublier la quantité de combustibles nécessaire pour leur fonctionnement.

Parmi les risques à craindre au niveau des plantations figurent l’augmentation des

défrichements suite à la recherche de nouveaux champs de culture de matières premières et le

risque de pollution des eaux et des sols provoqués par d’éventuels usages abusifs de pesticides

ou d’autres produits chimiques auxquels les paysans pourraient avoir recours pour

l’augmentation de leur rendement.

Au niveau des ménages utilisateurs, les risques de brûlures, d’incendie domestique et

d’intoxication sont les plus à craindre. Le risque de consommation de l’éthanol est faible au

niveau des utilisateurs finaux étant donné que le produit est déjà soit coloré, soit gélifié. Par

contre, ce risque demeure assez élevé pour les employés des distilleries.

XI.4.10 Bilan énergétique

C’est sûr que pour que la production soit écologique, l’énergie dépensé tout au long de

la production devrait être alors des énergies renouvelables ; nous proposions déjà un exemple

pour le cas de canne à la page 62. Nous pouvons appliquer dans notre cas la méthanisation des

déchets, … de tout façons nous pensons à récupérer des déchets des fruits, alors pourquoi pas

récupérer aussi les déchets qui pourrait être méthanisé comme les déchets alimentaires, déchet

de légume, et même les résidus récupérer après l’extraction de jus dans notre usine. (Traitement

qui consiste à récupérer les méthanes lors de la dégradation des matières organique.)

Supposons que nous utilisons des générateurs classiques fonctionnant avec des énergies

fossiles pour produire les biocarburants, vue la comparaison des bilans énergétiques entre

l’essence fossile et le bioéthanol que nous énonçons à la page 64 dans notre ouvrage, la

production de bioéthanol est plus bénéfique (énergétiquement) pour nous que l’importation des

carburants fossile.

Page | 71




XI.4.10 Conclusion

Madagascar a beaucoup de ressource en matières premières pour produire de bioéthanol,

mais jusqu’aujourd’hui, la filière bioéthanol n’a pas sa véritable place dans

l’approvisionnement énergétique de la grande île, alors que, les énergies produites par les

fossiles sont difficiles à acquérir et causent beaucoup d’impacts négatifs que ce soit économique

ou environnemental.




CONCLUSION GÉNÉRALE

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CONCLUSION

Les études réalisées dans le cadre de ce travail nous ont permis de démontrer qu’il est

possible de produire de bioéthanol avec les déchets d’ananas et de valoriser le « Toaka Gasy »

en tant que biocarburant.

En effet, après une étude bibliographique sur la filière bioéthanol, la technique de

production, les différentes caractérisations, nous avons effectué des essais de production, et un

test sur un groupe électrogène pour confirmer que le biocarburant que nous avons obtenu

marche très bien sur les moteurs à essence. Les essais et analyses au laboratoire nous ont permis

de déterminer les meilleures conditions d’obtention de bioéthanol pur, avec des rendements peu

élevés. À savoir :

La fermentation des jus obtenu avec les déchets d’ananas dans un milieu anaérobie en

suivant bien le pH et le test alcoométrie du moût,

L’activation de la chaux grasse à 900°C pendant 03 heure pour but d’obtention de chaux

vive,

La Rectification du « Toaka Gasy »,

Le traitement du « Toaka Gasy » rectifié par la chaux vive avant de les séparer par un

procédé de distillation,

Mélangé les bioéthanols purs avec de l’essence avant de l’utiliser comme biocarburant.

Les essais ont donné les résultats :

Essai de production de bioéthanol avec le déchet d’ananas : le résultat est positif

(éthanol 80°GL) mais le rendement est faible,

Rectification du « Toaka Gasy » : obtention d’alcool à haut degré (97°GL) mais une

perte d’alcool considérable,

Traitement par chaux vive : résultat positif (éthanol 99,6°GL) avec un bon rendement.

Tests sur groupe électrogène : bonne fonctionnement du générateur avec le mélange

bioéthanol-essence mais avec un peu de surconsommation.

Quelques perspectives sont en vues pour améliorer les résultats obtenus dans le cadre

de ce travail à savoir :

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L’amélioration de rendement sur la production de bioéthanol avec les déchets d’ananas

;

L’utilisation des distillateurs spécifié pendants la rectification du « Toaka Gasy » ;

L’étude à l’échelon pilote avec détermination des paramètres de production de

bioéthanol en utilisant des différentes matières premières pour que la production soit

stable et écologique.

