Au cours de ce projet, il a été démontré qu’il était possible d’appliquer un procédé utilisant comme solvant du 2-MeTHF ainsi que du Nickel de Raney comme catalyseur afin de valoriser par hydroliquéfaction différentes formes de biomasse résiduelles. Dans un premier temps, ce procédé, résumé dans un premier article, s’est avéré efficace pour trois différentes sources de carbone : des déchets ménagers, des boues de station d’épuration et des microalgues. Malgré que la réaction soit affectée par le type de solvant ainsi que la température d’opération, il a été démontré que le 2-MeTHF (un solvant vert) pouvait remplacer la tétraline (un solvant de source fossile) pour l’hydroliquéfaction de ces différentes sources de carbone. L’hydroliquéfaction de ces biomasses a permis la production d’huiles à haute valeur énergétique, se comparant à celle d’un biocarburant. Dans un deuxième article, le même procédé (utilisant le même solvant et catalyseur) a été optimisé pour la liquéfaction d’une fraction de la biomasse lignocellulosique soit la fraction oligomérique issue de la dépolymérisation alcaline de la lignine. Une analyse complète de la liquéfaction d’oligomères d’induline, lignine provenant des liqueurs issus de l’industrie papetière, a révélé la production de trois fractions : une fraction gazeuse, une liquide (soluble dans l’hexane) et une solide (insoluble dans l’hexane). L’analyse élémentaire de la fraction solide a révélé une baisse massique de 15,4% d’oxygène et une augmentation massique de 1,4% d’hydrogène par rapport aux oligomères utilisés comme réactifs. Une chaleur massique (HHV) de 34,0 kJ/g a été mesurée par bombe calorimétrique pour la fraction solide. L’analyse par chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (GC-MS) de la fraction liquide a permis d’identifier la présence de nombreux monomères tel le 2-methoxy-phénol, de 4-éthylgaïacol et le crésol. Une HHV de 34,2 kJ/g a été mesurée par bombe calorimétrique de la fraction liquide. La fraction gazeuse était principalement constituée de méthane et de CO[indice inférieur 2].

Le monde agricole québécois a actuellement la volonté de mettre en place une filière biomasse pour la production de chaleur à la ferme. Toutefois, la législation sur la qualité de l’air du Québec ne permet pas de valoriser aisément des cultures énergétiques à cette fin. Dans la littérature, le manque de facteurs d’émission en lien avec la combustion de biomasses lignocellulosiques limite l’actualisation du règlement, plutôt contraignant dans le moment, pour répondre aux besoins du milieu. Par ailleurs, la variabilité des propriétés physico-chimiques des plantes agricoles rend le dossier encore plus complexe. Le présent projet visait donc à quantifier l’influence des caractéristiques (espèce, composition chimique, date de récolte, forme, etc.) des cultures dédiées ayant le meilleur potentiel de développement au Québec sur les émissions atmosphériques (particules et gaz) lors de la combustion à la ferme. Une revue critique de la littérature a d’abord ciblé, en plus du bois (référence), quatre biomasses agricoles d’intérêt : le saule à croissance rapide, le panic érigé, le miscanthus et l’alpiste roseau. Ces cultures pérennes ont ensuite été acquises de divers producteurs selon la forme du produit (copeaux, granules ou vrac) et sa date de récolte (automne ou printemps). Au total, 12 différentes biomasses ont été brûlées dans une chaudière multi-combustible de 29 kW au Laboratoire sur les énergies en agriculture durable (LEAD) de l’Institut de recherche et de développement en agroenvironnement (IRDA). Au cours de 36 essais expérimentaux (3 répétitions), les paramètres d’opération (masse du combustible, températures de la chambre, de l’effluent gazeux et de l’eau de l’échangeur de chaleur, débits des gaz et du fluide caloporteur, etc.) et les concentrations de 11 gaz (CO, CO[indice inférieur 2], CH[indice inférieur 4], N[indice inférieur 2]O, NO, NO[indice inférieur 2], NH[indice inférieur 3], SO[indice inférieur 2], HCl, H[indice inférieur 2]O et O[indice inférieur 2]) ont été mesurés en continu. Les matières particulaires ont aussi été échantillonnées pour chaque test de combustion à l’aide de la Méthode 5 de l’United States Environmental Protection Agency (USEPA). Au final, aucune des biomasses n’a respecté les valeurs limites de particules décrites par la règlementation environnementale québécoise avec le système de combustion utilisé. Des contraintes technologiques et la vaste gamme de biomasses sélectionnées ont compliqué l’ajustement des conditions optimales d’opération pour chaque combustible. Néanmoins, plusieurs tendances ont été soulevées. Le bois, étant donné ses faibles teneurs en éléments inorganiques, a produit moins de polluants que les plantes à vocation énergétique. Dans leur cas, leurs émissions particulaires et gazeuses ont généralement été proportionnelles à leurs contenus en azote, en soufre, en chlore, en métaux alcalins et en cendres. C’est ce qui explique que le lessivage causé par la fonte des neiges et subi par une culture récoltée au printemps ait entraîné une diminution importante des rejets atmosphériques. De plus, la granulation, qui permet en densifiant et en homogénéisant le produit de mieux contrôler le procédé, a engendré une baisse des composés issus d’une combustion incomplète. L’analyse de l’impact des propriétés physico-chimiques des cultures sur les émissions lors de la combustion a mené à l’établissement d’un cadre potentiel de certification de la qualité de la biomasse agricole. Un modèle de prédiction de la composition des gaz, basé sur la notion d’équilibre thermodynamique et la minimisation de l’énergie libre de Gibbs, a également été développé pour estimer rapidement les rejets de combustion de toute biomasse et ainsi faciliter son classement à l’intérieur du cadre proposé.

