Composition chimique du bouleau blanc

Composition chimique du bouleau blanc

Formation du bois

Les trois principaux composants élémentaires, cellulose, hémicellulose et lignine, formant le matériau lignocellulosique, renferment en moyenne environ 50% en masse de carbone, 43% d’oxygène, 6% d’hydrogène, de l’azote et des minéraux comme la silice, le potassium, le calcium, le magnésium et en état de traces ( <0, 1 g/kg) du phosphore, des métaux et du sodium (Browning 1975).La cellulose, composé majoritaire identifié en 1838 par Anselm Payen, est un polymère linéaire avec un degré de polymérisation variant de 100 à 14000 monomères, dont le monomère est essentiellement le glucose. Il peut contenir parfois en faibles quantités d’autres sucres comme la xylose, le galactose ou l’arabinose. Sa forme linéaire ressemble à une hélice et permet de s’arranger entre elles parallèlement sur la longueur pour constituer des rubans. À leur tour ses rubans vont se regrouper pour donner des microcristallines. Par la suite, les microcristallines de glucose vont s’assembler en des microfibrilles qui donneront à plus grande échelle des fibres. Ces fibres, à leur tour, vont constituer la paroi cellulaire des fibres de bois, majoritairement sous un arrangement moléculaire cristallin. Les fibres de celluloses ont la propriété d’être insolubles dans les solutions aqueuses ou solvants aqueux, en plus d’être assez résistantes aux dégradations chimiques pour des températures assez élevées (>200°C). L’hémicellulose est un polysaccharide possédant de nombreuses ramifications ou une structure fortement branchée par rapport à la cellulose. Il est constitué de plusieurs types de monomères de la catégorie des pentoses (xylose, arabinose, etc.) et des hexoses (glucose, mannose, galactose.). L’hémicellulose des feuillus est riche en xylose et glucose tandis que chez les résineux, le polymère contient plus d’hexoses (McMillan 1994, Scheller et Ulvskov 2010). Au regard de la structure fortement branchée de l’hémicellulose, cette qualité rend l’ensemble amorphe et permet l’immixtion de la lignine. On rencontre parfois le terme holocellulose qui suite à une opération d’extraction chimique, représente le mélange récupéré de la cellulose et l’hémicellulose (Rabemanolontsoa et Saka 2012).
La lignine est un mélange de polymères tridimensionnels variés avec des masses moléculaires élevées. Il est surtout formé aléatoirement par polycondensation de trois  monomères, des alcools phénylpropènoïques. En plus de son rôle de liant à l’extérieur des fibres, la lignine aide à résister à l’agression biologique extérieure en constituant une barrière physique par ses propriétés hydrophobes et une barrière chimique par ses actions antioxydantes grâce aux radicaux phényls et méthoxyles présents (-OCI-L des alcools coniférylique et sinapylique). La composition de la lignine diffère comme pour l’hémicellulose, entre les feuillus et les résineux: la lignine de feuillus comporte trois fois plus de composés sinapyl que de composés moléculaires coniféryl, tandis que dans les résineux, il y a autant de composés moléculaires coniféryl que sinapyl (ou syringyl) (Pettersen 1984, Hatakeyama et Hatakeyama 201 0).