Enfin, les études ainsi réalisées peuvent être complétées par d’autre étude sur les autres

utilités bénéfiques de bioéthanol et les autres biocarburants.

Page | 74




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http://biocarburant.over-blog.com/article-6692631.html

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ANNEXE

Annexe 1 : L’ANANAS

Description :

L’ananas (Ananas comosus) est une plante xérophyte originaire d’Amérique du Sud

(nord du Brésil, Amérique centrale, Caraïbes). Connu principalement pour son fruit comestible

(qui est en réalité une infrutescence). Le mot ananas vient du tupi-guarani naná naná qui

signifie « parfum des parfums ».

Utilité :

Pour l’alimentation :

Le jus d’ananas, du fait de ses vertus protéolytiques (endopeptidase, hydrolase,

cystéine), peut être utilisé pour attendrir la viande. Pour la même raison, son jus est à

déconseiller dans les desserts tels que la gélatine. Les propriétés physicochimiques de ce fruit

s’apparentent fortement à celles des agrumes, les cuisiniers l’utiliseront donc de la même façon,

en accompagnement de viande, de poisson ou de dessert.

Effet sur la santé :

L’ananas est très riche lorsqu’il est consommé frais, la valeur nutritive pour 100 g

d’ananas cru est rassemblée dans le tableau ci-après :

Valeur nutritive pour 100 g d’ananas cru

Valeur alimentaire

Eau : 87,24 g Cendres totales :

0,27 g

Fibres : 1,4 g Valeur énergétique :

45 kcal

Protéines : 0,55 g Lipides : 0,13 g Glucides : 11,82 g Sucres simples :

8,29 g

Oligo-éléments

Ca : 13 mg Fe : 0,25 mg Mg : 12 mg P : 9 mg

K : 125 mg Cu : 0,081 mg Na : 1 mg Zn : 0,08 mg

Vitamines

Vitam. C : 16,9 mg Vitam. B1 : 0,078 mg Vitam. B2 : 0,029 mg Vitam. B3 : 0,470 mg

Vitam. B5 : 0,193 mg Vitam. B6 : 0,106 mg Vitam. B9 : 11 μg Vitam. B12 : 0,00 mg

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Annexe 2 : EQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR

L’étude de la distillation nécessite la connaissance des lois des équilibres liquide -

vapeur pour les corps purs et pour les mélanges.

Définition concernant l’équilibre liquide-vapeur

Pour toute combinaison de phases liquide et vapeur, l’état d’équilibre est un état dans

lequel on ne trouve plus de variation macroscopique des propriétés tels que la masse et

l’énergie.

Tension de vapeur d’un corps pur :

La tension de vapeur d’un liquide pur est la pression à laquelle ce liquide est en équilibre

avec la phase vapeur qu’il supporte et elle augmente avec la température.

Point de bulle :

C’est la température à laquelle la première bulle apparaît dans le mélange, c’est-à-dire

qu’il y a commencement de l’évaporation.

Ce point est variable avec la pression et il faut noter que ce sont les constituants légers

qui s’échappent les premiers du mélange à cette température.

Point de Rosée :

C’est la température pour laquelle un mélange de vapeur commence à se condenser. Il

y a donc la formation de première goutte de liquide. Ce point varie aussi avec la pression et ce

sont les constituants lourds qui se condensent les premiers.

Les diagrammes d’équilibre liquide vapeur :

En général, il y a trois types de diagrammes. Ils représentent la variation d’une grandeur

d’état physique, en fonction de la teneur en un constituant tel que (Xa) dans la phase liquide et

(Ya) dans la phase gazeuse.