La possibilité de produire un gaz combustible (syngaz) à partir des composés carbonés outre que le charbon et le pétrole permettrait aux pays pauvres en ressources énergétiques de se diriger vers une indépendance énergétique.La vapogazéification est un procédé qui permet de produire un gaz riche en hydrogène à partir des matériaux carbonés (par exemple le char de biomasse) et de la vapeur d’eau. Etant donné que la gazéification est un processus endothermique, la source d’énergie est le premier souci à résoudre. Si l’on ne veut pas contribuer au réchauffement de la planète, la source d’énergie et de carbone doivent rester renouvelables. Jusqu’à présent, les ingénieurs concevaient les gazéifieurs en pensant à une uniformité des propriétés à l’intérieur du réacteur, cela simplifie la modélisation et le contrôle des variables, cependant, avec les sources de chaleur innovantes et la possibilité de n’utiliser que de la vapeur d’eau pour la gazéification, on peut conclure qu’un gradient de températures améliore la production d’hydrogène. Les nouvelles technologies de gazéification nécessitent donc une compréhension des phénomènes de transfert afin d’être améliorées et optimisées. Trois types de réacteurs ont modélisés dans le cadre de cette thèse, il est mis en évidence qu’il existe un manque de critères solides à l’heure de choisir le dispositif réactionnel le plus adéquat selon les ressources disponibles. La théorie du gradient de température est conçue à partir des principaux résultats de cette thèse et s’intéresse à la création d’un outil simple à utiliser pour que l’ingénieur puisse prendre des décisions qui aident à améliorer la production de gaz combustible. / The possibility of producing syngas from carbon compounds other than coal or oil would allow countries lacking energy resources to move toward energy independence. The steam gasification is a process that could help to this predisposition, producing a hydrogen-rich gas from carbon-rich materials (e.g. biomass char) and steam. Since gasification is an endothermic process, the energy source is the first concern to be addressed in the gasifierdesign. If we want it to not contribute to global warming, the energy source and carbon must remain renewable.Until now, engineers designed gasifiers thinking about uniformity of properties within the reactor, it simplifies the variables modeling and control, however, with innovative heat sources and the possibility to use only steamfor gasification, it can be concluded that a temperature gradient enhances the hydrogen production, thus the syngas quality is improved. The new gasification technologies therefore require the understanding of transport phenomena to apply this advantage in order to improve the syngas production and quality. Three reactor typesare modeled as part of this work, it is shown that there is a lack of firm criteria to choose the reaction device according to the resources, consequently, the reactors performance could be diminished if the energy source is not properly used. The theory of the temperature gradient is built based on the main results and it is a simple toolto help the engineer to make decisions that will improve the fuel gas production.

