Bioethanol is an appealing alternative to petroleum-based liquid fuel due to drivers such as environmental regulations and government mandates. Second generation lignocellulosic feedstocks are abundant, but their resistance to hydrolysis continues to be problematic. Different pretreatments have been proposed to increase cellulose reactivity. Softwood pine autohydrolyzed at different severities was subjected to further treatment to increase fibre reactivity. Liquid hot water is most effective at removing barriers, with the highest increase in sugar yield after enzymatic hydrolysis. Alkaline (NaOH) is found to be the worst option compared to dilute acid and organosolv. In addition, higher chemical concentrations and longer treatment times do not guarantee higher enzymatic hydrolysis yield. Process modifications such as fiber washing and multistage enzymatic hydrolysis are observed to be effective at increasing yield. However, more research is required to bring the enzymatic hydrolysis yield to a level where commercialization is feasible.

Bioethanol is an appealing alternative to petroleum-based liquid fuel due to drivers such as environmental regulations and government mandates. Second generation lignocellulosic feedstocks are abundant, but their resistance to hydrolysis continues to be problematic. Different pretreatments have been proposed to increase cellulose reactivity. Softwood pine autohydrolyzed at different severities was subjected to further treatment to increase fibre reactivity. Liquid hot water is most effective at removing barriers, with the highest increase in sugar yield after enzymatic hydrolysis. Alkaline (NaOH) is found to be the worst option compared to dilute acid and organosolv. In addition, higher chemical concentrations and longer treatment times do not guarantee higher enzymatic hydrolysis yield. Process modifications such as fiber washing and multistage enzymatic hydrolysis are observed to be effective at increasing yield. However, more research is required to bring the enzymatic hydrolysis yield to a level where commercialization is feasible.

Sludge management is the highest operating cost in municipal wastewater treatment. Anaerobic digestion (AD) is used to stabilize the sludge and reduce biosolids generation. Hydrolysis kinetics limit the rate of anaerobic digestion and must be improved to increase the overall process rate. In this study a new sludge characterization analysis was used to evaluate hydrolysis in a lab-scale pretreatment process operated at 55℃, 65℃, and 75℃. The experimental results were used to develop a new AD mathematical model, the hydrolysis digestion model (HDM). The model developed is easier to use, as the number of processes and variables were reduced by half, in comparison to existing models. The model variables can be measured using standard sludge characterization analysis, and the hydrolysis reactions included the fermenting microorganism to more accurately model the two-phase hydrolysis model. Model simulations were found to be a good fit of the experimental results, accurately predicting the rate and extent of hydrolysis in the pretreatment digester. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Le miscanthus x Giganteus (MxG) constitue, du fait de sa composition, une source renouvelable de matière lignocellulosique pouvant être d'un grand intérêt pour la production de molécules à haute valeur ajoutée. Le MxG ayant servi à ce travail provient du lycée agricole à Courcelles-Chaussy, Metz-France. Sa teneur élevée en hémicelluloses (26 %), en lignine (26 %) et en cellulose (36 %) en fait une bonne source de polymères et de carburant renouvelable. L'étude que nous avons réalisée a été menée dans le but de caractériser la paille de MxG et d'optimiser le processus de délignification en une seule étape (1) par un traitement organosolv à l'éthanol et en deux étapes (2) par un prétraitement consistant en une autohydrolyse à l'eau/organosolv. Le procédé éthanol organosolv a permis un bon fractionnement des trois constituants de la biomasse (la lignine, la cellulose et les hémicelluloses). Le procédé de traitement en deux étapes, impliquant une autohydrolyse à l'eau (en présence et en l'absence du 2-naphtol), préalable au traitement organosolv, a permis de faciliter l'étape ultérieure de délignification en déstructurant la lignine. Une investigation portant sur la structure physico-chimique a été réalisée sur de la lignine de bois broyé et de la lignine organosolv de MxG extraite à différentes sévérités de traitement. Nous nous sommes ensuite intéressés à utiliser la lignine organosolv pour la formulation d'un adhésif pour le bois dans laquelle un aldéhyde non toxique et peu volatile (le glyoxal) est employé en remplacement du