Le canola et sa graine

Le canola est primé pour sa graine pouvant donner de l’huile à l’usage alimentaire ou comme biocarburant pour les moteurs diesel. Cette plante herbacée est nommée canola pour « CANadian Oil, Low Acid » au Canada et aux É.-U., car la concentration en acide érucique et en glucosinolates a été abaissée par sélection. Les glucosinolates sont des composés soufrés provoquant des dysfonctionnements thyroïdiens. Pour l’alimentation humaine (margarine, huile de salade, etc.), une huile riche en acide érucique dégage une odeur semblable à la peinture. Lorsque l’huile est utilisée pour la friture, cet acide est susceptible de provoquer des problèmes de santé chez l’homme (CETIOM 1996). Par contre, la présence de cet acide ne pose pas de problèmes pour l’industrie des détergents et des lubrifiants ou dans la transformation en biodiesel ou diester (après estérification des acides gras en methyl-esters). Quant à la teneur en acides gras libres dans la graine, il doit être le plus faible possible pour une commercialisation profitable. Ces acides gras libres sont responsables des odeurs de rances et d’oxydation des corps gras dans les plantes ayant eu trop chaud, circonstance peu probable dans les régions froides comme le Québec (CPVQ 1996).
Le séquençage du génome du canola a été réalisé en intégralité depuis 2014. Son génome a ainsi pu être comparé au chou et à la navette dont le canola est issu par croisement. Son génome est surprenant par le nombre de gènes contenus : 101 000 gènes, à comparer aux 36 000 gènes de la tomate ou de la pomme de terre, ou encore aux 30 000 gènes chez l’homme. Il a été constaté qu’une grande majorité des gènes du canola sont dupliqués. Cette duplication importante suggère un pouvoir de s’adapter et de muter plus facilement en gardant une copie des gènes initiaux (Chalhoub 2014, Chalhoub, Denoeud et al. 2014).

Le pouvoir calorifique des essences du Canada et du bouleau blanc

Il y a deux types de pouvoir calorifique : le pouvoir calorifique supérieur (PCS) et le pouvoir calorifique inférieur (PCI). Les bombes calorimétriques mesurent des PCS et la littérature abonde de ce type de mesure. Le PCI est calculé à partir du PCS en connaissant sa teneur élémentaire en hydrogène. Le PCI est pratique à utiliser dans le sens que l’énergie de condensation de la vapeur d’eau formée n’est pas toujours récupérée par la chaudière.
Le PCS peut être mesuré sur la base d’un échantillon sec ou anhydre, quand l’échantillon a été séché au préalable à l’étuve. Sinon l’échantillon est pris humide et le PCS mesuré est dite sur base humide ou sur sec à l’air.
Singh et Kostecky (1986) ont estimé le PCS moyen sur base sèche pour les principales essences trouvées au Manitoba. Sur la base de quatre essences de feuillus, le PCS mesuré varie de 19,12 à 21,10 MJ/kg sec. Quant aux résineux, mesuré à partir de six essences différentes, la moyenne est entre 18.40 et 20.09 MJ/kg sec. Kryla (1984) a compilé des mesures de pouvoir calorifique de 48 essences du Canada. Le PCS moyen pour le bouleau blanc à 1′ état sec est de 18,8 MJ/kg.
Les valeurs de pouvoir calorifique masstque moyen entre les différentes essences, prises à l’état sec, ne présentent pas de grandes variations. À des fins énergétiques, l’humidité et la densité volumique du bois doivent être considérés à juste titre. L’humidité du bois influence le rendement de combustion des chaudières tandis que la masse volumique a un impact sur le coût de l’énergie transportée (Stevens et Brown 2011). Les essences de bois plutôt dense et se séchant facilement comme le bouleau sont avantagées.

