Les procédés de transformation de biomasse lignocellulosique en bioéthanol de seconde génération sont actuellement des sujets de recherche très répandus mais ne sont toujours pas compétitifs avec ceux de la première génération. Les facteurs clés limitants sont : l’efficacité et les coûts du prétraitement, les rendements de l’hydrolyse enzymatique, et la co-fermentation C5-C6. Un procédé continu de déconstruction de la matière végétale, compactant un prétraitement thermo-mécano-chimique utilisant un agent alcalin avec une introduction d’enzymes en extrusion bi-vis, appelé bioextrusion, est développé dans cette étude. Il permet de préparer la matière cellulosique à un haut taux de matière sèche (>20%), à une saccharification et une fermentation pouvant être simultanées (SSF). Le traitement continu peut extraire une grande part des hémicelluloses (jusqu’à 97%) et des lignines (>50%) et améliorer l’accessibilité de la cellulose tout en initiant sa dépolymérisation par des cocktails enzymatiques pendant la bioextrusion. Plusieurs matières premières (Résidu de maïs doux, Bagasse d’agave bleue, Résidu d’huilerie de palme, Paille d’orge, Résidu d’Eucalyptus, Sarments de vigne et Bagasse de canne à sucre) ont été caractérisées et leurs comportements vis-à-vis du procédé ont été comparés. L’évolution de la composition de ces matières à travers le procédé et leur hydrolysabilité ont été étudiées. Suite au traitement, une augmentation du rendement de saccharification dans un réacteur (24h de temps de réaction à 20% de consistance) a été obtenue pour ces matières (jusqu’à 85% des C6 théoriques et 70% des C5-C6 théoriques). Les rendements de fermentation non optimisés atteignent un maximum de 85% théorique des sucres C6 convertis, 65% théorique des C5-C6 convertis, et une concentration d’éthanol de 15g/100g extrudat sec. Le procédé de production d’éthanol dans son ensemble (avec addition de l’énergie de la valorisation des coproduits) atteint un ratio « énergie consommée/produite » de 0.5-0.6. Le nouveau procédé présente ainsi les avantages de minimiser la consommation d’énergie par l’application de faibles températures, de minimiser la consommation d’eau par l’utilisation de faibles ratios liquide/solide, de ne pas produire d’inhibiteurs de fermentation et d’être rapide, compact, continu et adaptable sur différentes biomasses. / Lignocellulosic biomass transformation processes in order to produce second generation bioethanol are actually widely studied all around the world but still not yet competitive compare to the first generation. The limiting key factors of the different processes are: the pre-treatment efficiency and costs, the enzymatic hydrolysis yields, and the co-fermentation C5-C6. A continuous plant matter deconstruction process, compacting a thermo-mechanico-chemical pre-treatment using alkali solution with an enzymes injection in twin-screw extruder, called bioextrusion, is developed in this study. It allows preparing the cellulosic material at a high dry matter content (>20%), to a possible simultaneous saccharification and fermentation (SSF). This continuous treatment may extract a big part of hemicelluloses (until 97%) and lignin (>50%) and configures cellulose to a better accessibility and a start of its depolymerisation by enzymes cocktail during the bioextrusion. Several raw matters (Sweet Corn Cob and Spathe, Blue Agave Bagass, Oil Palm Empty Fruit Bunch, Barley Straw, Eucalyptus Residue, Grape Pruning Residue and Sugarcane Bagass) have been characterized and theirs behaviours toward to the process were compared. Evolutions of these matters compositions throughout the process and their hydrolysability have been studied. Further to the treatment, an improvement of the saccharification yields in reactor (24h reaction time at 20% consistency) has been obtained on these matters (until 85% of theoretical C6 and 70% of theoretical C5-C6). The not optimized fermentation yields reach a maximum of 85% of theoretical converted C6 sugars, 65% of theoretical converted C5-C6 sugars, and an ethanol concentration of 15g/100g dry matter extrudate. The whole ethanol production process (with addition of energy from the recovery of the by-products) is achieved with a “consumed/produced energy” ratio of 0.5-0.6. The new process presents the advantages to minimize the energy consumption by operating low temperatures, to minimize water consumption by working at low liquid/solid ratio, to not produce fermentation ‘s inhibitors and to be quick, compact, continuous and adaptable to different biomasses.

