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PROCEDE DE NETTOYAGE D'UN REACTEUR DE TRAITEMENT D'UNE BIOMASSE
LIGNOCELLULOSIQUE
Domaine technique
L'invention concerne un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique
pour produire
des jus sucrés dits de seconde génération ( 2G ). Ces jus sucrés peuvent
être utilisés pour
produire d'autres produits par voie biochimique (par exemple des alcools comme
l'éthanol, le
butanol ou d'autres molécules, ou des solvants tels que l'acétone etc...). Ce
procédé
comporte différentes étapes, dont généralement trois étapes qui sont la
préparation de
liqueur, l'imprégnation de la biomasse par cette liqueur, et le prétraitement
de la biomasse
imprégnée par cuisson, notamment avec explosion à la vapeur.
Technique antérieure
La biomasse lignocellulosique représente une des ressources renouvelables les
plus
abondantes sur terre. Les substrats considérés sont très variés, ils
concernent à la fois des
substrats ligneux comme différents bois (feuillus et résineux), des coproduits
issus de
l'agriculture (pailles de blé, rafles de maïs, etc...) ou d'autres industries
agroalimentaires,
papetières, etc...
Le procédé de transformation biochimique de la lignocellulosique en jus sucrés
2G
comprend notamment une étape de prétraitement et une étape d'hydrolyse
enzymatique par
un cocktail enzymatique. Ces procédés comportent aussi le plus souvent une
étape
d'imprégnation avant le prétraitement. Les jus sucrés issus de l'hydrolyse
sont ensuite
traités, par exemple par fermentation, et le procédé peut comprendre également
des étapes
de séparation et/ou une étape de purification du produit final.
La biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux polymères : la
cellulose (35
à 50%), qui est un polysaccharide essentiellement constitué d'hexoses ;
l'hémicellulose (20 à
30%), qui est un polysaccharide essentiellement constitué de pentoses ; et la
lignine (15 à
25%), qui est un polymère de structure complexe et de haut poids moléculaire,
composé
d'alcools aromatiques reliés par des liaisons éther. Ces différentes molécules
sont
responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent
en un
enchevêtrement complexe.
Parmi les trois polymères de base qui intègrent la biomasse lignocellulosique,
la cellulose et
l'hémicellulose sont ceux qui permettent la production de jus sucrés 2G.
Le plus souvent, l'hémicellulose est majoritairement décomposée en sucres
monomères et
oligomères durant le prétraitement, et la cellulose est convertie en glucose
par l'hydrolyse
enzymatique. Toutefois, l'accès à la cellulose brute dans le substrat natif
reste difficilement
accessibles aux enzymes, d'où la nécessité d'un prétraitement. Ce
prétraitement permet de
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modifier les propriétés physico-chimiques de la lignocellulosique afin
d'améliorer
l'accessibilité de la cellulose aux enzymes et sa réactivité à l'hydrolyse
enzymatique.
De nombreuses technologies intéressant l'invention pour réaliser ce
prétraitement existent,
qui seront ci-après regroupées sous le terme générique de cuisson ,
consistent à chauffer
la biomasse à haute température pendant une durée définie. On connaît
notamment les
cuissons acides, où la biomasse est mise en contact avec une solution acide
avant/pendant
la cuisson, les cuissons alcalines, où la biomasse est mise en contact avec
une solution
basique avant/pendant la cuisson. On connait aussi la cuisson (acide, alcaline
ou sans
imprégnation) dite par explosion à la vapeur, où la biomasse est soumise à de
la vapeur
d'eau sous pression.
Il existe aussi des procédés de prétraitement dits organosolv pulping
selon le terme
anglais connu (ou traitement avec organo-solvent en français). Ce dernier
procédé concerne
un prétraitement en présence d'un ou plusieurs solvants organiques et
généralement d'eau.
Le solvant peut être un alcool (éthanol), un acide type acide acétique, acide
formique, ou
encore l'acétone, ou encore un mélange de ces composés. Les procédés
organosolv
pulping conduisent à une solubilisation au moins partielle de la lignine,
une solubilisation
partielle des hémicelluloses. On a alors deux flux en sortie : le substrat
prétraité avec
cellulose, hémicellulose et lignine résiduels et la phase solvant qui contient
la ligne
solubilisée et une partie des hémicellulose. Il y a généralement une étape de
régénération du
solvant qui permet d'extraire un flux de lignine. Certains traitements
organosolv pulping
(notamment avec de l'éthanol) peuvent être couplés avec l'ajout d'un acide
fort (du type
H2SO4). On peut envisager également d'avoir une mise en contact de la biomasse
avec le
solvant via un réacteur d'imprégnation avant la phase de cuisson ou d'avoir
une mise en
.. contact de la biomasse avec le catalyseur acide avant d'effectuer une
cuisson organosolv
pulping .
Différentes configurations sont reportées par exemple dans le document
Production of
bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway : A
review , M. Balat,
Energy Conversion and Management 52 (2011) 858-875, ou encore dans le document
.. Bioethanol production from agricultural wastes : an overview , N.
Sarkar, S. Kumar
Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renwable Energy 37 (2012) 19-27.
