A multiscale approach to understand and predict the effects of hydrothermal treatment on lignocellulosic biomass
Une approche multi-échelle pour comprendre et prévoir les effets de la cuisson acide sur la biomasse lignocellulosique
Résumé
Lignocellulosic biomass is a promising feedstock for the production of renewable fuels and bio-based chemicals. However, due to the recalcitrant macromolecular structure of plant stems, a pretreatment is required to make carbohydrates sufficiently accessible for enzymatic hydrolysis. Among the large range of available processes, steam explosion stands out, as it requires no additional solvent and can be applied to a variety of raw materials. It consists of two steps: a hydrothermal treatment followed by a sudden decompression.Biomass alterations during hydrothermal treatment have a great impact on the explosion and the subsequent steps of bioethanol production. Caused by chemical alterations, these modifications are reflected at multiple spatial levels. For this reason, a multiscale approach is proposed in the present work, with the ultimate goal of providing macroscopic mechanical indicators of the treatment kinetics likely to give rules to optimize the residence time and treatment temperature during hydrothermal treatment. To understand how the mechanical behavior at the macroscopic scale is affected by the changes in the properties at molecular and microscopic scales during treatment, three disciplines – mechanics, chemistry and imaging techniques – were combined. Because of its fast growth and low need of fertilizers, poplar (Populus euro-americana ‘Koster’) was used as model biomass for this study.At the microscopic level, the use of Raman confocal microscopy revealed that chemical alterations depend on the organization of the different components within the cell wall and their interactions with each other. The unique combination of this technique with X-ray nano-tomography provided a global vision of the degradation of the cell wall after hydrothermal treatment, with valuable information on both topochemical and anatomical changes of the samples. Complimentary wet chemistry analysis allowed to quantify the concomitant hydrolysis and degradation of biomass.At a macroscopic level, an in-house developed device was improved to accurately perform continuous mechanical tests on macroscopic solid samples (various combinations of strain and stress) under water-saturated conditions up to 190 °C. The effect of residence time is therefore continuously monitored. Through elasticity and stress relaxation measurements, viscoelastic properties were used to compare different treatment conditions (temperature levels and acidity). Finally, this device allowed the kinetics of sample shrinkage to be measured. From these results a DAEM model was identified. The degree of conversion of the biomass, as calculated from this model, is able to predict the change of physical and chemical characteristics for any time-temperature pathway. These findings prove that shrinkage is an excellent indicator of the chemical degradation of lignocellulosic biomass during the hydrothermal treatment.
La biomasse lignocellulosique est une matière première prometteuse pour la production de biocarburants et de produits chimiques renouvelables. Cependant, en raison de la structure macromoléculaire récalcitrante des tiges de plantes, un prétraitement est nécessaire pour rendre les glucides suffisamment accessibles pour l'hydrolyse enzymatique. Parmi la vaste gamme de prétraitements disponibles, l'explosion à la vapeur se distingue car elle ne nécessite pas de solvant et peut être appliquée à diverses matières premières. Elle se déroule en deux étapes : une cuisson acide suivie d'une décompression brutale.Les modifications subies par la biomasse lors de la cuisson acide ont un impact important sur la phase explosive et les étapes ultérieures de la production de bioéthanol. Elles affectent ainsi largement la rentabilité de l'ensemble de la chaîne de production. Ayant pour origine des altérations chimiques, ces modifications sont observables à de multiples échelles.C'est pourquoi une approche multi-échelle est proposée dans ce travail, avec pour objectif ultime de fournir des indicateurs mécaniques macroscopiques de la cinétique du traitement, susceptibles de donner des règles pour optimiser le temps de séjour et la température de la cuisson acide. Pour comprendre comment le comportement mécanique à l'échelle macroscopique est affecté par les changements de propriétés à l'échelle moléculaire et microscopique au cours du traitement, trois disciplines – mécanique, chimie et imagerie – ont été combinées. En raison de sa croissance rapide et de son faible besoin en engrais, le peuplier (Populus euro-americana 'Koster') a été utilisé comme biomasse modèle pour cette étude.Au niveau microscopique, la microscopie confocale Raman a révélé que les altérations chimiques dépendent de l'organisation des différents composants à l'intérieur de la paroi cellulaire et de leurs interactions entre eux. La combinaison unique de cette technique avec la nano-tomographie à rayons X a permis d'obtenir une vision globale de la dégradation de la paroi cellulaire après la cuisson acide, avec des informations précieuses sur les modifications topochimiques et anatomiques des échantillons. Des analyses chimiques complémentaires ont permis la quantification de l'hydrolyse concomitante de la biomasse.Au niveau macroscopique, un dispositif développé préalablement au sein du laboratoire a été amélioré pour effectuer avec précision des essais mécaniques continus de la biomasse (diverses combinaisons de contraintes et de déformations) dans des conditions de saturation en eau jusqu'à 190 °C. L'effet du temps de séjour est donc suivi en continu. Grâce à des mesures d'élasticité et de relaxation, les propriétés viscoélastiques ont été utilisées pour comparer différentes conditions de traitement (température et acidité). Enfin, ce dispositif a permis de mesurer pour la première fois la cinétique du retrait de l'échantillon lors de ce type de traitement, à partir de laquelle un modèle DAEM a été identifié. Le degré de conversion de la biomasse, calculé à partir de ce modèle, est capable de prédire l'évolution des caractéristiques physiques et chimiques en fonction des conditions de traitement. Ces résultats prouvent que le retrait est un excellent indicateur de la dégradation chimique de la biomasse lignocellulosique lors de la cuisson acide.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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