L’incorporation de fibres végétales, différentes par leur origine, leur nature chimique et leur forme, a été effectuée dans deux matrices thermoplastiques : le poly(acide lactique) et la farine de blé thermoplastifiée. Ces deux matrices biodégradables et biosourcées ont elles aussi des natures chimiques et des propriétés thermo-mécaniques différentes. Des incorporations de fibres jusqu’à 40 % en poids ont permis de modifier considérablement les propriétés de base des matrices et d’améliorer certaines de leurs faiblesses (stabilité thermique, manque de rigidité…). Les fibres de miscanthus ont été sélectionnées comme étant les plus performantes pour l’amélioration des propriétés des deux matrices. Les propriétés des matériaux composites ont été ajustées par un travail sur la formulation du mélange (ajout de plastifiants) et l’optimisation du procédé complet, jusqu’au moulage par injection. L’incorporation des fibres dans un mélange compatibilisé des deux matrices a également été testée et réalisée en une seule étape d’extrusion, comprenant la plastification de la farine, le mélange des polymères et la dispersion des fibres. / Incorporation of vegetal fibres, differing by their source, their chemical composition and their shape, have been performed by twin screw extrusion in two thermoplastic matrices: the poly(lactic acid) and the thermoplastified wheat flour. These two biobased and biodegradable matrices have also different chemical character and thermo-mechanical properties. Fibre incorporation up to 40 % in weight considerably modified both matrix properties and improved several weaknesses (thermal stability, lack of stiffness…). Miscanthus fibres have been selected as best improvers for properties of both matrices. Materials properties were adjusted with a formulating work (addition of plasticizers) and whole process optimization, until injection-molding. Fibre incorporation in a compatibilized blend of the two matrices was also tested and performed in a one step extrusion process, including flour thermoplasticization, polymer blending and fibre dispersion.

L’objectif de ces travaux est de développer une nouvelle voie de valorisation de différents coproduits agricoles et forestiers. L’étude s’est focalisée sur l’étape de séparation entre les hémicelluloses et les lignines contenues dans des extraits aqueux obtenus par extrusion bi-vis. La technologie bi-vis du fait de sa modularité a été choisie pour évaluer différentes conditions d’extraction. Les essais ont été menés afin de mettre en évidence l’influence des effets mécanique, thermique et chimique sur l’extraction des hémicelluloses à partir des différentes matrices végétales étudiées. Les travaux ont été conduits soit en conditions hydrothermales, eau sous pression et haute température, soit en conditions faiblement alcalines pour extraire des molécules les plus natives possibles. Ceci a permis d’identifier les conditions d’extraction les plus favorables en fonction des caractéristiques de chacune des biomasses. Dans un second temps, les extraits obtenus, contenants des hémicelluloses et des composés phénoliques, ont été purifiés au moyen de méthode de fixation sur résines d’échange d’ions et d’adsorption. Les travaux se sont focalisés sur la compréhension des mécanismes de fixation des molécules avec des solutions modèles contenant un ou plusieurs solutés. La cinétique et les isothermes d’échanges ont été évaluées pour l’acide férulique, l’acide coumarique et la lignine. Les résultats ont ensuite été comparés à ceux obtenus avec les extraits alcalins. Cette étude a permis d’identifier les mécanismes d’échanges qui interviennent lors de la séparation des complexes lignine-polysaccharides. / The objective of this work is to validate a new way of valuing various agricultural and forestry coproducts. Study was devoted on the separation of lignin and hemicelluloses contained in extracts obtained by twin-screw extrusion. Twin-screw technology has been chosen to evaluate different extraction conditions. Trial conditions have been adopted in order to highlight the influence of mechanical, thermal and chemical effects on the extraction performances for various plant matrices. Efforts have been made to give priority to mild extraction conditions in the interest of preserving the integrity of the extracted polymers and limiting the environmental impact. Thus hydro-thermal extraction tests without chemical solvents were compared to more conventional alkaline extraction to evaluate their efficiency. This identified the most favorable extraction conditions according to the characteristics of each biomass. The extracts, with hemicelluloses and phenolic compounds, were purified with ion exchange and adsorption resins. Work focused on mechanisms fixations characterization with model solutions conditions containing one or several molecules. Kinetic and isotherm were determined for lignin, coumaric acid and ferulic acid. Then, results were compared to results obtained with the extracts. This study allowed to identify the mechanisms involved in the separation of the lignin-carbohydrates complex.

