Biomasse Présentation CTRI - Biocarburants liquides de 2e génération
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Le document décrit le développement d'un procédé de production d'éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière au Québec, soulignant l'importance de cette alternative face aux enjeux liés à l'éthanol de première génération. Des procédés de prétraitement, d'hydrolyse et de fermentation sont évoqués, ainsi que les défis techniques à surmonter pour optimiser la production. Enfin, il présente les opportunités économiques et les initiatives du gouvernement du Québec pour favoriser cette production durable.
Biomasse Présentation CTRI - Biocarburants liquides de 2e génération
- 1. Développement d’un procédé de production d’éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Mathieu Allaire Pierre-Olivier Gendron Jasmina Lahlah Félicia Porqueres
- 2. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière L’émergence de l’éthanol Éthanol de première génération depuis plusieursdeuxièmeon le L’éthanol est utilisé comme carburant Éthanol de années et génération décrit comme un carburant vert. Maïs, céréales, canne à sucre. Biomasse Mais on connais maintenant les problèmes engendrés par la production Gazéification massive d’éthanol à partir de cultures alimentaires (maïs, céréales). Prétraitement, hydrolyse Saccharification Flambée du prix des aliments. Utilisation massive d’engrais et de pesticides. Purification L’utilisation de biomasse comme les résidus forestiers est une alternative. Fermentation Production d’éthanol au Québec ! Fermentation A varenne le complexe Ethanol GreenField (éthanol de première génération et Distillation cellulosique) et Enerkem (gazéification). Distillation Tembec à Témiscaming. Au Brésil l’éthanol carburant est produit à partir de canne à sucre. Aux États-Unis le maïs est la culture la plus utilisée.
- 3. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière L’éthanol carburant au Québec Plan d’action du gouvernement du Québec 2006-2012 sur les changements climatiques. Toute l’essence distribuée au Québec devrait contenir 5% d’éthanol. Budget 2012-2013 Le gouvernement du Québec offre des avantages fiscaux pour la production d’éthanol de deuxième génération. Le gouvernement souhaite favoriser l’éthanol cellulosique plutôt que l’éthanol de première génération. Toute l’essence distribuée au Québec ? 8.5 milliards de litres distribuée en 2010 (statistiques Canada). 5% = 430 millions de litres par année. GrenField 120 millions litres/an Enerkem 38 millions Tembec 15 millions
- 4. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière La place de la région dans ce nouveau marché La région peut tirer avantage de son industrie forestière et de son territoire. La biomasse lignocellulosique et agricole est présente en région et accessible. L’expertise forestière et industrielle pour gérer la biomasse est présente. Possibilité de production de cultures énergétiques à croissance rapide (saule, peuplier) sur des terre non agricoles. Photo Jean Boivin
- 5. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Défis à relever. Contraintes techniques à résoudre pour atteindre les rendements de l’éthanol de première génération. Développer un système d’approvisionnement en biomasse efficace et rentable. Le prix et la disponibilité de la biomasse lignocellulosique et agricole peut être sujet à de grandes variations. Traiter la biomasse en région ! Appauvrissement des sols forestiers après le retrait de la biomasse. Photo Jean Boivin Photo Jean Boivin
- 6. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière La biomasse forestière Dans la région un hectare de forêt peut produire environ 20 tonnes métriques (verte) de biomasse résiduelle. Le coût de récolte peut varier entre 40 et 50$/ tmv Photo Jean Boivin Biomasse résiduelle Bois commercial Photo Jean Boivin Présentement une tonne de biomasse produit entre 200 et 230 litres d’éthanol. Photo Jean Boivin L’optimisation des procédés de conversions et de fermentations pourrais faire augmenter ce rendement à près de 400 litres1. 1. La production d’éthanol à partir de matière lignocellulosique. Centre de référence en agriculture et agroalimentairre du Québec. 2008.
- 7. Transformer la biomasse en carburant !? ? Comment passer de la forêt à la pompe ?
- 8. Schéma du procédé Distillation Biomasse 1. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible. 2. Hydrolyse. 4. Fermentation Faire du sucre. 3. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
- 9. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Premier défi pour produire de l’éthanol cellulosique Extraire les sucres du bois Matières extractibles 2à8% La cellulose et l’hémicellulose constituent 60 à 80% de Lignine la masse de l’arbre et 21 à 25 % contiennent les sucres fermentescibles Hémicellulose 25 à 35 % Cellulose 35 à 45 % Sucres 60 à 80% !