La croissance démographique mondiale, associée à une augmentation générale du niveau de vie, se traduit par l'explosion des besoins en matières premières et énergie. Afin de relever ce défi, une attention accrue est accordée aux énergies et ressources naturelles renouvelables. Parmi elles, la biomasse est particulièrement prometteuse. Elle présente des avantages certains (abondance, répartition homogène) mais aussi plusieurs inconvénients (faible densité énergétique, humidité élevée,…). Pour surmonter ces difficultés, la torréfaction est la méthode la plus connue, mais elle induit une augmentation des taux de cendres et une perte de matière. La carbonisation hydrothermale (HTC) est une alternative possible. L'objet de cette thèse est l'étude de la HTC comme moyen de bonifier la biomasse lignocellulosique. Trois axes principaux ont été considérés: augmentation de la densité énergétique, récupération de molécules, et minéraux d'intérêt. L'étude porte d'abord sur la HTC de systèmes moléculaires représentatifs de ceux présents dans le bois. Le hêtre a été étudié comme biomasse modèle, permettant de déterminer des conditions expérimentales optimales, appliquées ensuite à diverses biomasses. Enfin d'autres méthodes d'activation ont été testées telles que les micro-ondes et les fluides supercritiques. Les hydrochars obtenus après HTC présentent une diminution concomitante des ratios atomiques H/C et O/C. La phase liquide contient différentes molécules d'intérêt (furfural,…). Enfin, les teneurs en cendres diminuent après HTC du fait d'une lixiviation partielle de certains éléments (alcalins et alcalino-terreux). En conclusion, la HTC semble être une alternative intéressante à la torréfaction ; elle permet la production d'hydrochars avec des teneurs élémentaires adaptées à une utilisation en gazéification et la récupération de molécules et minéraux. L'intérêt et la faisabilité technique ont été démontrés en particulier sur des biomasses humides (plantes agricoles) ou polluées (broyats de déchetterie). / Population growth, coupled with a general increase in standard of living, result in a booming demand for raw material and energy. To face this challenge, an increased attention is paid to the use of renewable energies and natural resources. Among them, biomass is especially promising. Its advantages (abundance, distribution all over the Earth) are balanced by several drawbacks (low energy density, high moisture content,…). To overcome these problems, torrefaction is the most traditional way, but it has some inconveniences (increased ash content, loss of material). Hydrothermal carbonisation (HTC) is a possible alternative. The purpose of this thesis is the study of HTC a means to beneficiate the lignocellulosic biomass. Three main aims were identified: increase of the energy density, recover molecules and minerals of interest. The study initially focused on HTC of molecular model systems present in wood. Beech wood was also studied, as a model biomass. This study allowed determining optimal experimental conditions for treatment of further biomasses. Finally, other activation methods have been tested, such as microwaves, and supercritical fluids. Hydrochars obtained after HTC feature a concomitant decrease of the atomic H/C and O/C ratios. Liquid phase contains different molecules of interest (furfural,…). Finally, ash content decreases after HTC owing to a partial leaching of some elements (alkali and alkaline earth metals). In conclusion, HTC seems to be an interesting alternative to torrefaction as it allows for the production of hydrochars suitable for gasification, and the recovery of molecules and minerals of interest. The interest and technical feasibility have been demonstrated in particular for biomasses with high moisture (agricultural crops) or with high pollutant contents (grounds of waste disposal).

L’extrusion biocatalytique, ou bioextrusion, est une technique d’extrusion réactive utilisant des enzymes comme catalyseurs. Cette technique est considérée en temps qu’étape intermédiaire, subséquente au prétraitement physico-chimique et précédente à l’hydrolyse enzymatique enréacteur fermé. L’utilisation de l’extrusion permet un procédé continu, facilement modulable et adaptable à des conditions de hautes consistances, de nombreuses biomasses et facilement transférable à l’échelle industrielle. Néanmoins, les données bibliographiques font ressortir la complexité des entrants et leurs interactions lors de la bioextrusion de biomasses lignocellulosiques. Les conclusions des bioextrusions de biomasses amidonnées soulignent l’importance de l’étude de l’influence de la concentration en substrat et en enzymes. Les résultats obtenus à partir de la bioextrusion des biomasses lignocellulosiques valident l’existence d’une activité enzymatique en extrudeuse malgré la contrainte thermomécanique et le temps de séjour limité. Lors de cette étape, l’hydrolyse de la fraction cellulosique est favorisée pour des milieux concentrés en substrat et en enzymes. Des modifications significatives des fractions cellulosiques cristallines et amorphes en surface, des réductions des tailles de particules, une dégradation visuelle des structures de la biomasse et l’augmentation de la sensibilité à la décomposition thermique, sont aussi observées sur la fraction solide. L’hydrolyse enzymatique des bioextrudats est prolongée en réacteur fermé. La bioextrusion permet des améliorations significatives des taux et vitesses de conversion des sucres sur le long terme, jusqu’à 48 h. Les gains observés sont relativement constants pour la paille de blé et augmentent avec le temps pour les écorces de bouleau et les résidus de maïs. Post-extrusion, la concentration en substrat influence négativement la conversion des sucres. Cependant, les plus-values de conversion du glucose lié à la bioextrusion de paille de blé sont principalement observables pour des concentrations en substrat et en enzymes élevées. À partir de 4 h, des baisses significatives de la conversion du xylose sont observées après bioextrusion. Les déstructurations de la fraction solide, déjà observées au cours la bioextrusion, se poursuivent en réacteur fermé. Les meilleurs résultats hydrolytiques aux niveaux des hautes charges en enzymes et en substrat sont associables aux bonnes conditions de mélanges caractéristiques des éléments bilobes. L’ensemble enzymatique est probablement réparti de façon plus homogène (mélange distributif) pour cibler plus de sites disponibles. De plus, le mélangé dispersif limite la proximité entre enzymes de même type et les gênes associées. Le procédé d’extrusion permet une agitation efficace, un bon transfert de masse et probablement un meilleur contact entre enzymes et substrat. Les moins bons résultats de conversion du xylose sont probablement à relier à des phénomènes d’adsorption non-spécifique, ou encore de désactivation des hémicellulases, provoqués par l’intensité des contraintes thermomécaniques et les résidus ligneux. Les bons résultats de déstructuration après bioextrusionsont associables à une action synergétique des contraintes mécanique et biochimique. Les analyses d’autofluorescence montrent l’évolution de la fraction ligneuse dans le processus de déconstruction de la fraction solide. Une production progressive de particules très fines,visiblement associée à la fraction ligneuse, est observée. Des complexes lignine-carbohydratessont aussi détectés dans la fraction liquide. Etant peu, voire pas hydrolysable par voie enzymatique, ces fractions hétéropolymériques sont un frein à la déconstruction. Si la déstructuration des lignines est probablement majoritairement liée au prétraitement alcalin, le procédé de bioextrusion provoque une diminution de la teneur en hétéropolymères de plus hautes masses moléculaires.

