Analyse de Cycle de Vie pour l’Eco-conception d’un procédé de production d’un polymère végétal

1. Analyse de Cycle de Vie pour l’Eco-conception d’un procédé de production d’un polymère végétal Leslie Jacquemin Pierre-Yves Pontalier Caroline Sablayrolles «Chimie pour un développement durable : procédés, énergie et environnement» 22 au 24 novembre 2011 ECPM Strasbourg

2. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Procédés de fractionnement de la matière végétale Matière végétale Energie: Biocarburants, Energie électrique - Procédés de fractionnement - Procédés de conversion Chimie: Biopolymères, Agromatériaux, … Biomasse Extraction / Séparation Raffinat solide Agroalimentaire Fractionnement Transformation (Matériaux) Extrait liquide Purification Fraction lignocellulosique Hémicelluloses Protéines Amidon La raffinerie végétale Raffinerie végétale Matière végétale = Son et Paille de blé

3. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Objectifs • Le double objectif de la raffinerie végétale: • Viabilité économique • Respect de l’environnement • Articulation de la présentation: • Le procédé de fractionnement de la matière végétale • L’Analyse de Cycle de Vie du procédé

4. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Son + Eau L/S=10 Agitation continue T°C = 40°C 15 min 3 lavagessuccessifs Lait d’amidon Le procédé Désamidonnation Désamidonnation [Son désamidonné] Pré-traitements Broyage [Paillebroyée - 6mm] Extrusion [Extrait] Extraction Broyage de la paille SéparationLiquide-Solide Centrifugation Essorage [Extraitclarifié] …

5. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Le procédé Zone de convoyage Zone de lavage Zone de mélange Désamidonnation [Son désamidonné] Pré-traitements Zone de séparation Liquide/Solide Paille 17.7 kg/h Broyage [Paillebroyée - 6mm] Chauffage par induction Moteur Extrusion [Extrait] Extraction Filtre Extrait d’hémicelluloses 115 kg/h Raffinat 40 kg/h Pâte de son 45.3 kg/h Eau de lavage 92 L/h SéparationLiquide-Solide Centrifugation Essorage Axe et Profil de vis (150 tours/min) [Extraitclarifié] • Conditions expérimentales • Son/Soude = 2; Paille/Son = 6.2 • Alim Eau = 92 L/h ( L/S = 5.9); T°C = 50°C • Débit de MS entrante: 15 kg/h. • (Source: Maréchal et al. 2004) …

6. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Le procédé Désamidonnation [Son désamidonné] Pré-traitements Broyage [Paillebroyée - 6mm] • La première séparation Liquide/Solide effectuée au niveau de la grille intégrée à l’extrudeur ne permet pas d’empêcher le passage de fines particules en suspension. Extrusion [Extrait] Extraction SéparationLiquide-Solide Centrifugation Essorage • Essorage: • Centrifugeuse à bol • Rousselet RC 50PxR, Porosité 10 μm • 20 kg/h à 2000 rpm • Centrifugation: • Centrifugeuse à assiette • Clara 20 LAPX Alfa Laval • 200 kg/h à 9000 rpm [Extraitclarifié] …

7. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Le procédé … Purification Concentration de l’extrait Séchage des poudres Atomisation Evaporation sous vide 0,1 bar 40°C Ultrafiltration Evaporation Ultrafiltration GE Healthcare, 30 kDa PTM = 1.3bar QP = 10L/h Chromatographie Echangeuse d’ions Concentration & Purification Précipitation éthanolique [Précipité d’hémicelluloses] Lyophilisation Précipitation éthanolique Acide acétique >> pH=5 3 Volume d’EtOH [Extraitpurifié] Lyophilisation Atomisation Chromatographie échangeuse d’ions Amberlite IRA958-Cl Produit final Poudre d’hémicelluloses

8. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives L’Analyse de Cycle de Vie (ACV) • Dans la pratique, l’ACV est le plus souvent appliquée aux produits. Son application aux procédés est récente et de nombreux apports méthodologiques restent à développer. Définition du champ de l’étude Objectifs Frontières du système Unité Fonctionnelle Interprétation Identification des points significatifs Evaluation Conclusion et recommandations Analyse de l’inventaire Collecte des données Affectation des flux Bilan matière et énergie Evaluation des impacts Classification (catégories d’impacts) Caractérisation (Indicateurs d’impacts) Evaluation des dommages Méthodologie qui fournit un moyen efficace et systématique pour évaluer les impacts environnementaux d'un produit, d'un service ou d'un procédé. Source: ISO 14044

9. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Objectifs et champs de l’étude : (1) Objectifs Eco-conception d’un procédé de production d’un polymère végétal OBJECTIFS • Faire une comparaison entre les scenarii et entre les procédés unitaires • Evaluer les impacts environnementaux générés par chaque étape du procédé

10. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Objectifs et champs de l’étude: (2) Limites du système et unité fonctionnelle • Le procédé est supposé être développé à une échelle locale: les transports ne sont pas pris en compte • Les co-produits de ce procédé sont considérés comme des déchets, les valorisation éventuelles ne sont pas considérées pour le moment • La mise en place des infrastructures, leur maintenance et leur démantèlement ne sont pas pris en compte Unité fonctionnelle: Produire 1kg de poudre d’hémicelluloses • La matière première végétale est considérée comme déchet de la production de blé pour le grain, sa production n’est donc pas incluse dans les limites du système

11. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Inventaire de production Sortants Entrants • (p) = vecteur d’inventaire de production • Ecoinvent  Facteurs d’émissions et d’extractions • Par exemple: la production d’un 1kWh d’électricité nécessite l’extraction de 6.61x10-05 kg d’aluminium et émet 1.01x10-01 kg de CO2 dans l’atmosphère • Matrice d’émissions et extractions (E) • Matrice d’inventaire du cycle de vie: (M) = (p) * (E)

12. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Evaluation des Impacts environnementaux Impacts environnementaux Toxicité humaine Amincissement de la couche d’ozone Toxicité aquatique Réchauffement climatique Etc. Matrice d’inventaire de cycle de vie Ii= Σ Fs,i . Ms Ii = Score d’impact pour une catégorie (i) Fs,i = Facteurs d’impact pour une substance (s) dans la catégorie d’impact (i) Ms= Matrice d’inventaire (masse de substance prélevée ou émise) Impact 2002+ (Jolliet et al. 2003) est utilisée dans cette étude

13. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Résultats et Interprétation: Objectif 1, faire une comparaison entre les procédés unitaires Objectif 1: Faire une comparaison entre les procédés unitaires

14. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Résultats et Interprétation: Objectif 1, faire une comparaison entre les procédés complets Objectif 1: Comparer les procédés entre eux

15. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Résultats et Interprétation: Objectif 2, identifier les points clefs

16. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Conclusion et perspectives • Développement d’un procédé d’extraction d’hémicelluloses mettant en jeu de techniques originales. • ACV  Comparaison / Identification des étapes prépondérantes • Les perspectives de l'ACV: • Réalisation d’une étude de sensibilité • Elargissement des frontières du système: • Prise en compte des transports • Intégration de la production de la matière végétale dans les limites • Valorisation des co-produits (raffinat ligno-cellulosique, amidon) • Modifications des hypothèses • Etude de l’impact du recyclage de l’éthanol • ACV et procédés • Une approche détaillée pour la prise en compte des conditions opératoires dans l’ACV

17. Remerciements Merci pour votre attention! Si vous avez des questions…

18. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Pourquoi le blé ? • Une céréale largement cultivée en France : Production de 38 millions de tonnes de grains (blé tendre et blé dur confondus). (Source: ADEME) • Source de plusieurs co-produits : • Estimation des disponibilités (Source ADEME) • Pailles: 10 millions de tonnes/an • Sons: Coproduits de meunerie largement disponibles

19. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Le blé: Composition et voies de valorisation « Tout polysaccharide autre que la cellulose et les substances pectiques qui peut être extrait des parois des cellules végétales par des solutions alcalines. » Structure chimique: Squelette linéaire de D-Xylopyranose lié en β(1-4) et substitué par des sucres acides ou neutres (acide glucuronique, arabinose, glucose) ARABINOXYLANES: Propriétés épaississantes, gélifiantes  Capacités filmogènes. (Source: Gröndahl, 2004. Anderson 2007)

20. Quelques rendements… Rendements en Arabinoxylanes Rendements = Contenu en Arabinoxylanes de la poudre / Arabinoxylanes introduites avec le son

21. Introduction Le procédé ACV Conclusions et Perspectives Caractéristiques des poudres obtenues • Caractéristiques des film obtenus par extrusion monovis: • Contrainte à la rupture: 1MPa < σRH < 1,5MPa; • Module d’élasticité: entre 2 et 3 Gpa; • Elongation à la rupture: entre 30 et 35%. • Pureté et rendements inférieurs à une extraction en batch, mais: • Production continue + Echelle pilote  production plus large • Valorisation des coproduits (raffinat ligno-cellulosique) • Faible utilisation d’eau et de soude Rendements et composition en oses des poudres obtenues