formaldéhyde. Une formulation, composée à 100 % de résines naturelles (60 % de tannins de mimosa et 40 % de lignine glyoxalée) a été utilisée pour la conception d'un panneau de particules et a donné des résultats prometteurs avec une force de liaison interne de 0,41 MPa, supérieure à la valeur de la norme européenne en vigueur. Enfin, une étude des propriétés antioxydantes a été faite sur les lignines extraites. Les résultats obtenus ont montré une corrélation entre l'activité antioxydante et les conditions opératoires du traitement organosolv, la masse moléculaire moyenne, l'indice de polydispersité et les groupements hydroxyles phénoliques des lignines. / Miscanthus x giganteus (MxG) is, because of its composition, a source of renewable lignocellulosic material that can be of great interest for the production of high added value molecules. MxG used in this work comes from the agricultural high school of Courcelles-Chaussy, Metz-France. Its high content of hemicelluloses (26 %), lignin (26 %) and cellulose (36 %) makes it a good source of polymers and renewable fuel. In the present study we have characterized the straw of MxG and optimized the process of delignification in a single step (1) by an ethanol organosolv treatment and in a two steps (2) including an autohydrolysis pretreatment with water / organosolv. The ethanol organosolv process permits a good separation of the three constituents of our biomass (lignin, cellulose and hemicelluloses). The two steps treatment process, involving an autohydrolysis with water (in the presence or absence of 2-naphthol) before the pretreatment organosolv has facilitated the later stage of delignification in destructurizing the lignin. An investigation of the physico-chemical properties was performed on the structure of the milled wood lignin and organosolv lignin of MxG extracted with different treatment severities. A way of valorization for the organosolv lignin has been proposed by their incorporation in the formulation of an adhesive for wood in which a non volatile and low toxic aldehyde (glyoxal) is used instead of formaldehyde. A formulation consisting in 100 % of natural resins (60 % tannins of mimosa and 40 % of glyoxalated lignin) was used for the production of particle board and gave promising results with internal bond strength of 0.41 MPa, higher than the value of the current European standard. Finally, a study was conducted on the antioxidant properties of organosolv lignin extracted at different severities. The results have shown a correlation between the antioxidant activity and the operating conditions of treatment organosolv, the average molecular weight, the polydispersity index and the phenolic hydroxyl groups of lignin

Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet d’envergure visant à transformer une usine de production de fibres cellulosiques en une bioraffinerie intégrée par l’ajout d’une étape préliminaire d’autohydrolyse permettant le retrait des hémicelluloses du bois de feuillus en vue de leur valorisation. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’impact de l’autohydrolyse, d’une part, sur les constituants du bois et d’autre part, sur la mise en œuvre du procédé de production de cellulose à partir des copeaux de bois prétraités. Différentes techniques d’analyse ont été mises en œuvre pour caractériser la lignine, qui ont montré que l’autohydrolyse dépolymérise la lignine ce qui conduit à une augmentation de la teneur en groupements phénoliques libres. D’autre part, il a été montré que la part de lignine impliquée dans les complexes lignine-hydrates de carbone est diminuée par l’autohydrolyse. La lignine devrait ainsi être plus facile à éliminer lors des procédés de délignification ultérieurs. Une nouvelle technique de RMN-DNP a également été utilisée pour analyser la structure des composants directement à l’intérieur du bois sans risquer de les altérer par une extraction préalable.L’étude de l’aptitude à la délignification des copeaux traités par autohydrolyse a en effet confirmé que la délignification et le blanchiment des fibres produites sont facilités, à tel point que le procédé kraft (utilisant de la soude et du sulfure de sodium) utilisé habituellement pour extraire les fibres de cellulose du bois, pourrait être remplacé par un procédé utilisant de la soude seule. Ceci présenterait le double avantage de réduire les nuisances olfactives du procédé grâce à l’absence de composé soufré, et de faciliter le fonctionnement de la chaudière utilisée pour produire de l’énergie et régénérer les réactifs de délignification. De plus l’étude du blanchiment de ces fibres a montré qu’un procédé plus durable, utilisant des composés non chlorés (oxygène, ozone et peroxyde d’hydrogène) pourra être utilisé, en