Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., et Wu, Y. (2014). « Relancer le processus d’hydrolyse acide de la matière lignocellulosique dans la bioraffinerie », BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
L’hydrolyse acide de la matière lignocellulosique (LM) est l’un des sous-processus les plus étudiés et les plus importants dans la bioraffinerie LM. Après l’hydrolyse acide, le LM peut être converti en divers biocarburants, produits biochimiques et biomatériaux par des méthodes chimiques ou biochimiques. Cependant, l’hydrolyse acide conventionnelle du LM n’est pas considérée comme un procédé rentable et respectueux de l’environnement car elle présente des inconvénients tels que des difficultés de récupération de l’acide, la corrosion de l’équipement et des déchets chimiques provenant de la neutralisation de l’acide et de l’élimination des produits de dégradation du LM. L’utilisation de liquides ioniques et d’acides solides pendant l’hydrolyse des LM a fourni des outils techniques potentiels pour surmonter ces problèmes et a donné une nouvelle vie au processus d’hydrolyse acide des LM dans la bioraffinerie. Cet éditorial abordera le rôle du procédé d’hydrolyse acide LM dans la bioraffinerie LM, fournira une analyse du procédé conventionnel d’hydrolyse acide LM et abordera brièvement les nouveaux développements du procédé acide LM.
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Revivre le processus d’hydrolyse acide de la matière lignocellulosique dans la bioraffinerie
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Jie Chen,b et Yuanxin Wu b
L’hydrolyse acide de la matière lignocellulosique (LM) est l’un des sous-processus les plus étudiés et les plus importants dans la bioraffinerie LM. Après l’hydrolyse acide, le LM peut être converti en divers biocarburants, produits biochimiques et biomatériaux par des méthodes chimiques ou biochimiques. Cependant, l’hydrolyse acide conventionnelle du LM n’est pas considérée comme un procédé rentable et respectueux de l’environnement car elle présente des inconvénients tels que des difficultés de récupération de l’acide, la corrosion de l’équipement et des déchets chimiques provenant de la neutralisation de l’acide et de l’élimination des produits de dégradation du LM. L’utilisation de liquides ioniques et d’acides solides pendant l’hydrolyse des LM a fourni des outils techniques potentiels pour surmonter ces problèmes et a donné une nouvelle vie au processus d’hydrolyse acide des LM dans la bioraffinerie. Cet éditorial abordera le rôle du procédé d’hydrolyse acide LM dans la bioraffinerie LM, fournira une analyse du procédé conventionnel d’hydrolyse acide LM et discutera brièvement des nouveaux développements du procédé acide LM.
Mots clés : Procédé d’hydrolyse acide ; matière lignocellulosique ; bioraffinerie
Coordonnées : a : Collège de biotechnologie et d’ingénierie pharmaceutique, Université de West Anhui, Lu’an 237012, PR Chine ; b : Laboratoire clé pour le processus chimique vert du ministère de l’Éducation, Laboratoire clé Hubei du nouveau réacteur chimique et de la technologie chimique verte, École de génie chimique et de pharmacie, Institut de technologie de Wuhan, Wuhan 430073, PR Chine;
* Auteur correspondant : [email protected]
Rôle du processus d’hydrolyse acide LM dans la bioraffinerie
Les demandes d’énergie toujours croissantes et les préoccupations environnementales, ainsi que la diminution des réserves de combustibles fossiles, ont suscité un nombre croissant de travaux visant à développer une technologie de plate-forme de bioraffinage pratique et efficace pour convertir la matière lignocellulosique (LM) en biocarburants, en produits chimiques précieux et en biomatériaux (Cheng et Zhu 2009). Le LM est un mélange complexe de cellulose, d’hémicellulose et de lignine qui est étroitement lié par des interactions physiques et chimiques. Le processus d’hydrolyse acide du LM peut efficacement décomposer sa structure complexe, fractionner ses composants et convertir sa cellulose et son hémicellulose en mono-sucres (hexoses et pentoses), qui peuvent être convertis en divers biocarburants et produits biochimiques par des méthodes biochimiques et chimiques. Le processus d’hydrolyse acide du LM peut être un point d’entrée dans un schéma de bioraffinage du LM (Rinaldi et Schuth 2009). Après l’hydrolyse acide des LM, les mono-sucres obtenus comme source de carbone peuvent être fermentés en de nombreux produits, dont l’éthanol, le butanol, les acides organiques et les solvants (Fig. 1). Ils peuvent également être transformés chimiquement en composés importants de la plateforme de bioraffinage tels que le xylose, le furfural, le 5-hydroxyméthyl furfural et l’acide lévulinique, qui peuvent ensuite être convertis en une série de biocarburants, de produits chimiques de valeur et de biomatériaux. La lignine obtenue peut être utilisée comme additif pour le ciment, incinérée comme combustible pour l’électricité, ou transformée en produits chimiques fins, par exemple, en liants et adhésifs naturels.