Zugl.: Karlsruhe, Universiẗat, Diss., 2007.

Les gaz de synthèse (Syngas) sont reconnus comme sources d'énergie viables, en particulier pour la production d'électricité. Lors de cette étude, trois compositions de syngas ont été retenues. Elles sont représentatives de gaz issus de la gazéification de la biomasse forestière. Leur potentiel dans des systèmes de production d'énergie utilisant un Moteur à Combustion Interne (MCI) a été étudié. Leur vitesse de flamme en régime laminaire a été déterminée à partir de visualisation par strioscopie. Les effets du taux d'étirement ont été quantifiés au travers de la détermination du nombre de Karlovitz et de Markstein. En raison des lacunes de la littérature sur les caractéristiques de combustion de ces syngaz, la méthode de combustion sphérique a été utilisée pour déterminer la vitesse de flamme sur un domaine de pression de 1 à 20 bars. Ces résultats ont ensuite été utilisés dans un code de simulation multi-zones prenant en compte les transferts de chaleur aux parois afin d'estimer la distance de coincement. Une analyse en régime turbulent a été menée en Machine à Compression Rapide (MCR), machine capable de reproduire un cycle compression-détente d'un moteur à combustion interne. En général, les applications stationnaires de production électrique utilisent le gaz naturel comme carburant, mélange majoritairement constitué de méthane. Pour servir de référence à la comparaison des capacités des trois syngaz retenus, un mélange méthane-air a été testé également. Afin d'identifier les différents paramètres liés au fonctionnement de la MRC, en particulier les transferts de chaleur aux parois, des essais sans combustion ont été réalisées. Enfin un code de simulation du cycle d'un moteur à piston utilisant ces syngaz comme combustible a été développé. Sa validation a été réalisée en utilisant les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant des mélanges hydrogène-air et méthane-air, et également à l'aide des données obtenues sur la MCR. Le modèle a finalement été utilisé pour déterminer les performances d'un moteur à piston fonctionnant avec ces sysngaz. Il a été observé que les compositions typiques de syngas, même avec des capacités calorifiques et la vitesse de flamme plus faibles, peuvent être utilisées pour les moteurs à allumage commandée et ceci à des vitesses de rotation élevées.

