Généralité sur le processus d’hydrolyse enzymatique et de fermentation de la biomasse végétale

Production et rendement matière (quantité de déchets produit/an)

   En l’absence de toutes nouvelles études statistiques sur la productivité de l’okoumé au Gabon, nous nous en tiendrons aux informations antérieures pour comprendre l’intérêt économique porté sur cette essence. L’exploitation de bois au Gabon à but commercial et industriel a commencé avant 1900. Elle était concentrée dans la zone côtière qui constitue aujourd’hui la première zone forestière du Gabon. Les exploitants recherchaient en particulier certaines essences telles que : Padouk (Pterocarpus soyauxii) utilisé principalement pour la teinture, Ebène (Diospyros crassiflora) utilisé pour la sculpture, Azobé (Lophira alata) encore appelé bois de fer utilisé pour les rails de chemin de fer et certaines essences comme Acajou (Khaya ivorensis), Bilinga (Nauclea diderrichii), Dibetou (Lovoa trichilioïdes), Iroko (Milicia excelsa Berg), Kevazingo (Guibourtia tessmannii), Tali (Erythrophleum ivorense), utilisées en ameublement et menuiserie intérieure. L’introduction de l’okoumé comme essence (au sens forestier) est à l’origine de l’évolution rapide de l’exploitation forestière au Gabon. L’extraction de cette essence commence en 1889, à la suite des conclusions de l’expertise faite sur la bille d’okoumé envoyée à Hambourg, par le gérant de la maison de commerce Woerman, Emile Schultz, Consul d’Allemagne à Libreville. Il est dit de cet arbre qu’il présente un « bois d’excellente qualité…. pouvant se prêter aux plus nombreuses applications… » (Lasserre, 1957). Depuis cette date l’okoumé n’a cessé de dominer les exportations de bois devenant ainsi l’essence phare du Gabon. La part de la production forestière s’élevait à 90% pour un volume de production globale de 2,8 millions de m3 à 1 million de m3 pour la période de 1980 à 2004 (Direction Générale des eaux et Forêt, 2005). La production de grumes au Gabon est passée de 2,7 millions en 2009 à 1,6 millions en 2015, soit une baisse de 45% en lien avec la baisse du marché des bois tropicaux. A partir de 2009, date de l’entrée en vigueur de l’interdiction d’exporter les grumes, l’exportation de grumes représentait un volume de 1,6 millions de m3 soit plus de 60% de la production nationale. Mais de 2010 jusqu’à ce jour plus aucune grume n’est exportée (figure 2).

Description du bois

  Le bois se distingue des autres matériaux par son origine biologique. Ce matériau est issu d’un végétal Spermatophyte (production de graines) que les systématiciens subdivisent globalement en deux catégories : les Gymnospermes, plus communément appelé conifères ou arbres à bois tendre et les Angiospermes, nommés feuillus ou arbres à bois dur. Chacune de ces deux classes renferment des milliers d’espèces ou essences différentes. Le bois ayant une forte variabilité entre deux espèces, deux individus, ou au sein d’un même individu, de nombreuses caractéristiques ont été étudiées pour essayer de comprendre ses mécanismes de formation, sa composition etc. Le bois peut être caractérisé anatomiquement, physiquement, chimiquement et enfin mécaniquement. Dans cette étude nous mettrons un accent particulier sur la caractérisation chimique des coproduits des industries forestières. Produit par l’arbre par photosynthèse, le bois est un matériau naturel défini différemment selon l’utilisateur et l’intérêt porté. Pour le chimiste, le bois est un matériau lignocellulosique composé essentiellement de trois familles : les polysaccharides, la lignine et les extractibles. Notons toutefois qu’au sein d’un même arbre les propriétés du bois vont dépendre de la position dans l’arbre de la fraction étudiée. Le bois formé par un cambium jeune appelé bois juvénile a généralement des propriétés assez différentes du bois adulte (bois formé plus tard). Sur le bois adulte on remarque aussi des différences de propriétés entre le duramen et l’aubier (bois récemment formé) qui contribue encore à l’activité de l’arbre. Ces différences sont dues à la synthèse de constituants chimiques nouveaux à la frontière de zones de bois plus ancien (en vue d’une résistance contre les organismes et microorganismes).

La paroi primaire

  La paroi primaire apparait dès la fin de la division cellulaire. C’est une couche très fine mesurant entre 0,1 et 0,2 µm. A l’état vert cette couche contient beaucoup d’eau. Ainsi, alors que son épaisseur est déjà très faible, le retrait dû séchage peut réduire son épaisseur jusqu’à 0,03 µm. le retrait radial total de l’okoumé étant de 3% environ par rapport à l’état saturé (Medzegue, 2007). Elle contient un taux de cellulose relativement faible et elle est constituée de plusieurs couches de cellulose enchevêtrées dans lesquelles se déposent de la lignine, des substances pectiques et des hémicelluloses. Il y a une absence d’organisation préférentielle dans ces premières couches. L’ensemble constitué de lamelle mitoyenne et des parois primaires des deux cellules adjacentes est la lamelle moyenne.