Un des prétraitements les plus efficaces est la cuisson avec explosion à la
vapeur
mentionnée plus haut, car elle permet une hydrolyse presque totale de
l'hémicellulose et une
.. amélioration importante de l'accessibilité et la réactivité de la cellulose
aux enzymes. Ce
prétraitement peut être précédé/suivi d'autre(s) traitement(s), et c'est celui
qui intéressera
plus particulièrement l'invention, sans y être limité dans son application
cependant.
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Il a été mis en évidence que les réacteurs de prétraitement, notamment ceux de
type par
cuisson, étaient enclins à l'encrassement : chauffer le milieu réactionnel
dans le réacteur à
haute température conduit à la production de différents résidus solides qui
viennent adhérer
aux parois internes du réacteur. Ces résidus s'accumulent au fur et à mesure,
sur un temps
plus long que le temps de séjour moyen de la biomasse dans le réacteur. Ils
peuvent
progressivement engendrer des problèmes opératoires, comme par exemple un
risque de
bouchage de la sortie du réacteur, une plus grande difficulté à transporter la
biomasse au
sein du réacteur, et, de manière générale, leur présence impacte négativement
les
performances du réacteur.
Une première solution apportée pour supprimer ces résidus a consisté à vider
le réacteur, à
l'arrêter donc, et à l'ouvrir, pour opérer un nettoyage des parois internes du
réacteur par
action mécanique et/ou hydraulique, c'est-à-dire par grattage des parois et/ou
par envoi
d'eau sous pression à plusieurs centaines de bars. Cette procédure est certes
efficace, mais
elle est consommatrice de temps et d'énergie, elle contraint non seulement à
arrêter le
réacteur, mais aussi à attendre son refroidissement (la cuisson se fait à une
température
supérieure à 100 C et sous pression), puis à l'ouvrir, à opérer le nettoyage,
à refermer le
réacteur et à le remettre en température avant de relancer la production.
L'invention a alors pour but de remédier à ces inconvénients. Plus
précisément, l'invention a
pour but de mettre au point un procédé pour éliminer tout ou partie de ces
résidus, qui soit
efficace tout en réduisant les temps d'immobilisation du réacteur et les
dépenses
énergétiques utilisées pour le mettre en oeuvre.
Résumé de l'invention
L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de nettoyage d'un réacteur de
traitement
d'une biomasse lignocellulosique, ledit procédé comprenant les étapes
suivantes :
a) vidange du réacteur du milieu réactionnel contenant la biomasse,
b) remplissage du réacteur avec une solution aqueuse basique,
c) vidange du réacteur,
d) injection de vapeur d'eau dans le réacteur,
e) remplissage du réacteur avec une solution aqueuse,
f) vidange du réacteur.
On comprend par traitement dans le cadre de l'invention toute étape visant
à modifier
une caractéristique au moins de la biomasse. Il peut s'agir, notamment, d'un
prétraitement,
terme connu dans le domaine du traitement de la biomasse lignocellulosique,
ayant pour but
de la préparer à une hydrolyse enzymatique.
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La solution basique utilisée à l'étape b) présente de préférence un pH avant
introduction
dans le réacteur d'au moins 9, notamment d'au moins 10, de préférence d'au
moins 11 ou
12.
La solution aqueuse utilisée à l'étape e) présente de préférence un pH, avant
introduction
dans le réacteur, qui est sensiblement neutre, un pH notamment compris dans
une gamme
6-8 ou de préférence 6,5-7,5, il est avantageusement proche de 7.
L'invention a ainsi mis au point un procédé de nettoyage du réacteur en
plusieurs étapes, qui
s'est avéré très efficace pour supprimer tout, ou quasiment tout, le résidu
solide des parois. Il
s'agit donc, selon l'invention, d'opérer le nettoyage en au moins trois phases
: d'abord une
phase de traitement du réacteur, une fois vidé, avec une solution aqueuse
basique (qui
pourra aussi être désignée par la suite par le terme liqueur basique ), par
exemple une
solution contenant du KOH, ensuite une phase de traitement à la vapeur d'eau,
et enfin une
phase de rinçage avec de l'eau.
C'est un procédé nettement plus simple à mettre en oeuvre qu'un nettoyage
mécanique ou
hydraulique : en effet, il peut s'effectuer sans avoir à ouvrir le réacteur,
puisqu'il suffit de
prévoir les arrivées/sorties de solution aqueuse basique et de solution
aqueuse pour le
rinçage (ou de réutiliser des arrivées/sorties de fluide déjà présentes), et
que les arrivées de
vapeur d'eau sont généralement déjà présentes dans le cas de réacteur opérant
un
prétraitement par cuisson avec explosion à la vapeur. En outre, il n'est pas
nécessaire
d'attendre le refroidissement du réacteur pour opérer le nettoyage. Au
contraire, il s'est
même avéré qu'effectuer tout ou partie du nettoyage dans un réacteur encore
chaud était
très favorable au décollement des résidus. Le réacteur pouvant rester
relativement chaud
pendant le nettoyage, sa remise en température quand on redémarre la
production peut être
beaucoup moins consommatrice d'énergie qu'avec la solution
mécanique/hydraulique
antérieure.
