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La suite de nos travaux de rechercheFermentation en continu par filtration membranaire.Purifier l’éthanol en continu lors ...
ConclusionsLa région de l’Abitibi-Témiscamingue peut se démarquer dans l’importantmarché de l’éthanol cellulosique grâce à...
RemerciementsNotre levure qui travaille fort       L’équipe biomasse du CTRI                                      Pierre-O...
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Biomasse Présentation CTRI - Biocarburants liquides de 2e génération

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Présentation sur le développement d'un procédé de production d'éthanol cellulosique à partir de la biomasse forestière.

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  1. 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. 2. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière L’émergence de l’éthanolÉthanol 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, hydrolyseSaccharification Flambée du prix des aliments. Utilisation massive d’engrais et de pesticides. PurificationL’utilisation de biomasse comme les résidus forestiers est une alternative.FermentationProduction d’éthanol au Québec ! FermentationA varenne le complexe Ethanol GreenField (éthanol de première génération etDistillationcellulosique) et Enerkem (gazéification). DistillationTembec 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. 3. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière L’éthanol carburant au QuébecPlan d’action du gouvernement du Québec 2006-2012 sur les changementsclimatiques.Toute l’essence distribuée au Québec devrait contenir 5% d’éthanol.Budget 2012-2013Le gouvernement du Québec offre des avantages fiscaux pour la productiond’éthanol de deuxième génération.Le gouvernement souhaite favoriser l’éthanol cellulosique plutôt quel’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. 4. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière La place de la région dans ce nouveau marchéLa 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. 5. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestièreDéfis à relever.Contraintes techniques à résoudre pour atteindre les rendements de l’éthanol depremière génération.Développer un système d’approvisionnement en biomasse efficace et rentable.Le prix et la disponibilité de la biomasse lignocellulosique et agricole peut êtresujet 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. 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 BoivinL’optimisation des procédés de conversions et de fermentations pourrais faireaugmenter 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. 7. Transformer la biomasse en carburant !? ? Comment passer de la forêt à la pompe ?
  8. 8. Schéma du procédé Distillation Biomasse 1. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible.2. Hydrolyse. 4. FermentationFaire du sucre. 3. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
  9. 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% deLignine la masse de l’arbre et21 à 25 % contiennent les sucres fermentescibles Hémicellulose 25 à 35 % Cellulose 35 à 45 % Sucres 60 à 80% !
  10. 10. Schéma du procédé Distillation Biomasse 1. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible.2. Hydrolyse. 4. FermentationFaire du sucre. 3. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
  11. 11. Première étape prétraitement de la fibre Mise en pâte.Transformation mécanique permettant la séparationde la lignine.Procédé testé au CTRITesté avec des résidus (branches) d’épinette noire.Nos tests menés sur des branches avec et sans écorce ont donnés desrésultats similaires.Pas nécessaire d’enlever l’écorce avant de traiter les branches.À tester avec d’autres sources de biomasse.
  12. 12. Schéma du procédé Distillation 1. Biomasse 2. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible.3. Hydrolyse. 5. FermentationFaire du sucre. 4. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
  13. 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 FermentationImage tirée du sitehttp://www.lbl.gov/Publications/YOS/Feb/ Mannose
  14. 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 acideDégradation de la cellulose par l’acidesulfurique.Approvisionnement en acide sulfuriquepermettant une compétitivité régionale.Contraintes : récupération de l’acide,neutralisation du milieu, production decomposés inhibiteurs. Production d’acide sulfurique par Xtrata
  15. 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 minUtilisation des micro-ondes pour l’hydrolyse acide de la biomasse un procédé novateurAvantage 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 decomposés inhibiteurs• Moins énergivore Avec la méthode développée au CTRI 86% des polymères provenant de la pâte sont converti en sucre
  16. 16. Schéma du procédé Distillation Biomasse 1. Prétraitement Mise en pâte. Rendre la fibre accessible.2. Hydrolyse. 4. FermentationFaire du sucre. 3. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
  17. 17. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Neutraliser et détoxifier l’hydrolysatAvant 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 fermenterla solution directement sans détoxification Sucres + H2SO4+ 2NH4OH 2H2O + (NH4)2SO4 + eau selLa 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. 18. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Purification de l’hydrolysatDeux techniques sont à l’essai présentement au CTRIsoit la filtration membranaire et l’électrodialyse.1. Filtration membranaire 2. L’électrodialyse L’acide est séparé des sucresDans un premier temps l’acide est directement à l’aide d’un courantNeutralisée avec l’ammoniaque, ensuite électrique et de membranes échangeusesles sucres sont séparés des sels par nano- d’ionsFiltration.
