De nos jours, de nouvelles technologies sont développées pour produire efficacement des produits dérivés de matières premières autresque le pétrole, comme par exemple la biomasse. En effet, la biomasse et plus spécifiquement la biomasse non alimentaire possède un fort potentielcomme substitut aux ressources fossiles pour des raisons environnementales, économiques et politiques. Dans ce contexte, l’étude des bioraffineries offre de nouvelles opportunités pour le Process System Engineering et plus particulièrement pour des activités de recherche quivisent la conception de systèmes constitués d’entités interconnectés. En effet, le verrou principal se concentre sur la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie qui permet l’intégration de plusieurs échelles spatiales allant de l’échelle moléculaire à celle de l’unité de production. Ces différentes échelles sont essentielles pour décrire correctement le système puisqu’elles interagissent en permanence. La forte dilution des courants est le meilleur exemple pour illustrer ces interactions. En effet, la présence d’eau induit de nombreux problèmes thermodynamiques (azéotropes, etc.) à l’échelle moléculaire, ce qui impacte fortement la topologie du procédé notamment sur les étapes de séparation, de purification et detraitement des purges (pour limiter les pertes en produits). Ainsi, la performance de la séquence d’opérations unitaires de l’étape de purification dépend entièrement de la concentration en eau. De plus dans la conception de bioraffinerie, il est fréquent de coupler fermentation et séparation afin d’améliorer les performances de la fermentation et de limiter la présence d’eau dans l’étapede purification. Par ailleurs, la grande quantité d’eau à chauffer ou refroidir entraine la nécessité de réaliser l’intégration énergétique du réseaud’échangeurs du procédé afin de minimiser le coût les dépenses énergétiques. L’objectif de ce travail est alors de proposer une méthodologie générique et les outils associés afin de lever certains verrous de la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie. Basée sur une approche par superstructure, la finalité de la méthodologie est d’évaluer les performances des alternatives étudiées en termes technico-économiques, environnementaux et d’efficacité énergétique en vue de son optimisation multi-objectifs pour trouver la voie de traitement optimale pour le(s) bioproduit(s) d’intérêt. Le cas d’application retenu se focalise sur la production de biobutanol à partir du système Acétone-Butanol-Ethanolet d’une biomasse d’origine forestière. La première étape de la méthodologie proposée concerne la création de la superstructure de la bioraffineriebasée sur une décomposition de cette dernière en 5 étapes principales : le prétraitement, la fermentation, la séparation, la purification et letraitement des purges. Ensuite, la seconde étape consiste à modéliser chaque alternative de procédé. Cette modélisation utilise un modèlethermodynamique à coefficients d’activité afin de décrire le comportement fortement non-idéal des molécules du milieu. De plus, l’intégration du traitement des purges et de l’intégration énergétique durant cette étape permet d’améliorer le procédé. Enfin, la dernière étape s’intéresse à l’optimisation multiobjectif qui se focalise sur différents aspects : maximisation de la production, minimisation des coûts, du prix minimal de vente des bioproduits, des pertes en produits et de l’impact environnemental. Cette dernière étape inclut également des études de sensibilité sur les différents paramètres de la méthodologie : opératoires, économiques, environnementaux... A l’issu de l’optimisation, un compromis seratrouvé afin d’obtenir une bioraffinerie durable.