La granulation : densification sous forme de granules

Un des principaux défauts de la biomasse comme biocombustible solide est sa faible densité énergétique. Une des solutions à ce défaut est de recourir à une densification mécanique, pouvant accroître plusieurs fois sa densité si elle était prise à l’état brut dans la nature. Plusieurs techniques de densification sont possibles selon le modus operandi de l’équipement :
• densification par calandrage,
• densification par extrusion et vis,
• densification par extrusion et piston,
• densification par presse alternative,
• densification par rouleau sur filière annulaire ou plane,
• densification calandre-filière combinée.
La pression de densification est appliquée au produit selon l’une des trois manières (fumuluru, Wright et al. 2011): par compression directe dans une filière, par extrusion au travers d’une restriction  ou par cisaillement produisant échauffement et ramollissement sous pression (exemple typique du procédé de calandrage). Avant d’entrer plus en détail sur la densification, nous présentons ci-dessous plusieurs termes employés en liaison avec la compression des poudres (Morin 2006, Parikh 2009) :
• Cohésion: force d’adhérence unissant des particules ou des grains d’une poudre.
• Compactibilité: capacité d’une poudre à acquérir de la cohésion ou à s’agglutiner.
• Compaction: transformation de la poudre en forme cohérente sous l’application d’une pression.
• Pelletisation 1 granulation: compaction de la poudre sous forme de granule (pellet en anglais).
• Compressibilité: capacité d’une poudre de réduire son volume sous l’effet de la pression.
• Compression 1 densification: réduction du volume d’une poudre sous l’ application d’une pression.
• Clivage: rupture ou fissure dans l’épaisseur et non seulement en surface (stries). Dans notre cas, les fissures suivent le plan transversal (sur la section) de la granule.
• Friabilité: qualité d’une granule à produire des miettes ou poussières.
• Durabilité: qualité d’une granule à produire des miettes ou poussières par abrasion ou par usure de sa surface.
• Relaxation: dilatation de la poudre compressée après l’application d’une pression.
Selon la branche industrielle, la technologie et la région, un petit élément (quelques cm) de poudre compressée est appelé soit pellet, granulé, granule, granulat, agrégat, cob, moulée, cube, comprimé, compact, tablette ou bien briquette. S’il est produit à partir de fourrage, il est parfois cité agro-pellet ou agri-pellet. Pour les  granules destinées à l’alimentation du bétail ou des volailles, les termes cube et moulée sont généralement employés.