  19. 19. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Filtration membranaireLa nanofiltration est un procédé de séparation mécanique basé sur la grosseur desparticules 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. 20. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière ÉlectrodialyseCette technique consiste à faire migrer sous un courant électrique les ions SO4 2-de l’hydrolysat à travers une membrane échangeuse d’anions (MEA) pour qu’ilsréagissent 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. 21. Schéma du procédé Distillation Biomasse1. PrétraitementMise en pâte.Rendre la fibre accessible.2. Hydrolyse. 4. Fermentation.Faire du sucre. Optimisation du rendement. 3. Détoxification. Solution propice à la fermentation.
  22. 22. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Fermentation Transformer les sucres en alcool Sélection d’une souche microbienne.Hydrolysat cellulosique contenantGlucose 67.4 % Ne fermente pas le xylose !Xylose 10 % Perte de rendement par rapport auxMannose 13.4 % sucres totaux.Arabinose, galactoseSaccharomyces cerevisiae (levure à bière) Fermente les 3 sucres.Sheffersomyces Permettra d’avoir un rendementstipitis optimal, particulièrement avec les espèces riches en hémicellulose.Saccharomyces est une espèce bien connue et largement utilisée dansl’industrie.Sheffersomyces demande un peu plus d’optimisation mais permettra unmeilleur rendement si les concentrations de xylose sont élevés.
  23. 23. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière Optimisation de la fermentation Obtenir le maximum d’éthanol par molécule de sucreMilieu optimal !!! Le rendement théorique maximum est de 0.51g de calcium gramme de sucre. Panthoténate d’éthanol par CaCl2(2H2O) Niacine H3BO3K2HPO4 du sucre est utilisé Pyridoxamine sa croissance cellulaire. Une partie par la levure pour AlaninineKH2PO4les conditions pour un Acide Thioctique des sucres convertis en éthanol). Définir rendement optimal (% AginineFeSO4(7H2O) Acide folique Acide aspartiqueMgSO4(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 LeucineCytosine des levures pour le fermenteur. Préparation Cystéine IsoleucineGuanine ZnSO4(7H2O)Uracile CoCl2(6H2O) Trop complexe pour unThymine Présentement des tests préliminaires 2O) permettent usage industriel de MnCl2(6H nous d’atteindre de plusThiamine 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. 24. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière La fermentationParamètres à contrôler1. pH2. Température (30°C)3. Agitation4. OxygénationFermentation en batch1. Préparer les levures2. Hydrolysat + additifs3. Fermentation 24-30hPoints critiques à surveillerForcer la levure à utiliser le sucre pourproduire de l’éthanol.Atteindre 100% de consommation dessucres. Fermenteur de laboratoire 2.5Éviter les phénomènes d’inhibition. litres
  25. 25. La suite de nos travaux de rechercheFermentation en continu par filtration membranaire.Purifier l’éthanol en continu lors de la fermentation.Meilleur rendementPlus économiquePermet d’éviter les phénomènes d’inhibition et d’arrêt dela fermentation.Test avec différentes essences etdifférentes sources de biomasse.Travailler directement avec descopeaux plutôt qu’avec de la pâte.
  26. 26. ConclusionsLa région de l’Abitibi-Témiscamingue peut se démarquer dans l’importantmarché de l’éthanol cellulosique grâce à son accès à la biomasse forestière.L’hydrolyse acide est la méthode la plus avantageuse de prétraitement àcause de la disponibilité de ce produit en région.Des procédés novateurs d’hydrolyse au micro-onde et de purificationd’hydrolysat sont en développement.Une bonne expertise scientifique et technique sur la production d’éthanolcellulosique se développe au CTRI.
  27. 27. RemerciementsNotre levure qui travaille fort L’équipe biomasse du CTRI Pierre-Olivier Gendron Jasmina Lahlah Félicia Porqueres Hassine Bouafif Jean Boivin Robin Potvin Sheffersomyces stipitisCentre national en électrochimie et Partenaire financiertechnologies environnementales Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie
  28. 28. Questions ?
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