remplacement du blanchiment utilisant du dioxyde de chlore. Enfin, l’évaluation des propriétés des fibres cellulosiques ainsi produites a permis de conclure qu’elles conviendraient pour une application de type viscose : haute pureté de la cellulose, degré de polymérisation adéquat, très hauts niveaux de blancheur et très bonnes stabilités de blancheur. / This study is a part of a large project which aim is to convert a pulp mill into a fully integrated biorefinery by adding an autohydrolysis step to remove and valorize hemicelluloses prior to cooking. This thesis’s goal is to study the impact of adding an autohydrolysis step on wood components and on the subsequent delignification and bleaching processes applied to this wood to produce pure cellulose. Wood components were analyzed before and after autohydrolysis. In particular it was shown that autohydrolysis increases the amount of free phenolic groups, and lowers the involvement of lignin in lignin carbohydrates complexes. A new NMR method using Dynamic Nuclear Polarization was performed directly on milled wood to look at wood components structure without extraction’s steps to avoid chemical modifications.The second part describes the test of pulp processes (alkaline cooking, oxygen delignification and bleaching) on autohydrolysed wood chips. It showed that the addition of this autohydrolysis step improves delignification during cooking to such an extent that soda cooking alone is possible and efficient. Oxygen delignification was also improved. Two bleaching sequences with or without chlorinated compounds (ECF and TCF) were applied and compared, and it was concluded that sustainable bleaching without any chlorinated reagents is feasible. Finally, evaluation of bleached pulp properties demonstrated that viscose application can be targeted. Indeed, pulp had high purity cellulose content, adequate degree and high brightness and brightness stability.

La valorisation de la biomasse lignocellulosique est aujourd’hui un enjeu majeur du fait de la réduction des ressources fossiles. Séparer chaque constituant pour les valoriser de la meilleure façon possible est l’objectif des bioraffineries papetières. L’effluent papetier, la liqueur noire, est actuellement brûlé pour produire de l’énergie, mais sa gazéification permettrait d’augmenter ces rendements énergétiques. Mais pour cela une cuisson sans soufre du bois est nécessaire, le soufre inhibant la gazéification.Cette étude a donc porté en premier lieu sur la faisabilité d’un fractionnement sans soufre du bois, plus ardu qu’un procédé kraft traditionnel contenant du soufre. Le travail a été effectué sur les bois résineux, ceux-ci étant plus difficiles à délignifier que les bois feuillus. Une étape d’autohydrolyse du bois, préalable au fractionnement à la soude, a été effectuée afin d’extraire les hémicelluloses pour une valorisation ultérieure. Les travaux ont montré que ce prétraitement permettait de délignifier le bois plus facilement et ainsi d’envisager un fractionnement sans soufre. La cellulose obtenue par ce procédé présente une pureté et un degré de polymérisation suffisants pour envisager son utilisation pour de la viscose ou pour des applications chimiques.La lignine ne présentant pas de différences structurelles majeures entre du bois préhydrolysé ou non, les complexes entre la lignine et les hydrates de carbone (LCC) ont été analysés. Il a été montré que la préhydrolyse modifie significativement la quantité et la composition de ces complexes, permettant d’expliquer par là les résultats obtenus. / The valorization of lignocellulosic biomass is nowadays a major issue due to the reduction of fossil resources. Separating each component to valorize them the best way as possible is the goal of the pulp and paper biorefineries. The effluent of the mill, called the black liquor, is currently burnt to produce energy, but gasification would increase the energy efficiency. For this, a sulfur-free cooking of wood is necessary, as sulfur inhibits gasification.Therefore this study first focused on the feasibility of cooking without sulfur, which is more difficult than a conventional kraft cooking containing sulfur. The work was done on softwood which is more difficult to delignify than hardwood. The wood was first pretreated with an autohydrolysis to remove hemicelluloses for further valorization.The results were conclusive for the production of cellulose pulp for chemical applications. To explain the differences obtained, structural differences of wood components were looked for. Lignin did not show major differences whether the wood was prehydrolyzed or not, whereas the complexes between lignin and carbohydrates (LCCs) showed significant differences, which would explain the results obtained.