La lignine

   La lignine est un des trois composés majoritaires de la biomasse lignocellulosique avec la cellulose et les hémicelluloses. A côté de la cellulose, elle est la deuxième ressource naturelle la plus abondante et représente de 18 à 35% de la masse sèche du matériau lignocellulosique soit près de 30% du carbone de la biosphère. Dans la nature, elle est présente sous forme d’un polymère amorphe nommé protolignine. La formation de la protolignine a lieu dans la zone cambiale par activation des précurseurs de lignine (formation de radicaux libres) qui sont polymérisés au hasard dans la paroi cellulaire pour former un polymère tridimensionnel. La lignine est distribuée tout autour de la paroi secondaire qui compose la lamelle moyenne. La grande majorité de la lignine est comprise dans cette région. Comme beaucoup de composés issus de la biomasse, la composition et la structure de la lignine dépendent fortement de la source de matière première. Ce polymère confère une résistance physique aux plantes et offre ainsi une protection à la cellulose et aux hémicelluloses en réduisant les agressions externes de type biologique.

Composition chimique de l’okoumé

   La composition chimique de l’okoumé a été étudiée depuis 1960. Le tableau 4 ci-dessous met en évidence les quantités de polysaccharides, de lignine et d’extraits obtenus par plusieurs auteurs. Les proportions d’holocellulose et de cellulose dans l’okoumé sont comprises entre 77% et 80% et 46 et 55% respectivement. Les taux de lignine et des extractibles sont très variables selon les auteurs. Cette différence est due à la méthode d’extraction, notamment les solvants utilisés. Par exemple, Minkué (2000) trouve une teneur de 3% en utilisant l’hexane, puis un mélange éthanoltoluène suivi d’une extraction à l’eau bouillante. Safou (2005) a extrait 2% avec un mélange toluène-méthanol-acétone suivi d’une extraction à l’eau. Les taux de lignine et de cellulose varient respectivement de 17,2 à 30 % et de 47,8 à 55,7%. Ces différences sont imputables à la méthode d’extraction. Il est connu que la présence de subérine, de polyflavonoïdes et autres molécules à haut poids moléculaires telles que les tanins condensés peuvent limiter l’action des agents de délignification. Ce qui complique la quantification de la lignine et des polysaccharides. Le protocole recommandé pour déterminer le taux d’extraction consiste à procéder à une extraction successive avec des solvants à polarité croissante (Rowell, 2012).

Le procédé organosolv

  Les procédés organosolv sont des techniques de séparation des composants de la biomasse lignocellulosique par l’action de solvants organiques (éthanol, acétone). A 150-200°C et en condition acide, la lignine et une fraction des hémicelluloses sont solubilisées. Qu’elle se fasse dans des conditions acides ou alcalines, l’extraction repose sur le clivage des liaisons éther en α ou β des cycles aromatiques des unités phénylpropanol. Des processus de condensation impliquant des carbocations ou des motifs méthyl-quinones sont observés en fonction des conditions utilisées. Cette technique vient de l’industrie papetière et n’a pas encore connu une prospérité commerciale, parce que la qualité de la pâte produite est jugée inférieure à celle issue du procédé Kraft. De nombreux projets ont cependant vu le jour dans les trente dernières années, chaque fois avec de nouveaux types de solvants. Les possibilités de solvants, généralement une combinaison d’acide faible et d’alcool solubilisés dans un milieu aqueux, donnent à cette famille de procédé une gamme de conditions de fractionnement de la biomasse plus douces que les deux autres procédés précédents. Cette opération permet d’obtenir une isolation des composés plus facile, permettant ainsi la valorisation de toute la biomasse lignocellulosique. De ce fait, elle reçoit un intérêt croissant de la part des bioraffineries notamment pour la production de bioéthanol. Les lignines peuvent alors être séparées du solvant par précipitation par ajout d’eau ou par évaporation du solvant. Le pH de la solution d’extraction est faible du fait de la libération d’acides organiques issus des hémicelluloses. En général, les procédés organosolv permettent d’obtenir de bon rendement de récupération en lignine (El Hage et al., 2010c; Safou-Tchiama et al., 2016) et en sucres (Brosse et al., 2009) . Le principal inconvénient de cette technique demeure le cout élevé du solvant et la nécessité de le recycler en totalité rendant actuellement ce type de procédé peu rentable