- 10. Schéma du procédé Distillation Biomasse 1. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible. 2. Hydrolyse. 4. Fermentation Faire du sucre. 3. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
- 11. Première étape prétraitement de la fibre Mise en pâte. Transformation mécanique permettant la séparation de la lignine. Procédé testé au CTRI Testé avec des résidus (branches) d’épinette noire. Nos tests menés sur des branches avec et sans écorce ont donnés des résultats similaires. Pas nécessaire d’enlever l’écorce avant de traiter les branches. À tester avec d’autres sources de biomasse.
- 12. Schéma du procédé Distillation 1. Biomasse 2. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible. 3. Hydrolyse. 5. Fermentation Faire du sucre. 4. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
- 13. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière La fibre de cellulose Lignine (21-25%) Polymère de sucres Polymère phénolique difficile à dégrader Exemple d’un hydrolysat d’épinette noire Cellulose Glucose 26.96 g/l Polymère de glucose Xylose 4 g/l Mannose 5.36 g/l + Arabinose 1.28 g/l Hemicellulose Galactose 2.4 g/l Polymère de glucose, xylose, mannose, arabinose, galactose. Pas seulement du glucose….. Hydrolyse Sucres obtenus Glucose Xylose Fermentation Image tirée du site http://www.lbl.gov/Publications/YOS/Feb/ Mannose
- 14. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière L’hydrolyse Étape clé la transformation de la cellulose. Méthode la plus envisagée pour Option 1. Hydrolyse enzymatique la production industrielle. Efficace, mais couteux. Le prix des enzymes peut Plus difficile à optimiser. affecter la rentabilité du Approvisionnements constant en enzyme $$ processus. Option 2. Hydrolyse acide Dégradation de la cellulose par l’acide sulfurique. Approvisionnement en acide sulfurique permettant une compétitivité régionale. Contraintes : récupération de l’acide, neutralisation du milieu, production de composés inhibiteurs. Production d’acide sulfurique par Xtrata
- 15. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière •L’hydrolyse est la réaction chimique qui transforme les polymère de sucre (cellulose et hémicellulose en sucre simple ( glucose, xylose, mannose). Cellulose 3 unités de glucose Hydrolyse acide par mico-onde 120°C 10 min Utilisation des micro-ondes pour l’hydrolyse acide de la biomasse un procédé novateur Avantage vs autre procédé Défi à relever •La réaction d’hydrolyse est • Peu de procédé à l’échelle rapide et sélective Industrielle utilise les micro-ondes • Moins de formation de composés inhibiteurs • Moins énergivore Avec la méthode développée au CTRI 86% des polymères provenant de la pâte sont converti en sucre
- 16. Schéma du procédé Distillation Biomasse 1. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible. 2. Hydrolyse. 4. Fermentation Faire du sucre. 3. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
- 17. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Neutraliser et détoxifier l’hydrolysat Avant de passer à l’étape de fermentation il est nécessaire de détoxifier celui- ci, car l’acide contenu serait toxique pour les levures si on essayait de fermenter la solution directement sans détoxification Sucres + H2SO4+ 2NH4OH 2H2O + (NH4)2SO4 + eau sel La solution est dans un premier temps neutralisée avec de l’ammoniaque. Il en résulte du sel et de l’eau. •Milieu de culture trop salé pour la croissance des levures
- 18. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Purification de l’hydrolysat Deux techniques sont à l’essai présentement au CTRI soit la filtration membranaire et l’électrodialyse. 1. Filtration membranaire 2. L’électrodialyse L’acide est séparé des sucres Dans un premier temps l’acide est directement à l’aide d’un courant Neutralisée avec l’ammoniaque, ensuite électrique et de membranes échangeuses les sucres sont séparés des sels par nano- d’ions Filtration.
- 19. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Filtration membranaire La nanofiltration est un procédé de séparation mécanique basé sur la grosseur des particules à séparer. La taille des pores de la membranes est d’environ 10 nm Sucre Sel Glucose > Ammonium 18 g/mol Sulfate 180 g/mol 96 g/mol Les molécules plus petite que 150 g/mol comme les sels passent à travers la membrane sous une pression de 150 psi tandis que les molécules de sucres à 180 g/mol sont retenues dans la solution d’alimentation.