Ce projet de thèse est dédié à l’étude de l’intensification de l’extraction des polymères d’hémicelluloses à partir du bois d’épicéa par l’application de prétraitements physicochimiques : microondes (MO), décharges électriques de hautes tension (DEHT) et explosion à la vapeur (STEX). L’extraction des hémicelluloses est souvent réalisée par autohydrolyse ou par des traitements chimiques. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié un procédé basé sur l’extraction des hémicelluloses en combinant des prétraitements physiques aux prétraitements chimiques et à l’autohydrolyse. Ce couplage a permis d’avoir des hémicelluloses avec des poids moléculaires moyens en masse (Mw) élevés allant jusqu’à 70 kDa, 66 kDa et 55 kDa lors des extractions en milieu basique par STEX, MO et DEHT respectivement. Les performances des prétraitements en termes de rendement d’extraction sont plus élevées que pour l’autohydrolyse seule pour les mêmes conditions de température et de temps d’extraction. La caractérisation des hémicelluloses extraites a révélé une sélectivité d’extraction en fonction du pH du milieu d’imprégnation. L’imprégnation en milieu neutre favorise la solubilisation des galactoglucomannanes (GGM) et l’imprégnation en milieu basique favorise la solubilisation des arabinoglucoronoxylanes (ARX). L’analyse du degré d’acétylation (DA) a montré que la STEX a permis d’extraire des acetyl-GGM avec des DA (~0,35) proches de celui des hémicelluloses à l’état natif. Les films élaborés à partir des hémicelluloses extraites présentent des barrières intéressantes vis à vis de l’oxygène (0,83 cm3.μm-1.jour-1.kPa au maximum) et du rayonnement UV. / This thesis project is specifically dedicated to the study of the intensification of the extraction of hemicellulose polymers from spruce wood by the application of physicochemical pretreatments: Microwave (MW), High Voltage Electrical Discharge (HVED) and Steam Explosion (STEX). Extraction of hemicelluloses is often carried out by an autohydrolysis or by chemical treatments. In this work, we have developed an original process for extracting hemicelluloses polymers by combining physical pretreatments (MW, HVED and STEX) with chemical pretreatments and autohydrolysis. This combination allowed us to recover hemicelluloses with average molecular weights (Mw) highs up to 70 kDa, 66 kDa and 55 kDa when STEX, MW and HVED were applied in basic medium respectively. The performance of the pretreatments in terms of extraction yield is higher than the autohydrolysis alone for the same extraction temperatures. The characterization of the extracted hemicelluloses revealed an extraction selectivity as a function of the pH of the medium of impregnation. Impregnation in neutral medium promotes the solubilization of galactoglucomannans (GGM) and impregnation in a basic medium promotes the solubilization of arabinoglucoronoxylans (ARX). The analysis of the degree of acetylation (AD) showed that STEX pretreatment allowed the extraction of acetyl-GGM with an AD of approximately 0.35 which is close to that in native hemicelluloses.The characterization of films made from extracted hemicelluloses showed that these films are good barrier to oxygen with oxygen permeability near to 0.83 cm3 μm-1 day-1 kPa-1 and to UV radiations.