Analyse structurale de la lignine par RMN

   La RMN est probablement la technique d’analyse qui a permis de fournir le plus d’informations sur les structures des lignines, que ce soit pour identifier les différentes liaisons entre les monomères ou les différentes fonctions chimiques que porte le polymère. Cette dernière est importante lorsqu’une fonctionnalisation du polymère est envisagée dans le cadre de sa valorisation ultérieure. La RMN HSQC a apporté de nombreuses précisions sur les différents types de liaisons qui unissent les unités aromatiques. Cette technologie s’est avérée particulièrement efficace pour identifier les différentes unités aromatiques composant le polymère (Del Río et al., 2012; Heikkinen et al., 2014a). Elle est par contre techniquement limitée pour quantifier ces différents motifs. En effet, ce type d’analyse requiert des ratios signal sur bruit que ne permettent pas les appareils actuels. La RMN du proton est également utilisée seule pour l’analyse des lignines et peut permettre la quantification de groupements méthoxy présents dans le polymère (Santos Abreu and Freire, 1995). Toutefois cette méthode requiert l’acétylation préalable du matériau. La RMN du phosphore est, quant à elle, une méthode de choix pour déterminer la quantité de fonctions alcool, phénol et acide carboxylique présentes dans les lignines. Ce type de dosage nécessite la fonctionnalisation préalable des lignines par un réactif portant un atome de phosphore, le plus souvent du 2-chloro-4,4’,5’-tetraméthyl-1, 3,2-dioxaphosphalane (TMDP), et l’introduction d’un étalon interne dans le milieu pour quantifier les différentes fonctions (figure 21). Cet étalon possède un groupe hydroxyle libre qui réagira également avec le TMDP. Le cyclohexanol et le cholestérol ont été largement utilisés à ces fins (Alessandro Granata and Argyropoulos, 1995) Cependant, il a été démontré récemment que ces derniers pouvaient conduire à une sous-estimation de la quantité des fonctions réellement présentes. L’utilisation du N hydroxy-5-norbornène-2,3- dicarboximide est donc préconisée (Balakshin and Capanema, 2015). En somme, cette méthode, bien que particulièrement efficace reste donc à optimiser et standardiser.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Contexte et revue bibliographique
1. Généralités sur l’okoumé, sur les matériaux lignocellulosiques, procédés d’extractions des lignines et techniques d’analyses de la lignine et de la cellulose
Introduction
1.1. Origine et répartition de l’okoumé
1.2. Production et rendement matière (quantité de déchets produit/an)
1.3. Commerce du bois
1.3.1. Production et exportation de sciages
1.3.2. Production et exportation de placages
1.3.3. Production et exportation de contre-plaqués
1.4. Description du bois
1.4.1. Structure anatomique du bois
1.4.1.1. Echelle macroscopique
1.4.1.2. Echelle microscopique
1.4.1.3. Echelle pariétale
1.4.1.4. Echelle moléculaire
1.4.2. Composition chimique du bois et structures des polysaccharides et de la lignine
1.4.2.1. Les polysaccharides
1.4.2.2. La lignine
1.4.2.3. Composition chimique de l’okoumé
1.5. Description des procédés d’extractions des lignines
1.5.1. Le procédé Kraft
1.5.2. Le procédé au sulfite
1.5.3. Le procédé à la soude
1.5.4. Le procédé organosolv
1.5.5. Le procédé d’explosion à la vapeur
1.5.6. Les lignines pyrolytiques
1.5.7. Le procédé au dioxane (milled wood lignin)
1.6. Techniques d’analyses de la cellulose et de la lignine
1.6.1. Analyse gravimétrique de la cellulose : méthode au chlorite
1.6.2. Caractérisation structurale de la cellulose
1.6.2.1. Chromatographie d’Exclusion Stérique (SEC)
1.6.2.2. Viscosimétrie
1.6.2.3. Caractérisation par DRX
1.6.2.4. Caractérisation par RMN CP/MAS 13C
1.6.3. Analyse gravimétrique de la lignine: méthode Klason
1.6.4. Spectrophotométrie : lignine soluble
1.6.5. Analyse structurale de la lignine par RMN
2. Généralités sur les procédés de conversion énergétiques de la biomasse lignocellulosique (BLC) : présentation des deux voies de transformation de la BLC en biocarburants
Introduction
2.1. La voie thermochimique
2.2. La voie biochimique
2.2.1. Production d’éthanol
2.2.2. Etape de prétraitement
2.2.2.1. Procédés physiques
2.2.2.2. Procédés chimiques
2.2.2.3. Procédés thermo-physico-chimique
3. Généralité sur le processus d’hydrolyse enzymatique et de fermentation de la biomasse végétale