Les gaz de synthèse (Syngas) sont reconnus comme sources d'énergie viables, en particulier pour la production d'électricité. Lors de cette étude, trois compositions de syngas ont été retenues. Elles sont représentatives de gaz issus de la gazéification de la biomasse forestière. Leur potentiel dans des systèmes de production d'énergie utilisant un Moteur à Combustion Interne (MCI) a été étudié. Leur vitesse de flamme en régime laminaire a été déterminée à partir de visualisation par strioscopie. Les effets du taux d'étirement ont été quantifiés au travers de la détermination du nombre de Karlovitz et de Markstein. En raison des lacunes de la littérature sur les caractéristiques de combustion de ces syngaz, la méthode de combustion sphérique a été utilisée pour déterminer la vitesse de flamme sur un domaine de pression de 1 à 20 bars. Ces résultats ont ensuite été utilisés dans un code de simulation multi-zones prenant en compte les transferts de chaleur aux parois afin d'estimer la distance de coincement. Une analyse en régime turbulent a été menée en Machine à Compression Rapide (MCR), machine capable de reproduire un cycle compression-détente d'un moteur à combustion interne. En général, les applications stationnaires de production électrique utilisent le gaz naturel comme carburant, mélange majoritairement constitué de méthane. Pour servir de référence à la comparaison des capacités des trois syngaz retenus, un mélange méthane-air a été testé également. Afin d'identifier les différents paramètres liés au fonctionnement de la MRC, en particulier les transferts de chaleur aux parois, des essais sans combustion ont été réalisées. Enfin un code de simulation du cycle d'un moteur à piston utilisant ces syngaz comme combustible a été développé. Sa validation a été réalisée en utilisant les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant des mélanges hydrogène-air et méthane-air, et également à l'aide des données obtenues sur la MCR. Le modèle a finalement été utilisé pour déterminer les performances d'un moteur à piston fonctionnant avec ces sysngaz. Il a été observé que les compositions typiques de syngas, même avec des capacités calorifiques et la vitesse de flamme plus faibles, peuvent être utilisées pour les moteurs à allumage commandée et ceci à des vitesses de rotation élevées.

Le chenal algal à haut rendement (CAHR) est un procédé dépuration qui offre, en plus de lépuration des ces eaux usées, la production dune biomasse valorisable. Dans ce contexte, notre travail de thèse a porté essentiellement sur la gestion, la récupération et la valorisation de cette biomasse. Ainsi, dans un premier temps, nos travaux de recherche ont porté : dune part, sur le suivi par la technique de fluorescence variable de lactivité photosynthétique des microalgues au cours du processus épuratoire ; dautre part, sur lestimation de la biomasse par la technique de microscopie à épifluorescence et danalyse dimages. Les résultats obtenus ont prouvé lefficacité de ces deux techniques. Pour ce qui est de la récupération de la biomasse du chenal algal, on a dabord procédé, dans un premier temps, à déterminer les conditions dautofloculation des microalgues du CAHR ; par la suite on a effectué des essais de préconcentration de leffluent du chenal algal par filtration membranaire. Les résultats obtenus ont montré que cette technique est efficace quant à la récupération de la biomasse du CAHR. Les essais de décantation, centrifugation et flottation, réalisés sur le concentrat obtenu par filtration membranaire, ont montré, quant à eux, quil est préférable dutiliser la décantation comme technique pour récupérer la biomasse préconcentrée par filtration membranaire. Après la récupération de la biomasse du chenal algal, on a procédé à sa caractérisation en vue dévaluer son contenu en protéines, lipides, polysaccharides et pigments. Les résultats obtenus ont montré que la biomasse est très riche en pigments chlorophylliens et caroténoïdes ; par conséquent sa valorisation a été orientée vers la voie dextraction du Biogreen. Létude de faisabilité de la technique dextraction envisagée a été effectuée dans le cas du chenal algal en vraie grandeur de la station Essada de Marrakech. Le calcul économique a dégagé une marge bénéficiaire importante, ce qui pourrait, par la suite, contribuer à assurer léquilibre financier du chenal algal à haut rendement.

In kontinuierlichen Gärversuchen für unterschiedliche nachwachsende Rohstoffe in Mono- und Cofermentation wurden die Grenzen der Prozessstabilität ermittelt. Als Kennwert für die Optimierung und den direkten Vergleich der Gärversuche ist nur die Methangasproduktion in m3 Methan/(m3 Fermentervolumen* d) geeignet. In der Cofermentation der nachwachsenden Rohstoffe mit Rindergülle konnten Synergieeffekte nachgewiesen werden, die zu einem verbesserten anaeroben Abbau der Biomasse führten. Die Anwendung des zweistufigen Verfahrens auf die Vergärung von Gerstenkörnern führte zu keiner Verbesserung der Prozessstabilität und der Methangasproduktion. Die Vorausberechnung der Methangasausbeute mit Hilfe des Futterwertes führte nur zu einer qualitativen Vergleichbarkeit unterschiedlicher Substratklassen und gab nicht die tatsächliche Methangasausbeute im Vergärungsversuch wieder.