Originaire de l'Inde, le neem (Azadirachta indica Juss.) est un arbre présent dans les zones tropicales sèches et subtropicales d'Asie, d'Amérique et d'Afrique. Au Sénégal, il produit en moyenne 50 kg par an d'un fruit sous forme de drupe ellipsoïdale, qui contient en général une graine, d'un poids moyen de 270 ± 30 à 91 % de matière sèche. La variabilité des caractéristiques des graines (45 à 48 % de coques fibreuses : cellulose 52 à 54 %, hémicelluloses 24 à 28 %, lignine 7 à 9 % ; 52 à 55 % d'amandes : lipides 45 à 58 %, protéines 20 à 23 %j) et des huiles extraites (acides palmitiques : 17 à 19 %, stéarique : 14,5 à 17,5 %, oléique : 42 à 48,5 %, linoléique : 16,5 à 20 % ; stérols totaux : 3 à 5 g/kg) est analysée pour 5 régions du Sénégal. L'extraction de l'azadirachtine, principal principe actif phytosanitaire de la graine, par différents solvants (méthanol, éthanol, eau) révèle une teneur de 2 g par kg de graine, localisée essentiellement dans l'amande (3,9 g/kg). Les conditions d'expression de l'huile de graine de neem sont étudiées en presse mono-vis OMEGA 20 et en extrudeur bi-vis CLEXTRAL BC 21. Dans les meilleures conditions, 65 et 68 % de l'huile sont exprimées, 7 à 10 % de l'azadirachtine sont entraînées avec l'huile, et le tourteau contient 14 % de lipides, 14 % de protéines et près de 2 g/kg d'azadirachtine. Le fractionnement acqueux, sous cisaillement intense des graines, conduit à l'extraction de 55 % des lipides, 50 % des protéines et 80 % de l'azadirachtine, séparés sous forme d'une émulsion stable, de composition : eau 70 %, huile 25 %, protéines 4 %, azadirachtine 6 g/kg, et d'une phase aqueuse. L'étude de la mise en œuvre du procédé d'extraction et de séparation, en extrudeur bi-vis CLEXTRAL BC 21 puis BC 45, permet de produire en continu 0,3 kg d'émulsion stable par kg de graine traitée (20 kg/h) avec un ratio eau/graine de 2 et une température de 60°C. Le tourteau ne contient plus que 0,6 g/kg d'azadirachtine, et l'émulsion stable qui en contient 5 g/kg peut être directement mise en œuvre dans les formulations d'insecticide totalement biosourcés. / Originally from India, neem (Azadirachta indica Juss.) is a tree found in the dry tropics and subtropics of Asia, America and Africa. In Senegal, it produces an average of 50 kg per year of a fruit as a drupe ellipsoid, which generally contains a seed, with an average weight of 270 ± 30 to 91% dry matter. The variability of seeds (45 to 48% of capsular cellulose 52-54%, 24-28% hemicellulose, lignin 7-9% 52-55% almonds: 45 to 58% lipids, proteins 20 to 23% j) and extracted oils (palmitic acid: 17 to 19%, stearic: 14.5 to 17.5%, oleic acid: 42 to 48.5%, linoleic: 16.5 to 20% total sterols: 3 5 g / kg) was analyzed for five regions of Senegal. Extraction of azadirachtin, the main active ingredient of the plant seed by different solvents (methanol, ethanol, water) shows a content of 2 g per kg of seed, mainly localized in the kernel (3.9 g / kg ). The expression conditions of neem seed oil were studied in single-screw press OMEGA 20 and twin-screw CLEXTRAL BC 21. Under optimum conditions, 65 and 68% of the oil is expressed, from 7 to 10% of azadirachtin are entrained with the oil and meal contains 14% fat, 14% protein and about 2 g / kg azadirachtin. Watery splitting under intense shear seeds, led to the extraction of 55% lipids, 50% protein and 80% of azadirachtin, separated as a stable emulsion, composition: water 70% oil 25%, 4% protein, 6 g azadirachtin / kg, and an aqueous phase. The study of the implementation of the method of extraction and separation, twin-screw extruder and then CLEXTRAL BC 21 BC 45, produces continuous stable emulsion 0.3 kg per kg of treated seed (20 kg / h) with a ratio water / seed of 2 and a temperature of 60 ° C. The cake contains only 0.6 g / kg of azadirachtin, and stable emulsion which contains 5 g / kg can be directly implemented in the formulations of insecticide biosourced completely.