Les lois régissant la distillation :

La distillation est régie par des lois régissant l’équilibre liquide-vapeur qui sont :

Loi de RAOULT :

Énoncé : « Dans une solution idéale, la pression partielle en phase vapeur d’un

constituant est proportionnelle à sa fraction molaire en phase liquide. »

Formule : Pi = xi Pisat

Pisat : pression de vapeur saturante

Pi : pression partielle du composant i

xi : fraction molaire en liquide

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Loi de HENRY :

Énoncé : « À température constante et à l’équilibre, la quantité de gaz dissouts dans un

liquide est proportionnelle à la pression partielle qu’exerce ce gaz sur le liquide. »

Formule : pi = Hi xi

pi : pression partielle du gaz

Hi : Constante de Henrie

xi : fraction molaire

Loi de DALTON :

Énoncé : « La pression au sein d’un mélange de gaz parfaits est égale à la somme des

pressions partielles de ses constituants. »

Formule : P = Σi Pi

P : Pression totale

Pi : Pression partielle

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Annexe 3 : MODES OPÉRATOIRES DES ANALYSES ET DES PROCÉDÉS

Densité par pycnomètre

- Brancher la balance et la laisser chauffer pendant 30minutes puis l’allumer

- Prendre une quantité appréciable d’eau distillée et la mettre dans un bécher

- Verser une part de l’échantillon à analyser dans un autre bécher

- Prendre la température des deux liquides et les égaliser si possible (chauffer celui

ayant la température la plus basse avec la plaque chauffante)

- Vérifier la mise à niveau de la balance (et la mettre à niveau si nécessaire)

- Peser le pycnomètre vide bien sec puis tarer la balance

- Poser le pycnomètre sur la chamoisine

- Remplir de l’eau le pycnomètre puis le peser

- Remettre l’eau dans le bécher précédent

- Sécher le pycnomètre avec le compresseur

- Remplir le pycnomètre avec l’échantillon à analyser puis peser

- Faire le calcul

Viscosité

Bain thermostatique Viscosimètre

- Verser l’échantillon à analyser dans le bécher

- Chauffer ce bécher sur la plaque chauffante jusqu’à ce que l’échantillon atteigne

la température voulue. Mais avant qu’il n’arrive à cette température, il faut le retirer de la plaque

pour s’assurer qu’il aura la température attendue lors de l’expérience

- Brancher le bain thermostatique, puis l’allumer régler sa température. Mais avant

d’y plonger le viscosimètre, il faut prendre sa température et l’ajuster si nécessaire pour qu’il

soit à la température choisie pour l’expérience.

- Revérifier la température de l’échantillon et l’ajuster si nécessaire

- Plonger le viscosimètre dans le bain

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- Verser une quantité nécessaire de l’échantillon dans le viscosimètre

- Commencer le chronomètre lors du passage de l’échantillon à travers le premier

trait rouge et l’arrêter au passage au second trait (temps de montée de l’échantillon)

- Faire le calcul

Point d’éclair et point d’inflammabilité

Pensky Martens

- Verser l’échantillon dans la vase (quantité : jusqu’à la ligne de jauge)

- Fermer la vase avec le couvercle

- Mettre en place les autres dispositifs (conducteur de gaz, paillette…)

- Plonger le thermomètre dans la vase

- Brancher et allumer le Pensky Martens

- Ouvrir la vanne de gaz butane et allumer le feu

- Osciller le couvercle de la vase de gauche à droite toutes les deux secondes

jusqu’à ce que l’échantillon s’enflamme spontanément et le feu du butane s’éteigne (Point

d’éclair)

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- Reprendre cette action jusqu’à ce que l’échantillon dans la vase s’enflamme

continuellement (point d’inflammabilité)

Alcoométrie

- Mettre dans le bécher 100 ml de l’échantillon à analyser

- Verser l’échantillon dans le tube à essai

- Introduire l’alcoomètre dans l’échantillon qui est dans le tube à essai

- Lecture directe du résultat.

Traitement par chaux

- Verser les chaux vives dans le récipient hermétique qui contient bioéthanol 95 °

GL.

- Agiter moyennement la solution pendant 03 heures 30 minutes

- Distiller le mélange

- Récupérer le bioéthanol pur par un récipient hermétique.