Fig. 1. Schéma de bioraffinage du LM basé sur le processus d’hydrolyse acide du LM
Analyse du processus conventionnel d’hydrolyse acide du LM
L’hydrolyse acide du LM pour la production d’éthanol et de produits chimiques a une histoire de près de 100 ans (Taherdazeh et Karimi 2007). L’hydrolyse acide conventionnelle du LM comprend deux types de procédés : le procédé d’hydrolyse acide dilué et le procédé d’hydrolyse acide concentré. Le procédé d’hydrolyse acide dilué fonctionne souvent à haute température et à haute pression. Le procédé Scholler est un procédé typique d’hydrolyse acide diluée. Dans ce procédé, on utilise de l’acide sulfurique à 0,5 % et on le fait fonctionner à 170 oC sous 20 bars pendant environ 45 minutes. Le rendement en mono-sucres dans l’hydrolysat n’est que d’environ 50% car une grande quantité de sous-produits est formée. Afin d’améliorer ce procédé, des efforts ont été faits pour augmenter le rendement en mono-sucres de l’hydrolysat et sa productivité. Par exemple, le système d’hydrolyse en deux étapes et l’opération d’hydrolyse continue ont été développés. Malgré ces progrès, le procédé d’hydrolyse acide diluée présente toujours des inconvénients tels qu’une forte corrosion de l’équipement, des conditions d’exploitation difficiles et de faibles rendements en mono-sucres dans l’hydrolysat. Le procédé d’hydrolyse acide concentré fonctionne généralement à température ambiante avec un acide minéral concentré. Le procédé Bergius est un procédé typique d’hydrolyse concentrée. Le procédé d’hydrolyse concentrée a toujours un rendement élevé en mono-sucres dans l’hydrolysat. Son principal problème est la forte corrosion de l’équipement et la récupération inadéquate de l’acide. Bien que certaines mesures aient été prises pour résoudre ces problèmes, par exemple en utilisant du HCl gazeux ou du HF anhydre pour faciliter la récupération de l’acide, ces problèmes existent toujours. De plus, l’hydrolysat doit être neutralisé et détoxifié avant de pouvoir être utilisé pour produire de l’éthanol, qu’il provienne du procédé d’hydrolyse acide dilué ou du procédé d’hydrolyse acide concentré. Cela augmentera le coût du processus et posera certains problèmes environnementaux. Sur la base de cette analyse, il est clair que le processus conventionnel d’hydrolyse acide LM, qu’il s’agisse du processus d’hydrolyse acide dilué ou du processus d’hydrolyse acide concentré, présente ses propres inconvénients pour devenir un processus rentable et respectueux de l’environnement dans la bioraffinerie LM.
Nouveaux développements dans le processus d’hydrolyse acide LM
Pour surmonter les inconvénients du processus conventionnel d’hydrolyse LM, certaines nouvelles technologies ont été adoptées. Parmi elles, l’utilisation de liquides ioniques et d’acides solides est la plus prometteuse (Guo et al. 2012 ; Jiang et al. 2012 ; Li et al. 2008 ; Wang et al. 2011). Les liquides ioniques sont un groupe de sels organiques récemment étudiés qui existent sous forme liquide à des températures relativement basses (<100 oC). En raison de leur pression de vapeur non détectable et de leur grande stabilité chimique et thermique, ils sont souvent appelés « solvants verts ». Une série d’études a montré que la LM ou certains de ses composants peuvent être dissous dans des liquides ioniques hydrophiles à base d’imidazolium tels que le chlorure de 1-butyl-3-méthylimidazolium, le chlorure de 1-allyl-3-méthylimidazolium, le chlorure de 1-benzyl-3-méthylimidazolium et l’acétate de 1-éthyl-3-méthylimidazolium (Zhu et al. 2006). Lorsque le LM peut être complètement dissous dans les liquides ioniques, le processus d’hydrolyse acide du LM dans les liquides ioniques est une réaction homogène. Par rapport au procédé classique d’hydrolyse acide diluée, l’hydrolyse acide de la LM dans les liquides ioniques peut être réalisée dans des conditions douces. Par rapport au procédé conventionnel d’hydrolyse acide concentrée, l’hydrolyse acide de LM dans les liquides ioniques ne nécessite qu’une quantité infime d’acide. Cela permet de réduire considérablement la corrosion de l’équipement et le coût du processus. C’est également un procédé plus respectueux de l’environnement. Lorsque le LM ne peut être que partiellement dissous dans les liquides ioniques, le processus d’hydrolyse acide du LM dans les liquides ioniques est toujours une réaction hétérogène. Cependant, certains composants du LM dissous dans les liquides ioniques modifient sa structure, ce qui conduit à un processus d’hydrolyse acide du LM relativement plus rapide (Tadesse et Luque 2011). Par conséquent, l’utilisation de liquides ioniques fournit en effet de nouvelles opportunités pour améliorer le processus d’hydrolyse LM conventionnel.
