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RÉSUMÉ
L’extraction des hémicelluloses du bois en amont du procédé de production de fibres de cellulose est un moyen de mieux valoriser l’ensemble de la biomasse végétale entrant dans une usine. Cet article aborde l’intérêt de la valorisation des hémicelluloses en comparant l’extraction des hémicelluloses issues de deux espèces de bois (bois résineux mélangés et eucalyptus globulus). Cette extraction est obtenue par une autohydrolyse et une préhydrolyse, en présence d’acide sulfurique. Plusieurs voies de valorisation sont possibles : fermentation des sucres en alcool, production de tensioactifs non ioniques de type polyglucosides d’alkyles, ou production de prébiotiques à partir des oligosaccharides.
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Christine CHIRAT : Professeur - Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LGP2, Grenoble, France
INTRODUCTION
Les activités papetières représentent aujourd’hui les plus importantes transformations chimiques du bois. À l’échelle mondiale l’industrie papetière génère annuellement près de 135 millions de tonnes de fibres de cellulose de pureté comprise entre 80 % et 97 % à partir de procédés dits chimiques. Ces pâtes sont principalement produites à partir de bois. Les fibres de cellulose sont obtenues majoritairement par le procédé kraft qui est un traitement alcalin réalisé à haute température (160 °C en moyenne) sur des copeaux de bois. La quantité de cellulose dans le bois n’étant que de l’ordre de 40 %, des quantités encore plus importantes de sous-produits sont obtenues. Ces sous-produits sont aujourd’hui concentrés et brûlés, ce qui permet aux usines d’être autonomes, voire excédentaires en énergie.
Les hémicelluloses étant dégradées pendant le procédé kraft, un moyen de les valoriser serait de les extraire en amont du procédé kraft, par un procédé d’autohydrolyse ou d’hydrolyse acide. Les sucres obtenus peuvent permettre de produire une multitude de produits et de matériaux, comme des alcools par fermentation, des tensioactifs verts (pour la production de savons, shampoings, détergents, cosmétiques), des bioplastiques.
Les objectifs de cet article sont de comparer l’extraction des hémicelluloses de bois feuillus et résineux par autohydrolyse, d’étudier l’effet des paramètres du procédé d’autohydrolyse sur les quantités de sucres extraites, et de donner deux exemples de valorisation des hémicelluloses ainsi extraites : l’un pour la production d’alcool et le second pour la production de tensioactifs. La caractérisation et la valorisation des oligosaccharides extraits sont discutés dans une dernière section.
Domaine : Bioraffineries intégrées à la production de cellulose
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Hydrolyse et solubilisation des hémicelluloses ; dépolymérisation des hémicelluloses
Domaines d’application : Utilisation de sucres issus de ressources non alimentaires
Principaux acteurs français :
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Pôles de compétitivité : Axelera, IAR, Xylofutur
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Centres de compétence : laboratoires de recherche dans le domaine de la chimie du bois, de la bioraffinerie, des glycosciences
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Industriels : industriels papetiers, industriels de la chimie
Autres acteurs dans le monde : même types que décrits plus haut
Contact : [email protected]
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Valorisation des hémicelluloses extraites par autohydrolyse
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3. Effet des paramètres de l’autohydrolyse sur la nature des saccharides
Les effets de la température, de la durée et du ratio liqueur sur bois sur les quantités de xylose extraites ont été étudiés dans le cas de l’autohydrolyse du bois d’eucalyptus globulus (figure 5). Les autohydrolysats contenant majoritairement du xylose, on s’intéressera uniquement à ce sucre dans cette partie. Afin de pouvoir comparer les résultats entre eux, étant donné que le ratio liqueur/bois a varié dans cette série d’essais, les quantités de xylose extrait ont été exprimées en pourcents par rapport au bois, calculé à partir de sa concentration en g/L dans l’autohydrolysat, et en faisant l’hypothèse que la concentration en sucres mesurée dans l’hydrolysat récupéré par filtration est la même que celle de la phase liquide restant dans les copeaux.
Les résultats de la figure 5 permettent de conclure que :
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l’élévation de température entre 150 et 165 °C (à 60 minutes de temps de palier) permet d’augmenter les quantités de xylose dans l’hydrolysat. Lorsque les conditions sont plus dures, et dès 165 °C et 90 minutes de temps de palier, on observe moins de xylose, ce qui ne signifie pas que l’on extrait moins de sucres, mais que les quantités de sucres dégradés sont plus importantes que l’augmentation de sucres extraits. Lorsque l’autohydrolyse est réalisée à 170 °C, on récupère 30 % environ de sucres en moins par rapport aux autohydrolyses réalisées à 160 ou 165 °C ;
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la proportion de monomères augmente lorsque les conditions de l’autohydrolyse sont plus sévères, mais à partir de 165 °C et 90 minutes de temps de palier, cette augmentation du pourcentage de monomères commence à se faire au détriment de la quantité de xylose total (monomère et oligomère) en solution pour les raisons mentionnées ci-dessus ;
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le ratio liqueur/bois n’est pas d’effet significatif entre 2 et 4 sur la quantité de sucres extraits du bois, mais ce ratio va évidemment jouer sur les concentrations des sucres en grammes par litre.
Ces résultats montrent qu’il convient d’optimiser les conditions d’autohydrolyse si l’on souhaite maximiser la quantité de sucres présents dans l’autohydrolysat, ainsi que le pourcentage relatif de monomères. Au-delà...
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Effet des paramètres de l’autohydrolyse sur la nature des saccharides
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MÄKI-ARVELA (P.), SALMI (T.), HOLMBOM (B.), WILLFÖR (S.), MURZIN (D.Y.) - Synthesis of sugars by hydrolysis of hemicelluloses – a review. - Chemical Reviews, 111(9):5638–5666 (2011).
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(2) - RICHTER (G.A.) - Some aspects of prehydrolysis pulping. - Tappi, 39(4):193–210 (1956).
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(3) - SIXTA (H.) - Part 4 Chemical pulping processes – Multistage Kraft pulping, in Handbook of Pulp, - 1er ed., vol. 1, Herbert Sixta, p. 325-346 (2006).
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(4) - SONG (T.), PRANOVICH (A.), SUMERSKIY (I.), HOLMBOM (B.) - Extraction of galactoglucomannan from spruce wood with pressurised hot water, - Holzforschung, vol. 62, n° 6, p. 659-666 (2008).
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(5) - GÍRIO (F.M.), FONSECA (C.), CARVALHEIRO (F.), DUARTE (L.C.), MARQUES (S.), BOGEL-LUKASIK (R.) - Hemicelluloses for fuel ethanol : A review, - Bioresour. Technol., vol. 101, n° 13, p. 4775–4800 (2010).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
EWLP : European Workshop on Lignocellulosics and Pulp : congrès international ayant lieu tous les deux ans en Europe
ISWFPC : International ymposium on Wood, Fiber and Pulp Chemistry : congrès international ayant lieu tous les deux ans, en alternance avec EWLP, en Europe, Asie ou Amérique.
NWBC : Nordic Wood Biorefinery Conference : congrès ayant lieu tous les 18 mois en alternance entre la Finlande et la Suède
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