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Annexe 4 : APPAREILLAGE SUR LE TEST SUR LE GROUPE ELECTROGENE

- Groupe électrogène : 950 W, 220 V – 240 V

- Ampli-Baffle : 750 W, 220 V

- Tuyau

- Récipient de 250mL

- Voltmètre

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Annexe 5 : PRIX EN ARIARY DES CARBURANTS A LA POMPE

Date Super carburant Gasoil Pétrole lampant

Janvier 2002 1 000 544 464

Janvier 2008 2 620 2 370 1 700

Novembre 2013 3 420 2 765 2 215

Juin 2014 3 560 2 860 2 355

Octobre 2014 3 630 2 940 2 410

Janvier 2015 3 700 3 000 2 460

Juillet 2015 3 730 3 150 2 410

Décembre 2015 3 700 3 170 2 380

Avril 2016 3 290 2 620 1 980

Juillet 2016 3 730 3 010 2 310

Octobre 2016 3 480 2 910 2 130

Mars 2017 3 800 3 230 2 370

Juin 2017 3 870 3 300 2 370

Septembre 2017 3 650 3 000 2 180

Décembre 2017 3 840 3 190 2 370

Janvier 2018 3 840 3 190 2 370

Février 2018 3 840 3 190 2 370

Mars 2018 3 930 3 280 2 400

Avril 2018 3 982 3 333 2 422

Mai 2018 4 000 3 350 2 430

Juin 2018 4 025 3 375 2 454

Juillet 2018 4 050 3 400 2 480

Aout 2018 4 100 3 450 2 530

Septembre 2018 4 100 3 450 2 530




TABLES DES MATIÈRES

TENY FISAORANA .................................................................................................................. i

SOMMAIRE .............................................................................................................................. ii

LISTES DES ABRÉVIATIONS ............................................................................................... iii

LISTE DES TABLEAUX ......................................................................................................... iv

LISTES DES FIGURES ............................................................................................................ v

INTRODUCTION ...................................................................................................................... 1

Partie I : ÉTUDES BIBLIOGRAPHIQUES

Chapitre I : GÉNÉRALITÉS SUR LES BIOCARBURANTS .................................................. 3

I.1 Historique........................................................................................................... 3

I.2 Généralités ......................................................................................................... 4

I.2.1 Biocarburant gazeux .................................................................................... 5

I.2.2 Les biocarburants liquides ........................................................................... 5

I.2.2.1 Biocarburants de première génération .................................................. 5

I.2.2.2 Biocarburants de deuxième génération ................................................ 5

I.2.2.3 Biocarburants de troisième génération ................................................. 6

I.2.3 Comptabilité des biocarburants ................................................................... 6

I.2.3.1 Éthanol : ................................................................................................ 6

I.2.3.2 Esters d’Huiles ...................................................................................... 6

Chapitre II : PROPRIÉTÉS DU BIOÉTHANOL ET TECHNIQUES DE PRODUCTION ..... 8

II.1 Propriété du bioéthanol..................................................................................... 8

II.1.1 Molécule d’éthanol .................................................................................... 8

II.1.2 Propriétés physiques de l’éthanol .............................................................. 9

II.1.3 Propriétés chimiques de l’éthanol .............................................................. 9

II.2 Techniques de production de bioéthanol ........................................................ 10

II.2.1 Bioéthanol de première génération .......................................................... 10

II.2.2 Le bioéthanol de deuxième génération .................................................... 11




II.2.3 Le bioéthanol de troisième génération ..................................................... 11

Chapitre III : PRODUCTIONS DE BIOÉTHANOL DANS LE MONDE ET LEURS

UTILITÉS DANS LA VIE ...................................................................................................... 13

III.1 Alternative aux énergies fossiles ................................................................... 13

III.2 Différentes bioénergies ................................................................................. 13

III.3 Production du bioéthanol dans le monde ...................................................... 14

III.4 Utilités de bioéthanol .................................................................................... 15

III.4.1 Biocarburants .......................................................................................... 15

III.4.2 Combustibles .......................................................................................... 15

III.4.3 Diverses utilités ...................................................................................... 15

IV.1 : Bioéthanol à Madagascar ............................................................................ 15

Chapitre IV : DÉTAILS SUR LES MATÉRIELS ET MÉTHODES DE LA PRODUCTION

DE BIOÉTHANOL .................................................................................................................. 17

IV.1 Prétraitement ................................................................................................. 17

IV.1.1 Bioéthanol première génération ............................................................. 17

IV.1.2 Bioéthanol seconde génération ............................................................... 18

IV.2 Fermentation ................................................................................................. 19

IV.2.1 Définition ............................................................................................... 19

IV.2.2 Historique ............................................................................................... 19

IV.2.3 Principes ................................................................................................. 20

IV.2.3.1 Définition de la levure boulangère .................................................. 21

