Bio-ME - Bio-Matières et Energies

INnovation en chimie VERTe par la TOrréfaction – INVERTO

INVERTO ou comment valoriser chimiquement les co-produits de la torréfaction de biomasse

Les co-produits condensables issus de la torréfaction de la biomasse, actuellement vus comme des effluents gênants, peuvent apporter un bonus substantiel au procédé s’ils sont valorisés dans l’industrie chimique en vue d’obtenir des molécules à haute valeur ajoutée.

Mettre en œuvre une stratégie de co-valorisation énergie /matière de la biomasse

En vue de tirer au mieux partie du potentiel limité de biomasse lignocellulosique, il est indispensable aujourd’hui d’envisager des synergies de valorisation énergie / matière au sein des mêmes procédés, afin d’améliorer les performances économiques et environnementales de ceux-ci. <br />L’optimisation de la torréfaction, opération de prétraitement thermique de la biomasse, s’intègre à cette démarche. En effet, le produit de la torréfaction est un biocombustible solide, utilisé notamment dans les filières Biomass-to-Liquid, et les co-produits associés, en particulier condensables, sont aujourd’hui vus comme des effluents pénalisants, à traiter et apportant au mieux un appoint d’énergie au procédé. Or ces condensables, qui représentent plusieurs milliers de tonnes par an pour une unité de torréfaction typique, sont formés de nombreux composés, dont beaucoup sont identiques à ceux que l’industrie chimique valorise habituellement. Chercher à bénéficier de cette synthèse de molécules réalisée naturellement apparaît comme une option prometteuse, susceptible d’apporter un « bonus » substantiel au procédé. Elle n’a pourtant jamais été, à notre connaissance, explorée. Dans ce contexte, l’objectif du projet INVERTO est d’étudier la faisabilité et l’intérêt de cette filière de valorisation chimique des co-produits condensables issus de la torréfaction de biomasses lignocellulosiques, en vue d’obtenir des molécules hautement valorisables. <br />

Il s’agit tout d’abord de déterminer le plus exhaustivement possible la composition des condensables issus de la torréfaction d’un panel représentatif des biomasses utilisables afin de pouvoir sélectionner les espèces condensables ayant un fort potentiel de valorisation pour l’industrie chimique et établir les spécifications attendues sur celles-ci. En parallèle, des techniques innovantes d’analyse des condensats doivent être développées.
On cherche ensuite à optimiser les paramètres de torréfaction en vue de privilégier la production des molécules sélectionnées précédemment, tout en tenant compte des contraintes requises sur le solide.
En parallèle, on s’intéresse à l’extraction et l’isolement des molécules d’intérêt selon les attentes définies par l’industriel. Un travail couplant expériences sur pilote et modélisation thermodynamique doit permettre de mettre au point un procédé de traitement des condensats adapté.
En dernière année de projet, une validation de l’ensemble du procédé est prévue à l’échelle pilote. Enfin, une évaluation technico-économique de la filière et une analyse de son cycle de vie, tenant compte des aspects toxicité, écotoxicité et durabilité des molécules produites, seront réalisées, afin de conclure sur le potentiel de mise en œuvre industrielle de la filière.

A l’heure actuelle, le CEA et le CIRAD ont sélectionné, approvisionné et caractérisé quatre biomasses typiques des grandes familles présentant des comportements différents en torréfaction. En outre, le CIRAD a effectué un travail d’amélioration du bouclage des bilans matière dans le dispositif analytique de torréfaction ALIGATOR. Des expériences ont également été menées sur trois biomasses à différentes températures dans le dispositif analytique de torréfaction TORNADE du CEA. Le LGC a pour sa part acquis undispositif d’analyse innovant qui doit permettre une caractérisation plus fine des condensables. A partir des compositions de condensables identifiées jusqu’à présent, PCAS a proposé une première version d’un tableau regroupant à la fois les caractéristiques physico-chimiques, les données d’écotoxicité et les informations sur le marché des espèces chimiques valorisables. En parallèle, le CEA a travaillé à la mise au point d’un dispositif expérimental original, qui va permettre d’obtenir les données cinétiques nécessaires à la modélisation puis l’optimisation de la torréfaction. Concernant le traitement des condensats, le LGC a choisi, en s’appuyant sur l’état de l’art, de privilégier les procédés propres tels que la distillation sous vide. Les premiers essais qu’il a menés en utilisant cette technique tendent à confirmer le potentiel de celle-ci.

