Bioraffineries Du Bois
Objectifs
L’objectif de diminuer la dépendance de notre économie au pétrole via l’incorporation d’une part accrue des matières premières d’origine végétale ouvre des perspectives nouvelles aux usages du bois. Les procédés correspondants, s’appuyant sur la chimie du bois, les biotechnologies et l’industrie papetière en mutation, émergent de toute part, alimentant en biomolécules une multitude d’industries, pharmaceutiques, alimentaires, cosmétiques sans oublier la filière biocarburants. Dans ce contexte, à l’issue de cette UE, les étudiants
- auront une vision d’ensemble des bioraffineries forestières, des molécules et matériaux biosourcés et des marchés industriels ciblés, conscients des barrières techniques, économiques et environnementales à lever
- seront en mesure concevoir des séquences réactionnelles de déconstruction, d’analyser des travaux en s’appuyant sur les concepts de de base de réactivité des lignocelluloses et de chimie macromoléculaire dispensés dans cette UE
- seront sensibilisés aux principes et problématiques de génie des procédés, réacteurs, extractions et technologies de séparation
- seront initiés aux méthodes de conception, dimensionnement, de modélisation et d’optimisation de bioprocédés
- seront en capacité d’être des acteurs auprès des bioraffineries, plate-formes ou industries de valorisation chimique générés par la filière de transformation de matières lignocellulosiques
Modules
De la chimie de base aux applications
Intervenants
- Emmanuel FREDON
- Pascal Xanthopoulos
Prérequis nécessaires
UE 5.3 et UE 7.2
Acquis des apprentissages
- Comprendre et appliquer les principes de base de la réactivité en chimie organique permettant de concevoir les conversions chimiques des molécules lignocellulosiques:
- Déterminer et analyser la distribution de masse d’un polymère appliquer des modèles de prédiction des réactions de polycondensation en vue de synthétiser des polymères
- Avoir une connaissance la plus large des chaînes de valeur actuelles des co-produits bois, acteurs et procédés. Repérer des sources d’informations riches et pertinentes. S’approprier le langage du marché
- Mettre en œuvre un procédé expérimental à l’échelle pilote et analyser les produits obtenus
Contenus pédagogiques
- Présentation de l’UE
- Réactivité des fonctions chimiques présentes dans le bois : notions de nucléophilie/électrophilie, effets mésomères, labilité des hydrogènes, tautomérie céto-énolique,
- Bases de chimie macromoléculaire : Classification et description des réactions de polymérisation, distribution des masses moléculaires, polydispersité Cinétiques modèles de polycondensation, théorie de Carothers
- Valorisations en molécules à haute valeur ajoutée : marchés actuels, voies innovantes, aspects économiques et règlementaire Etude de cas, jeux de rôle
- Travaux pratiques sur le prétraitement et la bioconversion du bois prétraité en molécules simples, analyse des produits
Chimie du bois avancée
Intervenants
- Nicolas Brosse
- Philippe Gérardin
- Emmanuel Fredon
- Arnaud Besserer
Prérequis nécessaires
UE 5.3 et UE 7.2
Acquis des apprentissages
-
Maîtriser les principes de déconstruction chimique du bois en milieu humide. Sélectionner un type de traitement en fonction du fractionnement souhaité
-
Identifier, distinguer les différents flux de produits issus du bois et leurs propres voies de conversions en intermédiaires d’intérêt
-
Choisir les biocatalyseurs (enzymes ou micro-organismes) les plus adaptés pour la production de biomolécules. Identifier les points clés dans une production de molécules par voie biologique.
-
Mettre en œuvre, optimiser un procédé expérimental à l’échelle pilote et analyser les flux de matière
-
Rédiger un rapport scientifique en bonne et due forme, avec synthèse bibliographique
Contenus pédagogiques
-
Mécanismes de fractionnement chimique du bois : étude des polysaccharides et de la lignine (hydrolyse, délignification), réactions parasites (peeling off …). Application aux prétraitements
-
Celluloses et lignines industrielles. Dérivés des sucres et applications Extractibles du bois et méthodes d’extraction
-
Présentation et étude de cas pour la production de biomolécules par différents procédés de bioconversion. Introduction à la sélection de solutions biotechnologique (enzymes, micro-organismes).
-
Principe et démonstration de procédés de prétraitement : explosion à la vapeur
-
Travaux pratiques sur le prétraitement et la bioconversion du bois prétraité en molécules simples, analyse des produits
Génie des procédés 1
Intervenants
- Guillain Mauviel
- Latifa Chebil
- Arnaud Besserer
Prérequis nécessaires
UE 5.3, UE 7.2 et UE 6.4
Acquis des apprentissages
- Utiliser les notions de bases de génie des procédés (calculer des taux de conversion, des rendements, temps de séjour, des cinétiques…), différentier les types de réacteurs
- Être sensibilisé aux principes et techniques d’extraction et de séparation en vue de concevoir une séquence intégrée d’opérations unitaires répondant à un cahier des charges et des objectifs de performance
- Être initié aux méthodes de conception, de modélisation et d’optimisation de bioprocédés
- Établir des bilans de matière et d’énergie de procédés
- Élaborer des modélisations /simulations de bioprocédés enzymatiques et microbiens
Contenus pédagogiques
-
Introduction à l’ingénierie des bioprocédés pour les bioraffineries : enjeux, méthodes, différents procédés, bilans matière.
-
Les réacteurs en phase liquide : rendements, typologies, cinétique, réacteurs industriels ouverts, applications aux « bioraffineries »
-
L’extraction solide/liquide : équilibres, transferts, typologies, simulation, application aux bioraffineries.
-
Opérations unitaires de séparation et de purification, principes de fonctionnement: TP opérations unitaires sur le filtre presse et la distillation.
-
Visite installation industrielle de bioraffinerie.
-
Étude de cas procédé de transformation de lignocellulose en éthanol carburant
-
Bilans matière en simulateur-tableur.
-
Modélisation-simulation de bioprocédés : hydrolyse enzymatique et fermentation éthanolique
Génie des procédés 2
Intervenants
- Stéphane Delaunay
- Armand Klem
- Emmanuel Fredon
- Arnaud Besserer
Prérequis nécessaires
UE 5.4, UE 6.3 et UE 7.2
Acquis des apprentissages
- Acquérir une vue d’ensemble des enjeux techniques, économiques et environnementaux de l’utilisation de procédés enzymatiques et de fermentation pour la transformation du bois en biocommodités ou biocarburants.
- Conduire une réaction dans un biofermenteur, optimiser les conditions de de bioconversion.
- Appréhender la technologie des procédés industriels de séparation
Contenus pédagogiques
-
Introduction à la notion d’étude multi échelle du procédé : de la voie métabolique au suivi macroscopique.
-
Introduction à la conduite de réactions en bioréacteur. Applications en recherche et pour l’industrie.
-
Mise en pratique sur une unité de biofermenteur.
-
Introduction aux procédés de purification industriels.
-
Procédés de séparation et de purification en chimie papetière (pâte thermomécanique et pâte désencrée).