En dehors des liquides ioniques, l’utilisation d’acides solides est un autre choix pour améliorer le processus d’hydrolyse acide LM conventionnel. Par rapport aux acides minéraux utilisés dans le procédé conventionnel d’hydrolyse acide LM, les acides solides sont facilement récupérés à partir de l’hydrolysat et ils sont également moins corrosifs pour l’équipement ; ils réduisent donc le coût du procédé et sont plus respectueux de l’environnement. Les acides solides couramment utilisés dans le procédé d’hydrolyse LM peuvent être regroupés en cinq types : Les zéolithes de forme H, les oxydes de métaux de transition, les résines échangeuses de cations, les acides solides supportés et les composés hétéropolitiques. Parmi eux, l’acide solide carboné est considéré comme l’un des plus prometteurs car il permet un bon accès du LM aux sites acides des groupes SO3H, ce qui lui confère une activité et une sélectivité élevées. Ces dernières années, des études de recherche ont démontré que de nouvelles technologies telles que les micro-ondes, l’ultra-sonication et la nanotechnologie peuvent améliorer considérablement l’activité et la sélectivité pendant l’hydrolyse acide solide de LM (Guo et al. 2012 ; Jiang et al. 2012). Bien que l’utilisation de liquides ioniques et d’acides solides présente ces avantages, il existe encore de grands défis concernant leur utilisation à l’échelle industrielle. Pour la technologie des liquides ioniques, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre le mécanisme de l’hydrolyse des acides LM dans les liquides ioniques, et pour comprendre comment réduire leur coût de synthèse, pour augmenter l’efficacité de la séparation des liquides ioniques avec les mono-sucres dans l’hydrolysat, et comment recycler les liquides ioniques. En ce qui concerne la technologie des acides solides, les travaux doivent se concentrer sur la conception d’acides solides présentant une activité, une stabilité et une sélectivité élevées. Sur la base des progrès récents dans le domaine, il est raisonnable de s’attendre à ce qu’un processus d’hydrolyse acide LM industriel efficace et économiquement viable dans la bioraffinerie soit établi dans un avenir proche.
ACKNOWLEDGMENTS
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de la Chine No.21176196, Lu’an City Orientation Commissioned the West Anhui University Project No.201310376001, et West Anhui University Outstanding Young Talent Foundation WXYQ1306.
REFÉRENCES CITÉES
Cheng, S., et Zhu, S. (2009). « Bioraffinage des matières premières lignocellulosiques – l’avenir de l’industrie chimique et énergétique », BioResources 4(2), 456-457.
Guo, F., Fang, Z., Xu, C. C., Smith Jr, R. L. (2012). « Hydrolyse de la biomasse médiée par l’acide solide pour produire des biocarburants », Prog. Energy Combust. Sci. 38(5), 672-690.
Jiang, Y., Li, X., Wang, X., Meng, L., Wang, H., Peng, G., Wang, X., et Mu, X. (2012). » Saccharification efficace de la biomasse lignocellulosique sur un acide solide dérivé de résidus d’hydrolyse sous irradiation par micro-ondes « , Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q., et Zhao Z. (2008). » Acide dans un liquide ionique : Un système efficace pour l’hydrolyse de la lignocellulose », Green Chem. 10(2), 177-182.
Rinaldi, R., et Schuth, F. (2009). « L’hydrolyse acide de la cellulose comme point d’entrée dans les schémas de bioraffinage », ChemSusChem. 2, 1096-1107.
Tadesse, H., et Luque, R. (2011). « Advances on biomass pretreatment using ionic liquid : an overview », Energy Environ. Sci. 4, 3913-3929.
Taherdazeh, M. J., et Karimi, K. (2007). « Procédés d’hydrolyse à base d’acide pour l’éthanol à partir de matériaux lignocellulosiques : A review, » BioResources 2(3), 472-499.