De nos jours, de nouvelles technologies sont développées pour produire efficacement des produits dérivés de matières premières autresque le pétrole, comme par exemple la biomasse. En effet, la biomasse et plus spécifiquement la biomasse non alimentaire possède un fort potentielcomme substitut aux ressources fossiles pour des raisons environnementales, économiques et politiques. Dans ce contexte, l’étude des bioraffineries offre de nouvelles opportunités pour le Process System Engineering et plus particulièrement pour des activités de recherche quivisent la conception de systèmes constitués d’entités interconnectés. En effet, le verrou principal se concentre sur la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie qui permet l’intégration de plusieurs échelles spatiales allant de l’échelle moléculaire à celle de l’unité de production. Ces différentes échelles sont essentielles pour décrire correctement le système puisqu’elles interagissent en permanence. La forte dilution des courants est le meilleur exemple pour illustrer ces interactions. En effet, la présence d’eau induit de nombreux problèmes thermodynamiques (azéotropes, etc.) à l’échelle moléculaire, ce qui impacte fortement la topologie du procédé notamment sur les étapes de séparation, de purification et detraitement des purges (pour limiter les pertes en produits). Ainsi, la performance de la séquence d’opérations unitaires de l’étape de purification dépend entièrement de la concentration en eau. De plus dans la conception de bioraffinerie, il est fréquent de coupler fermentation et séparation afin d’améliorer les performances de la fermentation et de limiter la présence d’eau dans l’étapede purification. Par ailleurs, la grande quantité d’eau à chauffer ou refroidir entraine la nécessité de réaliser l’intégration énergétique du réseaud’échangeurs du procédé afin de minimiser le coût les dépenses énergétiques. L’objectif de ce travail est alors de proposer une méthodologie générique et les outils associés afin de lever certains verrous de la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie. Basée sur une approche par superstructure, la finalité de la méthodologie est d’évaluer les performances des alternatives étudiées en termes technico-économiques, environnementaux et d’efficacité énergétique en vue de son optimisation multi-objectifs pour trouver la voie de traitement optimale pour le(s) bioproduit(s) d’intérêt. Le cas d’application retenu se focalise sur la production de biobutanol à partir du système Acétone-Butanol-Ethanolet d’une biomasse d’origine forestière. La première étape de la méthodologie proposée concerne la création de la superstructure de la bioraffineriebasée sur une décomposition de cette dernière en 5 étapes principales : le prétraitement, la fermentation, la séparation, la purification et letraitement des purges. Ensuite, la seconde étape consiste à modéliser chaque alternative de procédé. Cette modélisation utilise un modèlethermodynamique à coefficients d’activité afin de décrire le comportement fortement non-idéal des molécules du milieu. De plus, l’intégration du traitement des purges et de l’intégration énergétique durant cette étape permet d’améliorer le procédé. Enfin, la dernière étape s’intéresse à l’optimisation multiobjectif qui se focalise sur différents aspects : maximisation de la production, minimisation des coûts, du prix minimal de vente des bioproduits, des pertes en produits et de l’impact environnemental. Cette dernière étape inclut également des études de sensibilité sur les différents paramètres de la méthodologie : opératoires, économiques, environnementaux... A l’issu de l’optimisation, un compromis seratrouvé afin d’obtenir une bioraffinerie durable. / Nowadays, to replace chemical products derived from petrol, new technologies are developed to produce products derived from others feedstock than crude oil like biomass. Indeed, biomass and especially nonfood biomass has a high potential as substitute due to its environmental, economic and political interests. Inthis context, the study of biorefineries offers new opportunities in the Process System Engineering and especially in research activities which aim to design systems with interlinked compounds. Indeed, the main hurdle focuses on the modeling and the multiscale optimization of thebiorefinery that allows integratingseveral spatial scales from the molecular scale to the plant scale. These scales are essential to describe accurately the system because they interact. The large dilution of flows is the best example to show these interactions. Indeed, water induces many thermodynamic problems (azeotropes, etc.) at the moleculescale, that impact on the process design and mainly on the separation, the purification and the treatment of purges (to limit losses of products). In consequence, the sequence of unit operations of the purification step depends of the water concentration. Furthermore, in the design of the biorefinery, the fermentation and theseparation are usually combined in order to improve performances of the fermentation and limit the water concentration in the purification step. Moreover, the large amount of water that needs to be heated or cooled induces the need of the energy integration of the heat exchangers network to minimize energy consumption. The aim of this work is to propose a generic methodology with connected tools in order to overcome some hurdles caused by the modeling and the multiscaleoptimization of the biorefinery. Based on the superstructure approach, the purpose of the methodology is to estimate performances of considered alternatives in the technical, economic, environmental and energy efficient aspects in preparation for the multiobjective optimization which finds the optimal process for the productionof the interesting bioproduct. This work focuses especially on the production of biobutanol through the Acetone-Butanol-Ethanol system from forest biomass. The methodology begins with the creation of the superstructure of the biorefinery composed by 5 major steps: the pretreatment, the fermentation, the separation, the purification and the treatment of purges. Next, the methodology consists in modeling each alternative of process. It integrates a thermodynamic model with activity coefficients in order to describe accurately the greatly nonideal behavior of molecules. Moreover, the treatment of purges and the energy integration are integratedat this step in order to improve the process. Finally, the last step interests to the multiobjective optimization which focuses on different aspects: the maximization of production and the minimization of the costs, the minimal selling price of bioproducts, the losses of bioproducts and the environmental impact. This step includes also sensitivity analysis on different parameters of the methodology: operating, economic, environmental… After the optimization, a compromise is made in order to obtain sustainable biorefinery.

