Production d'aromatiques biosourcés par désoxygénation catalytique des vapeurs de pyrolyse de la lignine – PYRODEOX

La transformation de la biomasse lignocellulosique en carburants ou en synthons réactionnels d’intérêt pour la chimie fine est un enjeu essentiel pour la réduction de l’impact environnemental associé à l’utilisation des ressources fossiles. Contrairement à la cellulose et à l’hémicellulose, la lignine est une ressource encore peu valorisée, alors qu’elle est abondamment produite par l’industrie des pâtes et papiers et sera un sous-produit abondant des bioraffineries cellulosiques de prochaine génération. Différentes technologies existent pour la liquéfaction de la lignine mais la pyrolyse rapide présente des avantages indéniables. Elle permet de convertir 60-75 % de la biomasse lignocellulosique en bio-huile brute, et elle opère en continu, en milieu inerte, et sans consommation de solvant. La bio-huile doit cependant être transformée pour être valorisée. Contenant jusqu’à 55 % de composés phénoliques, elle est une source d’hydrocarbures aromatiques simples (BTX). L’hydrodésoxygénation (HDO) catalytique est le procédé catalytique le mieux adapté pour transformer les monomères phénoliques en BTX. Le catalyseur, en activant sélectivement les liaisons C-O, va permettre la désoxygénation des composés phénoliques en évitant leur hydrogénation. Ces deux procédés sont donc des briques essentielles pour assurer la rentabilité des bioraffineries par une meilleure valorisation de la fraction lignocellulosique.
Le projet PYRODEOX vise ainsi l’étude de la désoxygénation catalytique de vapeurs de pyrolyse de la lignine, avec comme objectif l’amélioration des rendements de transformation en hydrocarbures aromatiques. L’équipe projet constituée associe 5 laboratoires, labellisés par le CNRS : UCCS (Univ. Lille), IC2MP (Univ. Poitiers), et L2CM, LPCT, et LRGP (tous trois de Univ. Lorraine) afin de regrouper des compétences en chimie des matériaux, modélisation moléculaire, catalyse hétérogène et génie des procédés. Les compétences ainsi réunies permettent le développement d’une approche multi-échelle, de la modélisation ab-initio à l'échelle moléculaire des surfaces jusqu’à l’étude des performances des catalyseurs sur des vapeurs de pyrolyse de lignine issues d’un procédé d’hydropyrolyse en continu.
Le projet visera tout d’abord à synthétiser des catalyseurs hétérogènes à base de métaux abondants, dont les paramètres clés seront optimisés : (i) propriétés texturales des supports, et notamment la stabilisation d’une porosité hiérarchique, (ii) L’oxophilicité / l’acidité de la surface, (iii) et les caractéristiques fines des métaux (dispersion, localisation et composition). Ainsi, des supports silices présentant des porosités hiérarchiques seront synthétisés, modifiées par l’introduction de différentes phases oxydes (ZrOx, TiOx, AlOx, ZnO), puis les phases métalliques (Ni, Fe, Co et Cu) seront dispersées de manière contrôlée à la surface des pores.
Ces catalyseurs seront étudiés pour l’HDO de molécules oxygénées modèles (m-crésol, anisole et guaiacol) sous des pressions d’hydrogène modérées (2-4 MPa) avant d’être testés sur lignine réelle en micropilote réactionnel. Les propriétés des catalyseurs (activité, rendement en aromatique, et stabilité) seront rationalisées par les études DFT menées sur l’adsorption de molécules oxygénées modèles en tenant compte de l’effet des inhibiteurs H2O, CO et CO2. L’ensemble de ces résultats permettra la description du mécanisme réactionnel et l’obtention des données cinétiques clés.
Une étape de scale-up est également prévue sur deux formulations catalytiques qui seront synthétisés à l’échelle du kilogramme et mises en forme. Ces catalyseurs seront testés dans un hydropyrolyseur fonctionnant sous haute pression et en continu (conditions réelles). Les données collectées permettront l’établissement d’un modèle Aspen Plus et d’une analyse du cycle de vie. Le projet s’achève par une étude technico-économique préliminaire permettant de conclure sur la pertinence du procédé optimisé.