- 20. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Électrodialyse Cette technique consiste à faire migrer sous un courant électrique les ions SO4 2- de l’hydrolysat à travers une membrane échangeuse d’anions (MEA) pour qu’ils réagissent avec les ions H+ formé à l’anode par l’électrolyse de l’eau. •L’acide est reconcentré du côté sucres gauche de la cellule et peu être réutilisé dans le procédé sucres • Les sucres eux restent du côté droit car ils ne peuvent migrer à sucres travers la membrane •La solution du coté droit une fois débarrassée de son acide peut être ensuite fermentée. pH pH
- 21. Schéma du procédé Distillation Biomasse 1. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible. 2. Hydrolyse. 4. Fermentation. Faire du sucre. Optimisation du rendement. 3. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
- 22. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Fermentation Transformer les sucres en alcool Sélection d’une souche microbienne. Hydrolysat cellulosique contenant Glucose 67.4 % Ne fermente pas le xylose ! Xylose 10 % Perte de rendement par rapport aux Mannose 13.4 % sucres totaux. Arabinose, galactose Saccharomyces cerevisiae (levure à bière) Fermente les 3 sucres. Sheffersomyces Permettra d’avoir un rendement stipitis optimal, particulièrement avec les espèces riches en hémicellulose. Saccharomyces est une espèce bien connue et largement utilisée dans l’industrie. Sheffersomyces demande un peu plus d’optimisation mais permettra un meilleur rendement si les concentrations de xylose sont élevés.
- 23. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Optimisation de la fermentation Obtenir le maximum d’éthanol par molécule de sucre Milieu optimal !!! Le rendement théorique maximum est de 0.51g de calcium gramme de sucre. Panthoténate d’éthanol par CaCl2(2H2O) Niacine H3BO3 K2HPO4 du sucre est utilisé Pyridoxamine sa croissance cellulaire. Une partie par la levure pour Alaninine KH2PO4les conditions pour un Acide Thioctique des sucres convertis en éthanol). Définir rendement optimal (% Aginine FeSO4(7H2O) Acide folique Acide aspartique MgSO4(7H2O) de culture efficace et économique. Définir un milieu Biotine Acide glutamique Éléments à ajouter au mélange d’hydrolysat pour un rendement maximal. NaCl B12 Histidine -sel minéraux, source d’azote, taux d’oxygénation. Adénine Tryptophane Leucine Cytosine des levures pour le fermenteur. Préparation Cystéine Isoleucine Guanine ZnSO4(7H2O) Uracile CoCl2(6H2O) Trop complexe pour un Thymine Présentement des tests préliminaires 2O) permettent usage industriel de MnCl2(6H nous d’atteindre de plus Thiamine 80% du rendement théorique total avec un(4H2O) (NH4)6Mo7O24 hydrolysat d’épinette noire. rentable. Riboflavine CuSO4(2H2O) Slininger et. al. Appl. Micro. Biotech. 2006
- 24. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière La fermentation Paramètres à contrôler 1. pH 2. Température (30°C) 3. Agitation 4. Oxygénation Fermentation en batch 1. Préparer les levures 2. Hydrolysat + additifs 3. Fermentation 24-30h Points critiques à surveiller Forcer la levure à utiliser le sucre pour produire de l’éthanol. Atteindre 100% de consommation des sucres. Fermenteur de laboratoire 2.5 Éviter les phénomènes d’inhibition. litres
- 25. La suite de nos travaux de recherche Fermentation en continu par filtration membranaire. Purifier l’éthanol en continu lors de la fermentation. Meilleur rendement Plus économique Permet d’éviter les phénomènes d’inhibition et d’arrêt de la fermentation. Test avec différentes essences et différentes sources de biomasse. Travailler directement avec des copeaux plutôt qu’avec de la pâte.
- 26. Conclusions La région de l’Abitibi-Témiscamingue peut se démarquer dans l’important marché de l’éthanol cellulosique grâce à son accès à la biomasse forestière. L’hydrolyse acide est la méthode la plus avantageuse de prétraitement à cause de la disponibilité de ce produit en région. Des procédés novateurs d’hydrolyse au micro-onde et de purification d’hydrolysat sont en développement. Une bonne expertise scientifique et technique sur la production d’éthanol cellulosique se développe au CTRI.
- 27. Remerciements Notre levure qui travaille fort L’équipe biomasse du CTRI Pierre-Olivier Gendron Jasmina Lahlah Félicia Porqueres Hassine Bouafif Jean Boivin Robin Potvin Sheffersomyces stipitis Centre national en électrochimie et Partenaire financier technologies environnementales Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie
- 28. Questions ?