IV.2.3.2 Le métabolisme fermentaire du Saccharomyces cerevisiae : .......... 22

IV.2.3.3 Les besoins nutritionnels de la levure : ........................................... 23

IV.3 Distillation..................................................................................................... 23

IV.3.1 Notion fondamentale sur la théorie de la distillation : ........................... 23

IV.3.1.1 Définition ......................................................................................... 23

IV.3.1.2 Historique ........................................................................................ 23

IV.3.1.3 Principe ............................................................................................ 24




IV.3.2 Les différents types de distillation ......................................................... 24

IV.3.2.1 Selon leur mode d’alimentation et de soutirage .............................. 24

a- La distillation continue : ...................................................................... 25

b- La distillation discontinue : ................................................................. 25

IV.3.2.2 Selon leur mode de fonctionnement : .............................................. 25

a- La distillation simple ........................................................................... 25

b- La distillation en colonne binaire ........................................................ 25

c- La distillation en colonne complexe .................................................... 25

IV.3.3 Rectification ........................................................................................... 25

IV.3.4 Distillation du bioéthanol en général ..................................................... 26

IV.4 Déshydratation du bioéthanol ....................................................................... 26

Partie II : ÉTUDES EXPÉRIMENTALES

Chapitre V : MIS EN PRATIQUE DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DE BIOÉTHANOL À

L’ÉCHELLE LABORATOIRE ............................................................................................... 28

V.1 Matières premières ......................................................................................... 28

V.1.1 Matériels .................................................................................................. 29

V.2 Prétraitement .................................................................................................. 30

V.3 Fermentation ................................................................................................... 31

VI.3.1 Dosage de l’alcool dans le moût ............................................................ 31

V.4 Distillation ...................................................................................................... 32

Chapitre VI : ANALYSE DES ÉCHANTILLONS DE BIOÉTHANOL ................................ 33

VI.1 Densité .......................................................................................................... 33

VI.1.1 Définition ............................................................................................... 33

VI.1.2 Formules ................................................................................................. 33

VI.1.3 Matériels ................................................................................................. 33

VI.2 Viscosité à 40 °C ........................................................................................... 34

VI.2.1 Définition : ............................................................................................. 34




VI.2.2 Formule : ................................................................................................ 34

VI.2.3 Matériels : ............................................................................................... 34

VI.3 Point d’éclair à coupelle fermé et point d’auto inflammation ...................... 34

VI.3.1 Définitions : ............................................................................................ 34

VI.3.2 Matériels : ............................................................................................... 34

VI.4 Alcoométrie ................................................................................................... 35

VI.4.1 Définition ............................................................................................... 35

VI.4.2 Matériels ................................................................................................. 35

Chapitre VII : RECTIFICATION ET TRAITEMENT DE L’ALCOOL PAR LA CHAUX

VIVE POUR AVOIR DU BIOÉTHANOL PUR ..................................................................... 36

VII.1 Rectification ................................................................................................. 36

VII.2 Traitement par chaux vive pour avoir du bioéthanol pur ............................ 36

VII.2.1 Mode opératoire d’activation de la chaux éteinte ................................. 36

VII.2.2 Principe ................................................................................................. 36

VIII.2.3 Calcul théorique de la quantité de la chaux ......................................... 36

VII.2.4 Matériels ............................................................................................... 37

Chapitre VIII : ESSAIS D’UTILISATION DU BIOÉTHANOL PUR ................................... 38

VIII.1 Principe ....................................................................................................... 38

VIII.2 Matériels ..................................................................................................... 38

VIII.3 Méthode ...................................................................................................... 38

VIII.4 Analyse à effectuer sur l’essence et sur le mélange Bioéthanol-Essence .. 39

VIII.5 Essaie d’utilisation du bioéthanol sur un groupe électrogène .................... 39

Chapitre IX : RÉSULTATS DISCUSSIONS .......................................................................... 41

IX.1.1 Résultats ................................................................................................. 41

IX.1.2 Interprétations ......................................................................................... 41

IX.1.3 Rendement de la transformation du déchet d’ananas à l’alcool ............. 41

IX.1.3.1 Rendement du passage des déchets aux jus ..................................... 42




IX.1.3.2 Rendement du passage des jus aux alcools ..................................... 42

IX.1.3.3 Rendement global du passage du déchet d’ananas à l’alcool : ........ 42

IX.2.1 Résultats des analyses ............................................................................ 42