Avantageusement, optionnellement, le procédé selon l'invention peut aussi
comporter au
moins une étape a') de remplissage du réacteur avec une solution aqueuse
suivie d'une
étape a") de vidange du réacteur, entre l'étape a) de vidange du milieu
réactionnel et l'étape
b) de remplissage avec une solution aqueuse basique. Cette solution aqueuse
est de
préférence à pH neutre ou proche d'un pH neutre (entre 6 et 8, de préférence
voisin de 7,
comme la solution aqueuse utilisée à l'étape e) par exemple).
On peut donc ajouter une phase de rinçage avant de procéder au traitement avec
la solution
basique, ce qui peut s'avérer bénéfique quand le traitement de la biomasse
s'effectue avec
une biomasse imprégnée par un catalyseur acide : comme l'invention a pu
montrer que les
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résidus s'éliminaient et se décollaient plus facilement en présence d'une
solution basique,
effectuer au préalable un rinçage à l'eau du réacteur permet de s'assurer que
la solution
basique sera pleinement efficace, sans qu'une partie au moins de la base ne
soit utilisée à
neutraliser les traces d'acidité résiduelle dans le réacteur.
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Avantageusement, de façon optionnelle, le procédé selon l'invention peut
comprendre
également, après l'étape a), l'introduction dans le réacteur de particules de
matériau solide
abrasif, soit de façon séparée, soit par introduction des particules dans la
solution basique
ou dans la ou l'une des solution(s) aqueuse(s).
On vient alors ajouter à l'action chimique de la solution basique une action
mécanique avec
des particules abrasives, qui vont racler/gratter les parois et faciliter le
décollement des
résidus.
De préférence, on chauffe la solution aqueuse basique et/ou la ou l'une des
solution(s)
aqueuse(s) avant introduction dans le réacteur, notamment à une température
d'au moins
20 C, notamment d'au moins 60 C, et de préférence au plus 90 C.
En effet, comme évoqué plus haut, on augmente l'efficacité de la mise en
contact de la
solution basique avec les parois internes du réacteur quand cette mise en
contact se fait à
chaud. De même, le rinçage à l'eau est également plus efficace à chaud.
De préférence, au moins l'étape b) de remplissage du réacteur avec la solution
aqueuse
basique s'effectue dans le réacteur dont le volume intérieur est à une
température d'au
moins 60 C, notamment d'au moins 80 C, notamment d'au moins 100 C (et
généralement
d'au plus 250 ou 240 ou 220 C). Comme indiqué plus haut, une mise en contact
en
conditions de température élevées, nettement au-dessus de la température
ambiante, facilite
l'action de décollement des résidus par la solution basique. On peut alors
profiter du fait
que le réacteur opère généralement à chaud le prétraitement de la biomasse, en
effectuant
le nettoyage alors qu'il est encore chaud (soit en coupant les moyens de
chauffe du réacteur,
et en jouant sur l'inertie thermique de celui-ci, soit en continuant à
chauffer le réacteur à sa
température de production ou à une température moindre, mais supérieure à la
température
ambiante.
Avantageusement, lors de l'étape c) de vidange, on peut récupérer la solution
basique
vidangée pour la recycler, après éventuelle filtration des résidus solides
qu'elle peut contenir.
On peut la recycler, en tout ou partie, pour la réinjecter pendant la phase de
mise en contact
des parois internes du réacteur avec la solution basique. On peut aussi la
conserver pour la
réinjecter dans le réacteur lors de l'opération de nettoyage suivante. On peut
aussi la
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recycler, en tout ou partie, en l'ajoutant à la ou aux solutions aqueuses
utilisées lors des
étapes a') et/ou e).
On peut, lors de l'étape c) de vidange, filtrer la solution basique vidangée
pour récupérer les
résidus solides qu'elle contient, et en traiter ces résidus, notamment par
lavage, pour en
extraire de la solution basique en vue de son recyclage. On peut recycler les
eaux de lavage
en question en les ajoutant aussi à la solution basique : On optimise ainsi
encore plus la
consommation en solution basique du nettoyage selon l'invention. On peut aussi
ajouter ces
eaux de lavage, en tout ou partie, aux solutions aqueuses utilisées lors des
étapes a') et/ou
e).
De préférence, l'immersion du réacteur avec la solution basique, une fois le
réacteur rempli
selon l'étape b) et avant sa vidange, a une durée comprise entre 30 secondes
et 4 jours,
notamment entre 30 minutes et 10 heures, notamment entre 1 et 3 heures. C'est
une durée
compatible avec les exigences d'une production industrielle, qui peut être
modulée,
notamment selon la fréquence avec laquelle on opère ces nettoyages.
Le taux de remplissage du réacteur par la solution basique et/ou par la ou
l'une des
solution(s) aqueuse(s) peut être compris entre 20 et 100%. En effet, il n'est
pas nécessaire
de remplir entièrement le réacteur de la solution, par exemple si le réacteur
est muni de
moyens d'agitation, ou s'il a été observé que les résidus les plus importants
se trouvaient
plutôt en fond de réacteur. On comprend ici par taux de remplissage le
(3/0 du volume total
du réacteur, le volume total comprenant le volume réactionnel à proprement
dit, ajouté d'un
volume amont pour l'entrée de la biomasse, et d'un volume aval pour la sortie
de la
.. biomasse.
De préférence, l'injection de vapeur selon l'étape d) se fait à une pression
comprise entre
1.105 et 20.105 Pa, notamment entre 12.105 et 18.105 Pa, notamment au
voisinage de 15.105
Pa.