Introduction
3.1. Hydrolyse enzymatique de la cellulose
3.1.1. Mode d’action des cellulases
3.1.2. Technologie de l’hydrolyse enzymatique
3.2. Fermentation éthanolique des sucres : Saccharomyces cerevisiae
3.3. Présentation des principaux procédés commercialisés
Chapitre II. Matériel et méthodes
1. Procédures générales
1.1. La matière première
1.2. Produits chimiques
2. Partie expérimentale
2.1. Composition chimique du cœur et de l’aubier
2.1.1. Les extractibles
2.1.2. Taux de centres
2.1.3. Dosage de la Lignine Klason et des sucres simples
2.1.3.1. Dosage de la lignine de Klason
2.1.3.2. Dosage des lignines solubles
2.1.3.3. Sucres simples
2.2. Prétraitement par explosion à la vapeur
2.2.1. Procédure expérimentale
2.2.2. Choix du solvant d’extraction et protocole de récupération de la lignine d’explosion à la vapeur
2.2.2.1. Extraction au dioxane
2.2.2.2. Extraction à l’Ethanol
2.2.2.3. Extraction à l’hydroxyde de sodium
2.3. Plan d’expérience
2.3.1. Influence de la granulométrie : imprégnation à l’eau
2.3.2. Influence de la catalyse acide : imprégnation à l’acide sulfurique
2.4. Utilisation de scavengers : imprégnation au Naphtol
2.5. Lignine de bois broyé (Milled wood lignin)
2.6. Structure chimique de la lignine durant le prétraitement d’explosion à la vapeur
2.6.1. Purification
2.6.2. Préparation des échantillons de lignine pour la RMN du phosphore 31P et quantification des groupes –OH
2.6.3. RMN 13C et la chromatographie de cohérence magnétique hétéronucléaire (HSQC)
2.6.4. Distribution moléculaire en masse (Mw) et en nombre (Mn)
2.7. Caractérisation chimique et morphologique de la biomasse traitée.
2.7.1. Dosage des sucres simples et de la lignine résiduelle
2.7.2. Caractérisation de la cellulose par SEC
2.7.2.1. Extraction de l’holocellulose par la méthode aux chlorites de sodium
2.7.2.2. Obtention de la cellulose
2.7.2.3. Tricarbonilation de la cellulose et analyse
2.7.3. Caractérisation de la cellulose par diffraction aux rayons X
2.8. Analyse de la phase liquide issue du traitement EV
2.8.1. Teneur en sucres
2.8.2. Teneur en produits de dégradation : acide acétique, acide formique, acide lévulinique, furfural et HMF
2.8.3. Taux de lignine soluble
2.9. Hydrolyse enzymatique de la biomasse traitée
2.10. La fermentation des sucres hydrolysés
Chapitre III. Caractérisation du bois d’okoumé
Introduction
1. Composition chimique du bois d’okoumé
2. Caractérisation de la lignine de bois d’okoumé
Conclusion
Chapitre IV. Optimisation du prétraitement par explosion à la vapeur
Introduction
1. Choix du solvant pour l’extraction de la lignine de bois explosé
2. Optimisation du prétraitement
2.1. Influence de la granulométrie
2.1.1. Teneur en cellulose résiduelle
2.1.2. Teneur en xylose résiduel
2.1.3. Taux de lignine extraite à l’éthanol après traitement par explosion à la vapeur (LEV)
2.1.4. Lignine résiduelle
Conclusion
2.2. Influence de la catalyse acide
2.2.1. Perte de masse
2.2.2. Analyse de la fraction solide
2.2.2.1. Glucose résiduels
2.2.2.2. Hémicelluloses résiduelles
2.2.2.3. Lignine résiduelle
2.2.2.4. Lignine extraite ou Lignine d’Explosion à la Vapeur (LEV)
2.3. Analyse de la phase liquide
2.3.1. Hémicelluloses solubilisés
2.3.2. Furfural et HMF formés
Conclusion
Chapitre V Caractérisation de la lignine et de la cellulose du bois explosé. Production d’éthanol cellulosique
Introduction
1. Caractérisation de la lignine de bois explosé d’okoumé et étude des changements structurels de la lignine au cours du traitement EV
1.1. Etude du changement structurel par RMN HSQC
1.2. Dépolymérisation de la lignine et mise en évidence des phénomènes de recondensation
1.3. Formation des cétones d’Hibbert lors du traitement EV
1.4. Etude du changement structurel par RMN 31P
1.4.1. Pré imprégnation à l’eau
1.4.2. Pré imprégnation à l’acide sulfurique dilué
1.5. Traitement au naphtol
1.6. Répartition du poids moléculaire
Conclusion
2. Caractérisation de la cellulose et hydrolyse enzymatique
2.1. La cellulose de bois explosé
2.1.1. Degré de polymérisation
2.1.2. Cristallinité
2.2. Hydrolyse enzymatique de la biomasse traitée
2.3. Discussion
Conclusion
3. Etape de fermentation
3.1. Etude de la fermentescibilité des hydrolysats
3.2. Bilan massique de production d’éthanol
Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie
Annexe

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