IX.3 Rectifications et traitement de l’alcool par la chaux vive ............................. 46

IX.3.1 Résultats ................................................................................................. 46

IX.3.2 Discussions ............................................................................................. 46

IX.3.2.1 Rectification du « Toaka Gasy » ..................................................... 46

IX.3.2.2 Traitement par la chaux vive ........................................................... 46

IX.3.2.3 Rendements ..................................................................................... 47

a) Cas de passage de « Toaka Gasy » vers l’alcool pur .............................. 47

b) Rendement du passage du « Toaka Gasy » à des alcools 85 °GL .......... 47

c) Rendement de la redistillation ................................................................ 47

d) Rendement de la déshydratation ............................................................ 47

e) Rendement global du passage de « Toaka Gasy » vers l’alcool pur ...... 47

IX.4 Les caractéristiques de l’essence, bioéthanol pur, et les mélanges ............... 47

IX.4.1 Résultats ................................................................................................. 47

IX.5 Recommandations ......................................................................................... 54

Partie III : ÉVALUATION DU PROJET ET ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX

Chapitre X : ÉVALUATION TECHNIQUE DU PROJET ..................................................... 55

X.1 Situation géographique ................................................................................... 55

X.1.1 Objectif du projet ..................................................................................... 55

X.1.2 Matières premières .................................................................................. 55

X.1.3 Critères de choix du site .......................................................................... 55

X.1.4 Délimitation du site ................................................................................. 55

X.2 Évaluation du marché ..................................................................................... 56

X.2.1 Enjeu de l’utilisation du bioéthanol ......................................................... 56

X.2.2 Consommation d’essence à Madagascar ................................................. 56




X.2.3 Prix des carburants ................................................................................... 58

X.3 Technique de production ................................................................................ 59

X.3.1 Présentation du procédé ........................................................................... 59

X.3.2 Description de l’installation ..................................................................... 61

X.3.2.1 Unité d’extraction de jus sucrés ........................................................ 61

X.3.2.2 Unités de fermentation ...................................................................... 61

X.3.2.3 Unités de récupération des levures ................................................... 61

X.3.2.4 Unités de distillation et de déshydratation ........................................ 61

X.3.2.5 Unités supplémentaires ..................................................................... 61

a- Unité de traitement des vinasses : .......................................................... 61

b- Section de traitement des eaux : .......................................................... 61

c- Unité de traitement de l’hydroxyde de calcium : ................................. 62

X.3.2.6 Sections de stockage des produits : ................................................... 62

X.3.2.7 Sections de production de la vapeur ................................................. 62

Chapitre XI : ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX POUR LA FILIÈRE BIOÉTHANOL .... 63

XI.1 Définition ...................................................................................................... 63

XI.1.1 Environnement ....................................................................................... 63

XI.1.2 Enjeux environnementaux d’un projet ................................................... 63

XI.1.3 Impact environnemental ......................................................................... 63

XI.2 Charte de l’environnement malagasy ............................................................ 63

XI.3 Généralités .................................................................................................... 64

XI.4 Cas de Madagascar ....................................................................................... 65

XI.4.1 Matières premières utilisées ................................................................... 65

XI.4.2 Régions des productions des matières premières ................................... 65

XI.4.3 Mode de production agricole des matières premières ............................ 66

XI.4.4 Lieux de transformation de matière première en bioéthanol .................. 66

XI.4.5 Consommation du bioéthanol ................................................................. 67




XI.4.6 Mode de production industrielle du bioéthanol ...................................... 67

XI.4.6.1 Exemple de production écologique de bioéthanol ........................... 67

XI.4.7 Cycle de vie de bioéthanol ..................................................................... 68

XI.4.8 Comparaison de l’énergie consommée .................................................. 68

XI.4.9 Risque à prendre compte ........................................................................ 69

XI.4.10 Conclusion ............................................................................................ 71

CONCLUSION ........................................................................................................................ 72

REFERENCE BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................... 74

ANNEXE ................................................................................................................................... a

Auteur : RAKOTONDRINA Iandoharilala Rinah

Titre :

Nombre de pages : 78

Nombre de tableaux : 24

Nombre de figures : 29

Famintinana :