Les étapes e) et f) peuvent être répétées au moins deux fois, notamment entre
2 et 10 fois,
la répétition de ces rinçage à l'eau permet d'assurer que tous les résidus qui
se sont décollés
des parois seront bien extraits du réacteur, en outre elle permet de retirer
les traces de
basicité résiduelles du réacteur, ce qui peut être utile quand le réacteur
opère un
prétraitement avec une biomasse en milieu acide.
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L'invention a également pour objet un procédé de traitement de biomasse
lignocellulosique
comprenant les étapes suivantes: - la préparation d'une liqueur d'imprégnation
contenant un
catalyseur, notamment acide, - l'introduction de la biomasse dans un réacteur
d'imprégnation
pour être imprégnée par la liqueur d'imprégnation, - le transfert de la
biomasse imprégnée
dans un réacteur de prétraitement pour y subir un prétraitement par cuisson, -
l'hydrolyse
enzymatique de la biomasse prétraitée, - la fermentation alcoolique du moût
d'hydrolyse
enzymatique obtenu, tel que le procédé est réalisé en continu sur tout ou
partie desdites
étapes, et tel qu'il s'interrompt au stade du prétraitement dans le réacteur
de prétraitement
pour que le réacteur de prétraitement soit nettoyé avec le procédé décrit plus
haut.
Le procédé de traitement de biomasse en question s'interrompt pour que le
réacteur de
prétraitement soit nettoyé, de préférence selon une fréquence donnée et/ou
quand il y a
dépassement d'une valeur-seuil d'une caractéristique physico-chimique ou
rhéologique du
milieu réactionnel dans le réacteur, mesurée ou évaluée de façon directe ou
indirecte. Il peut
s'agir, par exemple, d'un seuil de puissance du moteur utilisé pour faire
tourner une vis de
convoyage dans le réacteur, pour faire tourner des moyens d'agitation dans le
réacteur ou
toute autre pièce mobile dans celui-ci. Par exemple, le nettoyage peut être
déclenché quand
le couple de la vis de convoyage ou de l'une des vis de convoyage internes au
réacteur
augmente de plus de 15% par rapport au couple observé en début de production.
Il peut
aussi être déclenché au bout d'une période donnée, qui peut aller de 2 heures
à 4 mois de
production.
L'invention a également pour objet toute installation de mise en oeuvre du
procédé de
nettoyage selon l'invention, et qui comprend un réacteur de prétraitement de
biomasse
lignocellulosique, une cuve de préparation d'une solution aqueuse basique qui
est en
connexion fluidique avec ledit réacteur pour amener la solution basique depuis
la cuve dans
le réacteur et pour recycler tout ou partie de la solution basique soutirée du
réacteur lors de
sa vidange depuis le réacteur vers ladite cuve, avec optionnellement des
moyens de filtrage
de la solution soutirée du réacteur avant réintroduction dans la cuve de
préparation. La mise
en oeuvre de l'invention proposée ajoute donc à l'installation existante une
cuve de
préparation de la solution basique, qui pourra être alimentée en eau, en base
concentrée
(KOH, NaOH par exemple, ou toute autre base minérale ou organique), et
éventuellement en
solution basique recyclée après vidange du réacteur. Cette cuve est équipée de
moyens
connus pour, notamment, maintenir constant le pH de la solution, par ajout de
KOH ou d'eau.
La cuve peut également être munie de moyens chauffants pour amener/maintenir
la solution
basique à la température voulue avant introduction dans le réacteur. Les
moyens chauffants
peuvent, alternativement ou cumulativement, être prévus sur les moyens de
connexion
fluidique, type conduites, amenant la solution basique depuis la cuve vers le
réacteur.
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L'invention a également pour objet toute installation de mise en oeuvre du
procédé de
traitement de biomasse mentionné plus haut, telle que cette installation
comprend,
successivement, un réacteur d'imprégnation alimenté en solution d'imprégnation
par une
cuve de préparation de ladite solution, de la biomasse, un réacteur de
prétraitement de la
biomasse imprégnée qui est alimenté en solution aqueuse basique par une cuve
de
préparation de ladite solution, un réacteur d'hydrolyse enzymatique, et un
réacteur de
fermentation alcoolique, l'ensemble des réacteurs étant montés en série, ou au
moins deux
d'entre eux.
Le réacteur d'hydrolyse enzymatique peut être le même que le réacteur de
fermentation
alcoolique, dans le cas d'une SSCF, qui est une saccarification simultanée
avec une
fermentation (l'acronyme correspond à l'expression anglaise Simultaneous
saccharification
and Co-Fermentation ).
L'invention a également pour objet le procédé ou l'installation pour le
traitement de
biomasse tels que décrits plus haut pour le traitement de biomasses du type
bois, paille,
résidus agricoles, et toutes cultures énergétiques dédiées, notamment des
plantes annuelles
ou pluriannuelles telles que le miscanthus, en vue de produire des sucres, des
biocarburants
ou des molécules bio-sourcées.
Liste des figures
La figure 1 représente le schéma bloc du procédé de nettoyage d'un réacteur de
prétraitement de biomasse s'insérant dans un procédé de traitement de
biomasse.
La figure 2 représente une première phase du procédé de nettoyage selon la
figure 1.
La figure 3 représente une deuxième phase du procédé de nettoyage selon la
figure 1.