La canne à sucre est cultivée pour la production de sucre et d’électricité exportée sur le réseau. Actuellement, les taux de fibre de la canne dans les chargements livrés à l’usine augmente. L’objectif est de définir les conséquences de la réception de chargements contenant plus de fibres (lié aux variétés et au non canne) sur l’analyse de la canne et la performance du complexe sucrerie centrale thermique (production de sucre, de mélasse et d’électricité).La comparaison des méthodes d’analyses de la canne a permis de sélectionner la méthode Berding et Pollock comme méthode de référence pour l’analyse du sucre, de la matière sèche soluble et de la fibre.Une méthodologie d’analyse de la canne au laboratoire utilisant un broyeur et une presse est proposée Des relations sont établies pour calculer, en fonction des analyses effectuées sur le jus de presse et la bagasse, le débit horaire de canne, l’énergie nécessaire au broyage de la canne, le taux d’extraction du sucre dans le jus et le pouvoir calorifique de la bagasse. Ces mesures sont ensuite utilisées dans des bilans massique et énergétique de la sucrerie et de la centrale thermique. Ce bilan aboutit à la production de sucre cristallisable, de mélasse et d’électricité sur le réseau.Les résultats indiquent que par rapport à la R579, la variété fibreuse R585 produit 8% de sucre en moins et 51% d’électricité en plus alors que la R570 produit 3,9% de sucre en plus et 27% d’électricité supplémentaire. Par rapport à de la canne propre, une coupe de la canne entière entraine une diminution de la production de sucre de 16% et une augmentation de la production d’électricité de 21%. La coupe de canne avec feuilles entraine une baisse de 4% de la production de sucre et une augmentation de 12% de la production d’électricité. / Sugarcane is cultivated to produce sugar en electricity to the grind. Recently, the fibre content of cane delivered to the mill increase. Objective of this works is to determine the influence of cane delivered to the mill with more fibre (due to variety and trash) on cane analysis, sugar mills and energy plant complex performance (sugar, molasses and electricity production).Cane analysis method comparison show that Berding and Pollock method was the most appropriate for sugar, soluble dry matter and fibre in cane measurement.A laboratory cane analysis methodology using a grinder and a press is proposed. Relations are established to calculate according to juice and bagasse analysis, the cane capacity, energy for shredding cane, sugar extraction in juice and bagasse calorific value. Those analysis are used in mass and energy balance through the sugar and cogeneration plant. That balance conduct to crystallisable sugar, molasses and electricity exported.Results shows that compared to R579, the fibre variety R585 produce -8% of sugar and +51% of electricity, the R570 variety produce +3.9% of sugar and +27% of electricity. Compared to clean cane, whole crops harvesting decreased sugar (-16%) and electrical (-21%) production. Cane harvest with leaves conduct to a decrease of sugar (-4%) and increase of electrical (+12%) production.