Yes / Several contributions in answering granulation challenges including the use of computer simulation and well thought out experimental analyses are being researched. Using a twin screw granulator (TSG) by design of experiments (DoE), comparisons on 1) equipment similarities i.e., continuous and 2) shear forces, are made to previous literature on continuous equipment and a Cyclomix. This study proposes that equipment specific DoE, better explains the contribution of parameters than investigating an identified parameter from the experimental findings from a specific equipment. Granule strength and structure are presented together with the contribution of process parameters, speed, temperature, and binder content. Seeded structures are present in all but the Extrudomix. Longer residence times within the Cyclomix facilitates seeded structures. Granule crushing strengths are higher in TSG than all other continuous equipment. Optimum condition for the formation of stronger granules with least variation is around 65.4 °C. / The authors would like to acknowledge the support from the CCIP grant (Collaboration, Capacity and IP Development) fund from the University of Bradford for ordering cunsumables and equipment.

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The mixing of additives into a plastic is an extremely important step in the plastics industry, necessary for the manufacture of almost every conceivable product. Therefore the costs in developing new products can prove very expensive as the testing is usually carried out using full scale machines, usually using twin screw extruders because they are able to provide good dispersive and distributive mixing. This is particularly important when compounding difficult to disperse additives and nano-additives. What is required is a machine that can replicate the mixing abilities of a twin-screw extruder but on a laboratory scale. There have been attempts by industry to develop smaller machines, such as the Thermo Scientific HAAKE Minilab II Micro Compounder which processes on the scale of 7 cm3 of material volume. This can be too small for some needs and therefore a machine is required to produce material on the 10g to 100g scale. To this end a laboratory mixer of novel design was devised and its mixing performance was assessed using conductive carbon black and compared against the Thermo Scientific HAAKE Minilab II Micro Compounder, a 19 mm co-rotating twin-screw extruder and a 40 mm co-rotating twin-screw extruder. Carbon black was used because mixing performance can be assessed by measuring the minimum carbon loading necessary to induce electrical conductivity. It was found that the minimixer was able to induce electrical conductivity at loading of 5.75% but the comparison with the other machines proved difficult as the achievement of the threshold at which semi-conductivity occurred appeared independent of shear rate and mixing duration. / EPSRC / The following files are not available online: Americhem raw data; Carbon Black raw data; Videos.