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En vue de tirer au mieux partie du potentiel limité de biomasse lignocellulosique, il est indispensable aujourd’hui d’envisager des synergies de valorisation énergie / matière au sein des mêmes procédés, afin d’améliorer les performances économiques et environnementales de ceux-ci.
L’optimisation de la torréfaction, opération de prétraitement thermique de la biomasse, s’intègre à cette démarche. En effet, le produit de la torréfaction est un biocombustible solide, utilisé notamment dans les filières Biomass-to-Liquid, et les co-produits associés, en particulier condensables, sont aujourd’hui vus comme des effluents pénalisants, à traiter et apportant au mieux un appoint d’énergie au procédé. Or ces condensables, qui représentent plusieurs milliers de tonnes par an pour une unité de torréfaction typique, sont formés de nombreux composés, dont beaucoup sont identiques à ceux que l’industrie chimique valorise habituellement. Chercher à bénéficier de cette synthèse de molécules réalisée naturellement apparaît comme une option prometteuse, susceptible d’apporter un « bonus » substantiel au procédé. Elle n’a pourtant jamais été, à notre connaissance, explorée.
Dans ce contexte, l’objectif du projet INVERTO est d’étudier la faisabilité et l’intérêt de cette filière de valorisation chimique des co-produits condensables issus de la torréfaction de biomasses lignocellulosiques, en vue d’obtenir des molécules hautement valorisables.
Cela se traduit par un programme de travail découpé en six tâches, la première consistant à coordonner l’ensemble de l’étude. Dans la tâche 2, il s’agit de déterminer de le plus exhaustivement possible la composition des condensables issus de la torréfaction d’un panel représentatif de biomasses afin de pouvoir sélectionner les espèces condensables ayant un fort potentiel de valorisation pour l’industrie chimique et établir les spécifications attendues sur celles-ci. Pour cela seront réalisés tout d’abord un travail d’amélioration du bouclage des bilans matière dans deux dispositifs analytiques de torréfaction, en s’appuyant sur des techniques d’analyse complémentaires, pour certaines en développement, puis une caractérisation détaillée des molécules obtenues. Dans la tâche 3, on cherchera à optimiser les paramètres de torréfaction en vue de privilégier la production des molécules sélectionnées précédemment, tout en tenant compte des contraintes requises sur le solide. Cela se basera sur un modèle cinétique établi grâce à une étude expérimentale menée dans une thermobalance couplée à un analyseur de gaz et sur des essais de caractérisation des propriétés du solide. La tâche 4 sera consacrée à un point critique du procédé, à savoir l’extraction et l’isolement des molécules d’intérêt selon les attentes définies en tâche 2. Le travail comportera une phase expérimentale d’acquisition de données « procédés » et d’essais à l’échelle laboratoire ainsi qu’une une phase de simulation permettant de définir l’enchaînement des opérations unitaires optimal. Les résultats des tâches 3 et 4 permettront d’effectuer en tâche 5 une validation du procédé à l’échelle pilote. Des condensables seront produits dans un pilote de torréfaction, puis traités dans un pilote de séparation et caractérisés en vue de leur valorisation ultérieure. A partir notamment des résultats de la tâche 5, une évaluation technico-économique de la filière et une analyse de son cycle de vie, tenant compte des aspects toxicité, écotoxicité et durabilité des molécules produites, seront réalisées. Des conclusions seront alors tirées sur les performances de cette filière, sur son intérêt par rapport à la filière de torréfaction « classique » et sur sa potentialité d’intégration industrielle au sein de bioraffineries.
Pour mener à bien ce projet, on s’appuiera sur un consortium resserré de quatre partenaires, experts sur les différentes étapes de la filière.

Coordinateur du projet

Madame DUPONT Capucine (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives) – capucine.dupont@cea.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEA Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives
CIRAD Biomasse énergie - CIRAD
PCAS Produits Chimiques Auxiliaires et de Synthèse
LGC Laboratoire de Génie Chimique
CIRAD Département BIOS et PERSYST

Aide de l'ANR 881 740 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2012 - 36 Mois

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