La figure 4 représente une troisième phase du procédé de nettoyage selon la
figure 1.
La figure 5 représente une quatrième phase du procédé de nettoyage selon la
figure 1.
La figure 6 représente une cinquième phase du procédé de nettoyage selon la
figure 1.
La figure 7 représente une sixième phase du procédé de nettoyage selon la
figure 1.
La figure 8 représente une septième phase du procédé de nettoyage selon la
figure 1.
La figure 9 représente une première façon de recycler la solution basique
utilisée dans le
procédé de nettoyage selon la figure 1.
La figure 10 représente une deuxième façon de recycler la solution basique
utilisée dans le
procédé de nettoyage selon la figure 1.
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La figure 11 représente une troisième façon de recycler la solution basique
utilisée dans le
procédé de nettoyage selon la figure 1.
Description des modes de réalisation
Les figures sont très schématiques, les mêmes références correspondent aux
mêmes
composants d'une figure à l'autre. Les équipements sont représentés dans la
position
spatiale qu'ils occupent sensiblement en position opérationnelle.
Le procédé de nettoyage d'un réacteur de traitement de biomasse est ici
illustré dans le
cadre d'un procédé de prétraitement de biomasse destiné à produire des
alcools, notamment
du biocarburant du type bioéthanol, selon les étapes du procédé selon la
figure 1, décrit
rapidement ci-dessous. Un mode de réalisation de ce procédé est décrit plus en
détails, par
exemple, dans le brevet WO 2018/015227 auquel on se rapportera au besoin.
Il est à noter que le procédé de nettoyage selon l'invention peut s'appliquer
de la même
manière à tout réacteur de traitement, notamment mais pas seulement de
prétraitement, de
biomasse, et, de façon plus générale, à tout réacteur qui est destiné à
traiter une biomasse
lignocellulosique, le traitement ayant pour objet de modifier une de ses
caractéristiques
chimiques, physiques ou rhéologiques, et étant généralement opéré à
température élevée.
Le procédé de traitement de biomasse ici pris en exemple et représenté à la
figure 1
comporte une première étape d'imprégnation de la biomasse dans un réacteur
vertical 3,
suivie d'une étape de prétraitement de la biomasse une fois imprégnée dans un
réacteur
d'explosion à la vapeur 4. Ces étapes du procédé sont réalisées en continu et
sont détaillées
ci-dessous à l'aide de la description des équipements utilisés pour le mettre
en oeuvre :
- Une cuve de préparation 1 d'une liqueur d'imprégnation contenant un
catalyseur chimique
est prévue, qui est constituée à partir d'eau E et de catalyseur A qui
viennent l'alimenter, le
catalyseur est en l'occurrence un acide fort de type acide sulfurique
concentré en phase
aqueuse, cette cuve permettant d'alimenter le réacteur d'imprégnation 3 en un
mélange
d'eau E et de catalyseur chimique A,
- Une vis conique 2 (appelée aussi sous la terminologie anglo-saxonne
plug screw ou
sealing screw >) d'alimentation en biomasse fraîche (ici de la paille de blé
P) dans le
réacteur d'imprégnation 3,
- Une alimentation en liqueur d'imprégnation du réacteur reliant la cuve de
préparation de
liqueur 1 et le réacteur d'imprégnation 3,
- Un réacteur d'imprégnation 3 équipé de deux vis de transport ascendant
(non
représentées) permettant à la biomasse de passer de la zone d'imprégnation en
partie
inférieure du réacteur à la zone d'égouttage en partie supérieure du réacteur,
et d'amener la
biomasse imprégnée et égouttée en sortie de réacteur située en haut du
réacteur. Cette
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biomasse imprégnée et égouttée est ensuite envoyée au prétraitement par une
alimentation
débouchant dans une deuxième vis conique 2'.
- Cette deuxième vis conique 2' alimente en biomasse imprégnée le réacteur
de
prétraitement 4,
- Un réacteur de prétraitement 4 traite la biomasse imprégnée par explosion à
la vapeur
- Un circuit d'eau de lavage des vis coniques 2,2' du réacteur
d'imprégnation 3 et du
réacteur de prétraitement 4, représentés symboliquement à la figure 1 par des
arrivées d'eau
E au niveau desdites vis, est prévu
- Un moyen de séparation de la vapeur 5 est alimentée par le réacteur 4 en
biomasse ayant
subi la cuisson par explosion à la vapeur, moyen de séparation de type cyclone
par exemple,
avec en sortie haute de la vapeur V et en sortie basse la biomasse explosée,
appelée aussi
moût M.
Ce moût M présente à ce stade une accessibilité de la cellulose aux enzymes
suffisante pour
être traité par hydrolyse enzymatique pour la production de sucres 2G. Les
conditions de
l'hydrolyse enzymatique et de la fermentation consécutive ou simultanée qui
suivent cette
séparation (non représentées à la figure 1) sont adaptées aux produits
souhaités et sont
connues de l'homme du métier.