Les voies de valorisation actuelles ne permettent pas d'absorber la totalité des coproduits de l'industrie du bois (noeuds, écorces, souches), qui sont des matières riches en composés bioactifs tels que les polyphénols, préférentiellement extraits par des solvants comme l'éthanol ou le méthanol. Le fractionnement aqueux à l'aide d'extracteur bi-vis permet d'obtenir des extraits polyphénoliques à activité antioxydante. Après avoir déterminé l'extractabilité des polyphénols de chaque matière en eau subcritique, les paramètres d'extraction en bi-vis ont été optimisés de façon à d'atteindre des conditions de température et de pression caractéristiques de l'eau subcritique. La présence d'un marqueur spécifique dans les extraits étaye l'hypothèse selon laquelle l'extracteur bi-vis permet d'atteindre les conditions de l'eau subcritique. Les effets des extraits sur la biodégradabilité de pots horticoles dans lesquels ils ont été incorporés ainsi que sur la croissance de plantes mises en culture dans ces pots ont été déterminés. La valorisation de l'extrudat comme matériau pour le thermopressage en panneaux de particules a également été étudiée. / Actual exploitation procedures can not absorb all the wood by-products (knots, barks, stumps), which are potent sources of bioactive compounds such as polyphenols, preferentially extracted by solvents such as ethanol or methanol. Aqueous fractionation has been performed with twin-screw extractors to obtain polyphenolic extracts with antioxidant activity. After having determined the extractability of polyphenols from each byproduct with subcritical water, the parameters of twin-screw extraction were optimized in order to reach temperature and pressure conditions in subcritical water area. The presence of a specific marker in the extracts supports the hypothesis that a twin-screw extractor allows to reach subcritical water conditions. The effects of the extracts on the biodegradability of horticultural pots in which the extracts have been incorporated and on the development of the plants grown in these pots have been evaluated. The valorisation of the extrudate as raw material for thermopressing particle boards has also been studied.

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au mélange de la farine de blé et du poly(acide lactique). La farine de blé, qui est composée principalement d'amidon, a été thermoplastifiée en extrudeur bivis par l'effet conjugué de la chaleur et du cisaillement en présence de plastifiants. Le poly(acide lactique) est, quant à lui, le polyester biodégradable le plus répandu à l'heure actuelle. Le mélange de ces deux phases est thermodynamiquement immiscible et peu compatible, différents leviers sont testés afin d'améliorer la qualité du mélange. Une première partie de ce travail repose sur la recherche de conditions optimales pour la transformation et le mélange des matières premières. L'extrusion bivis est utilisée à la fois pour plastifier l'amidon et pour assurer un bon mélange entre les phases. Le profil de vis et les différents équipements sont donc choisis en conséquence. Différents paramètres classiques de l'extrusion bivis sont étudiés : le profil de vis, le profil de température, le taux de remplissage… L'étude de la formulation, notamment des plastifiants utilisés pour la plastification de l'amidon mais également l'utilisation de compatibilisants pour améliorer l'interface amidon/PLA est traitée en deuxième partie. L'acide citrique est testé à la fois comme plastifiant et comme compatibilisant. Ces investigations nous ont permis de mettre au point différents grades intéressants répondant à des applications industrielles distinctes : injectabilité, souplesse, rigidité… / In this work, we have been interested in blending wheat flour and poly(lactic acid). Wheat flour, which is mainly constituted of starch, has been transformed with plasticizers in a twin-screw extruder with the effect of heat and shear. Poly(lactic acid) is the main biodegradable polyester in the world nowadays. These two phases are thermodynamically immiscible and not very compatible, different ways are tried to improve the blend quality. A first part of this work lies on the search of optimal conditions to transform and blend the raw materials. Twin-screw extrusion is used to pasticize starch and to ensure a good blending between the two phases. Screw design and different equipments have been chosen for this purpose. Classical twin-screw parameters have been studied: screw design, temperature profile, filling ratio… The study of the formulation, more particularly of plasticizers for starch plasticization but also of compatibilizers to improve starch/PLA interphase is tackled in a second part. Citric acid is tested as a plasticizer but also as a compatibilizer. These researches have allowed to develop interesting formulations for industrial applications: possibility of processing by injection-molding, flexibility, rigidity…