Les paramètres de granulation

La granulation est un processus relativement complexe sans théorie établie et délicate à conduire (Granada, Gonzâlez et al. 2002). En effet, de nombreuses conditions influencent la qualité et l’homogénéité des granules sortants de la filière (Shaw 2008), comme :
• le débit d’alimentation,
• l’entrefer entre le rouleau et la filière,
• la vitesse de rotation filière/rouleau,
• la puissance,
• l’empreinte des rouleaux,
• la granulométrie du matériau à granuler,
• les ajouts éventuels de liants ou d’eau comme utilité du procédé (injection de vapeur),
• le relief usiné à la surface des rouleaux,
• la température,
• l’humidité de la matière première,
• la géométrie de la filière : la longueur du canal et la forme de son entrée.
Les trois derniers paramètres jouent un rôle capital sur la densification par granulation. La densification de la sciure de bois est obtenue par l’action conjuguée de la chaleur, de l’humidité et de la compression obtenue par un effet mécanique.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DES CONNAISSANCES
1.1 Le bois
1.1.1Généralité
1.1. 2Formation du bois
1.2 Le bouleau blanc
1.2.1Généralité
1.2.2Composition chimique du bouleau blanc
1.2.3Propriétés mécaniques
1.2.4Propriétés physiques
1.2.5Séchage du bouleau blanc
1.2.6Durabilité du bois de bouleau blanc
1.3 Le canola et sa graine
1.3.1Généralité
1.3.2La composition chimique de la graine de canola.
1.3.3L’anatomie des graines de canola
1.3.4Les propriétés physiques et mécaniques des graines
1.4 Le pouvoir calorifique des essences du Canada et du bouleau blanc
1.5 La granulation : densification sous forme de granules
1.5.1Généralité
1.5.2La compaction sous forme de granules
1.5.3La granulation par l’application d’ un rouleau sur une filière
1.5.4L’ aspect macroscopique de la cohésion durant la granula ti cm
1.6 Les paramètres de granulation
1.6.1 Débit d’alimentation.
1.6. 2Entrefer
1.6.3Vitesse de rotation des rouleaux
1.6.4Empreinte des rouleaux
1.6.5Puissance
1.6.6Granulométrie
1.6. 7Pression ou force de compaction
1.6. 8Double-granulation
1.6.9Ajouts ou additifs
1.6.10Humidité du mélange
1.6.11Température de la filière
1.6.12Géométrie des canaux de la filière
1. 7 La Modélisation de la granulation
1.8 Les normes de qualité des granules
1. 8.1 Densité en vrac ou masse volumique apparente
1. 8. 2 Pouvoir calorifique
1. 8. 3 Durabilité
1. 8.4Quantité de fines avant expédition
1. 8.5Taux de cendre
1. 8.6Résistance en compression diamétrale
1. 8. 7Densité ou masse volumique de la granule
1.9 Les tendances générales dégagées de notre étude bibliographique
1.10 Les contraintes intervenant dans nos travaux
1.11 Conclusion de l’étude bibliographique
CHAPITRE 2 MONTAGE ET INSTRUMENTATION D’UNE GRANULEUSE
2.1 Généralité
2.2 Description des principaux éléments du banc expérimental
2.2.1 Le système d’alimentation en mélange à granuler
2.2.2La granuleuse- partie moteur
2.2.3La chambre de granulation
2.2.4Les filières
2.3 Les dispositifs de contrôle-commande
2.3.1 Les commandes de la granuleuse
2.3.2Les capteurs de mesures installés
2.3.3La collecte et traitement des données
2.4 La mise au point de la granuleuse : phase des essais préliminaires
CHAPITRE 3 MATÉRIELS ET MÉTHODES
3.1 Matériels
3.1.1 Les copeaux de bouleau blanc
3.1.2 Les graines de canola
3.2 Plan d’expérimentation
3.2.1 Définition des facteurs-réponses
3.2.2Les facteurs variables
3.2.3Les facteurs fixes
3.2.4Définition du plan d’optimisation pour mélange
3.2.5Détermination du domaine d’étude
3.3 Processus expérimental et méthode de mesure
3.3.1 Détermination de la granulométrie après broyage (étapes 2 et 3)
3.3.2 Mesure de la force de dégagement de la granule du canal (étape 7)
3.3.3Détermination du taux de fines après granulation (étape 8)
3.3.4Détermination du taux d’humidité (étape 9)
3.3.5 Mesures géométriques des granules: longueur et diamètre (étape 10)
3.3.6 Test d’abrasion ou durabilité des granules (étape 11)
3.3.7 Test d’impact ou de choc sur les granules (étape 12)
3.3.8Test de compression diamétrale: résistance à la déformation plastique ( étape 13)
3.3.9Profil de la densité des granules dans le plan longitudinal radial (étape 14)
3.3.10Test de résistance à la flexion 3 points sur la granule (étape 15)
3.3.11Détermination de la densité apparente au pycnomètre à hélium (étape 16)
3.3.12Mesure du pouvoir calorifique massique supérieure (étape 17)
3.4 Construction de la matrice d’expérience
3.5 Élaboration du plan d’expérience
3.5.1 Modélisation mathématique des réponses
3.5. 2 Analyse statistique de la modélisation de la réponse
3.5.3Analyse statistique des coefficients du modèle
3.6Analyse graphique des résultats du plan d’expérimentation
3.6.1Représentation des valeurs résiduelles de l’interpolation
3.6.2Représentation de l’ effet des coefficients de modélisation
3.6.3Représentation des effets moyens et des interactions des facteurs
3.6.4Représentation des courbes iso réponses
3.7 Recherche des conditions optimales du plan d’optimisation
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
4.1 Réduction du plan d’expérience
4.1.1 Effet et choix de la vitesse de rotation de la filière
4.1.2 Effet et choix de la distribution granulométrique
4.2 Plan d’expérience et optimisation des conditions d’essai
4.2.1Modélisation des réponses du plan d’expérience
4.2.2Recherche des conditions optimales
4.2.3Comparaison avec les granules commerciales de qualité supérieure
4.3 Analyses et commentaires des résultats du plan
4.3.1 Évolution de la performance du pouvoir calorifique des granules avec le canola
4.3.2 Influence du débit d’alimentation
4.3. 3 Influence des graines de canola sur la relaxation du diamètre de la granule
4.3.4Relation entre l’humidité de la granule et sa longueur.
4.3.5Influence de l’humidité du mélange sur la durabilité des granules
4.3. 6 Influence des lipides et des protéines du mélange à granuler sur la durabilité des granules
4.4 Étude de l’effet des protéines des graines sur la granule
4.5 Observation du profil densitométrique des granules
CONCLUSION

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