L'utilisation de la technique de prétraitement décrite plus haut conduit au
dépôt de différents
types de biomasse (de la paille de blé ici, mais aussi miscanthus, peuplier,
etc.), qui
s'accumulent/adhérent à la surface d'au moins une des vis de transport
internes au réacteur
de prétraitement 4 et aux parois du réacteur de prétraitement 4. Ces dépôts
subissent une
cuisson sur des temps plus longs que le temps de séjour normal de la biomasse
dans le
réacteur, et se transforment en un résidu, qu'on peut appeler ici coke . Ce
coke peut
créer divers problèmes opératoires, comme des bouchages de l'orifice de sortie
du réacteur
4, une augmentation des frottements d'au moins une des vis de transport
internes sur la
paroi de l'enceinte dans laquelle elles sont logées, et il peut en résulter
une réduction des
performances de l'unité de prétraitement dans son ensemble telle que
représentée à la
figure 1.
La définition de la composition du coke s'est avérée délicate, car il
s'agit d'un résidu dont
l'aspect et la composition évoluent au fur et à mesure du temps : au début
d'un cycle de
production, la matière qui se dépose est de la biomasse, elle a donc
essentiellement les
mêmes caractéristiques que la biomasse qui continue son parcours au travers du
réacteur 4
et vers les étapes aval. Le dépôt qui se constitue par adhérence à la paroi
interne du
réacteur 4 va rester un temps beaucoup plus long dans les conditions de
cuisson
(température notamment) que souhaité. L'effet de la température affecte la
composition et la
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morphologie du résidu, qui va évoluer vers un résidu de plus en plus cuit .
Plus le résidu
est cuit , plus il est compact et plus il adhère aux parois du réacteur.
Ces dépôts de coke sont cumulatifs : plus le temps d'opération de l'outil
en continu est
long, plus la quantité de coke déposée sera importante, et plus les couches
de coke
proches de la paroi vont évoluer vers un solide très dur. Ces dépôts
provoquent donc un
phénomène d'encrassement, en augmentant l'épaisseur des parois et en diminuant
le
volume utile du réacteur. Selon la configuration du réacteur de cuisson, et
notamment le type
d'interne en place, on peut constater une gêne à la rotation de certains
éléments comme la
vis , ou d'au moins des vis de transport de la biomasse dans le réacteur en
cours de cuisson.
Cette gêne s'observe notamment par une montée de la puissance du moteur
faisant tourner
la vis en question.
Tout au long de la production, il peut aussi arriver qu'une partie de ce
résidu, plus ou moins
durcie, se décroche de la paroi du réacteur, sous l'effet, par exemple, de la
rotation de la vis
ou d'au moins une des vis en question, ou du passage de la biomasse au travers
du
réacteur: ainsi, des particules de densité bien supérieure au lit de biomasse
en cours de
cuisson peuvent être amenées à se détacher et à être entraînées vers l'orifice
de sortie du
réacteur, ce qui peut générer des bouchages ou des problèmes opératoires en
aval. Malgré
ces décrochages, on constate que les dépôts continuent d'augmenter au cours du
temps
pendant un cycle de production donné.
Après arrêt, refroidissement et ouverture du réacteur 4 de cuisson, on a pu
constater que le
coke se présente sous deux formes : une forme dure au contact direct des
parois internes du
réacteur et une forme plus friable qui recouvre le coke dur. La différence
entre ces deux
cokes se trouve dans leurs compositions élémentaires, comme indiqué dans le
tableau 1 ci-
dessous.
Coke friable Coke dur
Teneur en carbone (`)/0) 44,57 65,07
Teneur en hydrogène (`)/0) 5,85 4,67
Teneur en oxygène (`)/0) 34,63 24,58
On constate que le pourcentage en carbone contenu dans le coke dur est plus
élevé que
celui dans le coke friable, tandis qu'on note une tendance inverse pour la
teneur en oxygène,
et des valeurs similaires pour la teneur en hydrogène. Il en ressort que le
coke friable est en
quelque sorte le précurseur du coke dense.
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L'invention consiste à arrêter le fonctionnement des deux réacteurs
d'imprégnation 3 et de
prétraitement 4, afin de procéder au nettoyage chimique du réacteur 4 afin
d'extraire ce coke
C. Ce nettoyage est certes une étape discontinue, mais qui ne nécessite pas
l'ouverture du
réacteur et le nettoyage mécanique de l'intérieur du réacteur comme c'était le
cas
précédemment. Ce nettoyage selon l'invention, détaillé plus bas, est donc plus
rapide, plus
économique et plus sécuritaire, puisqu'il permet de limiter les risques
opératoires liés au
montage et démontage de l'unité.
Un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et ses variantes
sont expliqués à
l'aide de l'ensemble des figures. Il nécessite les équipements supplémentaires
suivants, par
rapport à ceux déjà décrits, au vu de la figure 1 :
- Une cuve de préparation 6 d'une liqueur de nettoyage EB contenant une
base. Cette cuve
6 permet d'alimenter le réacteur de prétraitement 4 en solution basique à une
certaine
concentration. Elle est alimentée en eau E et en base B (par exemple d'une
base B sous
forme d'une solution aqueuse concentrée en KOH), dont l'appoint est ajusté
pour obtenir une
liqueur à la concentration en base, au pH voulus. La gamme de concentration de
cette
solution basique est comprise entre 1 à 50% poids de KOH, le pH de la solution
est de
préférence supérieur à 8, de préférence supérieure à 9 ou 10, avantageusement
compris
entre 12 et 13. Par exemple, la concentration peut être de 3% poids KOH et le
pH d'environ
13,5 (pH qui va légèrement baisser une fois la solution introduite dans le
réacteur pendant le
temps du nettoyage).