Ankehitriny, ny seha-pamokarana “bioéthanol” dia tafiditra ho isan’ireo seha-pamokarana angovo mivoatra

haingana maneran-tany. Eto Madagasikara, ny famokarana “bioéthanol” dia mbola mila ezaka goavana mba ahatonga

azy ho seha-pamokarana hazoana tombon-tsoa ho any firenena iray manontolo, iaraha-mahita moa ny fananan’ny Nosy

akora fototra maro azo ahodina ho “bioérthanol”. Ny fomba fanamboarana “bioéthanol” dia manadalo dingana

maromaro, misy amin’ireo dingana no sokajiana ho sarotra tanterahina. Teo ampanatanterahina ity asa fikarohana ity,

dia ireto avy ireo andrana natao : famokarana “bioéthanol” avy amin’ny faikan’ny mananasy, fitiliana ireo “bioéthanol”

misy eto Madagasikara, famokarana “bioéthanol” tsy misy fangarony, famadihana ny “bioéthanol” tsy misy fangarony

ho “biocarburant”, fitiliana ireo “biocarburant” azo. Ny valin’ireo andrana dia maneho amin-tsika ny lanjan’ny seha-

pamokarana « bioéthanol ». Farany, ny fandinihana ny mikasika ny vokatra mety ho aterak’izany eo amin’ny tontolo

iainana dia naneho fa mahazo tombony kokoa i Madagasikara amin’ny fitrandrahana ny seha-pamokarana “boéthanol”

raha oharina amin’ny fanafarana “carburant fossile” avy any ivelany.

Voambolana fototra : « déchet », « ananas », « distillation », « bioéthanol », « biocarburant », « carburant fossile »,

« environnement »

Résumé :

La filière bioéthanol est actuellement l’une des filières énergétiques qui se développent à croissance rapide

dans le monde. À Madagascar, la production du bioéthanol nécessite encore un effort gigantesque pour que la filière soit

bénéfique pour le Pays tout entier, vu que la grande île a beaucoup de ressources en matières premières qui pouvait être

transformée en bioéthanol. Le procédé de fabrication de bioéthanol à plusieurs étapes à suivre, et certain de ces étapes

sont considérés comme délicats. Dans le cadre de ce mémoire, les points suivants ont été traités : production du

bioéthanol à partir des déchets d’ananas, analyse des échantillons de bioéthanol accessibles à Madagascar, production

de bioéthanol pur, valorisation de bioéthanol pur en biocarburant, caractérisation par analyse des biocarburants obtenus.

Les résultats obtenus nous montrent l’importance de la filière bioéthanol. À la fin, l’enjeu environnemental nous avait

montré qu’il serait bénéfique pour Madagascar l’exploitation de la filière bioéthanol par rapport à l’importation des

carburants fossiles.

Mots clés : déchet, ananas, distillation, bioéthanol, biocarburant, carburant fossile, environnement

Abstract :

The bioethanol sector is currently one of the fastest growing energy sectors in the world. In Madagascar, the

production of bioethanol still requires a huge effort for the sector to be beneficial for the entire country, as the large

island has a lot of raw material resources that could be turned into bioethanol. The process of manufacturing bioethanol

with several steps to follow, and some of these steps is considered delicate. We had made several laboratory experiments

concerning the sector, these are: production of bioethanol from pineapple waste, analysis of samples of bioethanol’s

available in Madagascar, production of pure bioethanol, recovery of pure bioethanol in biofuels, characterization by

analysis of the biofuels obtained. The result obtained shows the importance of the bioethanol sector. At the end, the

environmental challenge we had it would be beneficial for Madagascar to exploit the bioethanol sector compared to the

import of fossil fuels.

Key words: waste, pineapple, distillation, bioethanol, biofuel, fossil fuel, environment

Rapporteurs :

Monsieur ANDRIANAIVORAVELONA Oliva Jaconnet, Professeur

Monsieur RAMAROSON Jean de Dieu, Professeur, Directeur de Recherches Associées au Centre national de

Recherches Industrielle et Technologique (CNRIT)

Adresse de l’auteur : IVL 8 Ankadifotsy, Antananarivo - 101

Tél : +261 34 52 642 35 / +261 34 91 749 70

E-mail : [email protected]

« Essais de fabrication de bioéthanol à Madagascar »

essais de fabrication de bioÉthanol Àbiblio.univ-antananarivo.mg/pdfs/...le constat de la...

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