- Une alimentation en liqueur de nettoyage du réacteur 4 reliant la cuve de
préparation de
liqueur de nettoyage 6 et le réacteur de prétraitement 4 à nettoyer, en la
préchauffant le cas
échéant par des équipements ad hoc (résistances chauffantes entourant les
conduites par
exemple).
Le déroulement de l'exemple de réalisation du procédé selon l'invention est le
suivant :
- Séquence 1 : Arrêt de la production, comme représenté en figures 1 et en
figure 3, avec
fermeture de l'alimentation et la sortie du réacteur de prétraitement 4,
(coupures symbolisées
par une croix sur les conduites d'amenée et de sortie du réacteur), le
réacteur est alors
vidangé, essentiellement vidé de la biomasse, (la figure 2 représente le
procédé de
traitement de la biomasse en production, avant arrêt de la production)
- Séquence 2 : Bain d'eau par injection d'eau E chauffée à une certaine
température dans le
réacteur 4, comme représenté à la figure 3. Le but de ce premier bain est
d'augmenter le pH
de la biomasse résiduelle dans le réacteur afin que le nettoyage basique avec
la solution de
KOH soit plus efficace. Les conditions opératoires sont les suivantes : durée
du bain entre 0
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et 20 minutes, de préférence inférieure ou égale à 30 secondes ; taux de
remplissage du
réacteur entre 20 et 100% de son volume interne utile, par exemple 100% ; la
température
de l'eau préchauffée avant injection est entre 20 C (température ambiante) à
90 C
(préchauffage), elle est par exemple préchauffée à une température de 80 C.
- Séquence 3 : Vidange de l'eau contenue dans le réacteur 4, comme représenté
à la figure
4 (l'eau évacuée du réacteur E est susceptible de contenir du coke, d'où
l'indication E+C sur
la figure),
- Séquence 4: Remplissage du réacteur 4 avec
dans la solution basique EB,
éventuellement pré chauffée avant introduction dans le réacteur, depuis la
cuve de
préparation 6 pendant une certaine durée, comme représenté en figure 5, les
conditions
opératoires sont les suivantes : durée de l'immersion du réacteur comprise
entre 30
secondes et 4 jours, par exemple 2 heures ; taux de remplissage du réacteur
entre 20 et
100% de son volume interne utile, par exemple 100% ; la température de la
solution basique
avant injection est comprise entre 20 C (température ambiante) et 90 C, elle
est par
exemple préchauffée à une température de 80 C.
- Séquence 5: Vidange de la solution basique EB contenant du coke C, EB+C,
hors du
réacteur 4, comme représenté en figure 6,
- Séquence 6: Chauffe du réacteur 4 par injection de la vapeur V, comme
également
représenté en figure 6. L'objectif ici est de décoller les morceaux de résidus
de biomasse C
par une action thermique complémentaire à celle de la solution basique. Les
conditions
opératoires sont les suivantes : pression entre 1 et 20 bars (1.105 à 20.105
Pa), par exemple
15 bars (15.105 Pa), la durée à température constante de la chauffe par vapeur
est comprise
entre 30 secondes et 6 heures, elle est par exemple de 2 heures,
- Séquence 7: Bain d'eau par injection d'eau E chauffée à une certaine
température dans le
réacteur 4, comme représenté en figure 7. Les conditions opératoires sont les
suivantes :
durée de l'immersion de 0 à 20 minutes, par exemple au plus 30 secondes ; taux
de
remplissage du réacteur entre 20 et 100% de son volume interne utile, par
exemple 100% ;
la température de l'eau préchauffée avant injection est entre 20 C
(température ambiante)
à 90 C (préchauffage), elle est par exemple préchauffée à une température de
80 C.
- Séquence 8 : Vidange de l'eau E contenue dans le réacteur 4, comme
représenté en figure
8, puis vidange de l'eau E, contenant éventuellement du coke E + C
- Séquences 9 et 10: une répétition des séquences 7 et 8 dans les mêmes
conditions
opératoires, à savoir un bain d'eau par injection d'eau E chauffée à une
certaine température
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dans le réacteur, puis vidange de l'eau E, contenant éventuellement du coke E
+ C, qui peut
être suivie d'au moins une autre répétition encore des séquences 7 et 8.
La fréquence de la procédure de nettoyage peut varier largement en fonction du
type et de la
taille du réacteur de prétraitement, 4, du type de biomasse traitée. Par
exemple, le nettoyage
peut être déclenché quand le couple de l'une des vis de convoyage du réacteur
augmente
de plus de 15% par rapport au couple observé en début de production.
Différentes variantes peuvent être apportées à l'exemple de procédé de
nettoyage décrit
plus haut, tout en restant dans le cadre de l'invention, dont certaines sont
détaillées ci-
dessous (qui peuvent être alternatives ou cumulatives) :
- Les solutions aqueuses E et la solution basique EB peuvent être introduites
dans le
réacteur 4 à la température ambiante, ou être préchauffées, jusqu'à 60, 80 et
même 90 C. Il
est à noter que, même introduites à l'ambiante, elles vont généralement tendre
à se
réchauffer une fois dans le réacteur, car il présente une certaine inertie
thermique (la
production de biomasse prétraitée s'effectuant à des températures élevées).
- Les séquences 2 et 3 de bain d'eau avant introduction de la liqueur basique
EB sont
optionnelles et peuvent donc être supprimées,
- La liqueur basique B en sortie du réacteur 4 contient des résidus de
biomasse dégradée, le
coke décrit plus haut : EB+C. Cette liqueur peut être filtrée pour en
extraire le coke C, et
ensuite être recyclée soit dans la cuve de préparation de liqueur basique 6 ou
pour réaliser
la séquence 2 (bain d'eau) de la procédure de nettoyage, comme cela est
représenté en
figure 9,
- Le coke C en sortie du réacteur 4 présente une teneur en base élevée. Il
peut être lavé à
l'eau E afin d'en extraire la base résiduelle, l'eau de lavage peut ensuite
être recyclée dans
la cuve de préparation de liqueur basique 6 ou pour réaliser la séquence 2
(bain d'eau) de la
procédure de nettoyage, comme cela est représenté en figure 10. C'est un
recyclage plus
poussé, donc, que celui proposé en figure 9,
- Le coke ainsi que la liqueur basique B + C en sortie du réacteur 4
peuvent être envoyés
directement dans la cuve de préparation de liqueur basique 6, comme représenté
en figure
11. L'intérêt est toujours de récupérer la base résiduelle en sortie du
réacteur de
prétraitement 4, comme dans le cas des figures 9 et 10, pour préparer la
liqueur basique
servant à nettoyer le réacteur par immersion et de réduire la consommation en
KOH. Une
filtration est alors nécessaire avant d'injecter la solution basique B dans le
réacteur de
prétraitement 4.
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- La procédure de nettoyage peut être appliquée dans le cas d'un
prétraitement de biomasse
brute sans étape d'imprégnation préalable (on parle alors d'auto-hydrolyse)
- On peut réaliser l'immersion du volume intérieur du réacteur 4 dans la
solution /liqueur
basique EB en présence d'un matériau solide abrasif compatible avec le
fonctionnement
mécanique du réacteur, pour obtenir un effet mécanique d'aide au décollement
du coke des
parois du réacteur. Les particules peuvent être introduites dans le réacteur 4
soit
séparément, soit dans la liqueur basique B.Dans tout le présent texte,
l'acronyme "MS"
désigne le taux de matière sèche qui est mesurée selon la norme ASTM E1756 -
08(2015)
Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass".
Exemples
Exemple 1 non conforme à l'invention
Il a été réalisé avec de la paille de blé comme biomasse. Les caractéristiques
et composition
de la charge sont les suivantes :
Matière sèche (MS) : 91.07 (3/0
Débit de biomasse : 65 kg MS/h
Les conditions opératoires pour produire de la biomasse prétraitée sont les
suivantes:
- Imprégnation pour la production et le nettoyage dans le réacteur
d'imprégnation 3:
Débit de solution acide H2504 : 1,5 kg/h (pH proche de 1)
- Explosion Vapeur de la biomasse imprégnée dans le réacteur de prétraitement
4:
Temps de séjour : 5 min
Durée de production : 72 heures
Nettoyage mécanique selon art antérieur :
Descente en température : 48 heures
Durée d'ouverture et démontage : 8 heures
Durée du Nettoyage : 8 heures
Durée du Remontage : 8 heures
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La masse de coke C produite est de 16 kg occupant un volume de 0,012 m3 dans
le réacteur
4, soit une réduction du volume de réacteur de 8,7 % et un débit de production
de coke de
222 g/h.
Exemple 2 conforme à l'invention :
L'imprégnation et l'explosion à la vapeur sont opérées dans les mêmes
conditions et avec la
même biomasse que dans l'exemple 1.
Une fois la production arrêtée, on procède immédiatement à un nettoyage du
réacteur 4
conforme à l'invention, dans les conditions suivantes :
- Bain d'eau à 80 C à un taux de remplissage de 100% puis vidange
immédiate du réacteur,
- Immersion de la totalité du volume intérieur utile (correspondant à un taux
de remplissage
de 100%.) du réacteur 4 dans la solution basique B à 3% de KOH, correspondant
à un pH
initial avant injection dans le réacteur de 13,6. La solution basique a été,
préalablement à
son injection, chauffée à 80 C pendant 2 heures. Ensuite, le réacteur 4 est
vidangé,
- Mise en chauffe du réacteur 4 pendant 2 heures à 200 C (sans présence de
biomasse), par
.. injection de vapeur,
- 3 rinçages à l'eau chaude à 80 C en immersion complète du volume
intérieur du réacteur 4
(taux de remplissage : 100%) puis vidange immédiate
La masse de coke récupérée à la fin de la procédure de nettoyage est de 15 kg,
soit un débit
de production de coke de 208 g/h. Ainsi, la procédure de nettoyage a permis de
récupérer
.. 94% du coke formé dans le réacteur 4, ce qui réduit sa vitesse
d'encrassement de 94%.
Le temps nécessaire pour procéder à ce nettoyage chimique est nettement
inférieur au
temps nécessaire pour le nettoyage mécanique de l'exemple 1 comparatif. Le
procédé de
nettoyage de l'invention est aussi beaucoup moins intrusif, puisqu'il ne
nécessite pas
l'ouverture du réacteur.