Parce que les ressources fossiles sont épuisables par définition, le carbone nécessaire à la production d'énergie et de matériaux pourrait provenir en grande partie de la biomasse lignocellulosique. Les procédés de fermentation sont capables de fournir une grande variété de produits d'intérêts capables de remplacer les synthons d'origine pétrolière. Cependant, en raison (i) de son caractère insoluble, (ii) de sa structure plus ou moins cristalline et (iii) de la nature des liaisons entre les maillons du polymère, la cellulose est un substrat carboné difficile à valoriser par voie biochimique/fermentaire seule. La pyrolyse rapide ou la liquéfaction de la cellulose sont principalement étudiées pour produire une bio-huile, qui serait valorisée par hydrotraitement catalytique en carburant ou en building blocks. Dans l'état de l'art actuel, les travaux à l'interface de ces deux domaines portant sur une conversion biochimique ou microbiologique de ces bio-huiles sont encore rares. L’objectif de cette thèse est de coupler un procédé de conversion thermochimique de la cellulose, pour la dépolymériser, à un procédé de transformation microbienne pour produire des solvants, des acides et des gaz (butanol, éthanol, acétone, acide acétique, acide butyrique, acide lactique, hydrogène) qui suscitent un fort intérêt dans l’industrie des carburants ou de la chimie verte. Pour ce faire, le bois de hêtre a été fractionné par les méthodes organosolv et chlorite/acide (SC/AA) afin de récupérer une pâte riche en cellulose. Des procédés de liquéfaction hydrothermale et de pyrolyse rapide ont été utilisés pour obtenir des sucres qui ont été finalement transformés par fermentation en synthons. De nombreuses méthodes analytiques ont été développées pour la caractérisation des produits issus de chaque étape du procédé. Enfin, un modèle du procédé utilisant le logiciel commercial Aspen Plus® a été développé pour établir les bilans de matière et énergie du procédé intégré : du fractionnement du bois, puis la liquéfaction de la fraction cellulosique et à la fermentation des bio-huiles / Because fossil resources are exhaustible by definition, the carbon needed for energy and materials production could be obtained from lignocellulosic biomass. Fermentation processes are able to provide a wide variety of interesting products that can replace the crude oil based "building blocks". However, the abundance of lignocellulosic biomass in the environment contrasts with its very low bioavailability. Indeed, because of (i) its insoluble nature, (ii) its more or less crystalline structure and (iii) the nature of the bonds between the polymer fibers, cellulose is a carbon substrate difficult to valorize by biochemical/fermentation processes alone. Fast pyrolysis or liquefaction of cellulose are mainly studied to produce a bio-oil, which would be upgraded by catalytic hydrotreatment into fuels or building blocks. In the current state of the art, studies at the interface of these two fields involving a biochemical or microbiological conversion of these bio-oils are still rare. The aim of this thesis is the coupling of a thermochemical conversion process of cellulose, to depolymerize it, to a microbial transformation process to produce solvents, acids and gases (butanol, ethanol, acetone, acetic acid, butyric acid, lactic acid, hydrogen) that are of great interest for the fuel or green chemistry industry. To do this, beech wood was fractionated by organosolv and chlorite / acid (SC / AA) methods in order to recover a cellulose-rich pulp. Hydrothermal liquefaction and fast pyrolysis processes were used to obtain sugars that were transformed into building blocks by fermentation. Many analytical methods have been developed for the characterization of products from each step of the process. Finally, a model of the process using the commercial software Aspen Plus® was developed to establish mass and energy balances of the integrated process including: the fractionation of the wood, then the liquefaction of the cellulosic fraction and the fermentation of bio-oils

Dans le contexte de pénurie des ressources, croissance démographique, dégradation de l’environnement, la production d’aliments riches en protéines (en particulier) pour l’homme et les animaux devrait augmenter pour répondre à la demande. De nouvelles ressources sont actuellement explorées : légumineuses, algues, insectes... Ces derniers représentent une source de protéines plus durable comparée aux sources conventionnelles. Bien qu’ils soient consommés par de nombreuses populations en Asie, en Afrique et en Amérique du Sud, ce n’est pas le cas en Europe. Ainsi, pour faciliter leur utilisation dans l’alimentation européenne, les insectes peuvent être transformés en ingrédients afin de les incorporer dans des formulations d’aliments. Cependant, il existe très peu de données sur les méthodes de transformation à l’échelle pilote ou industrielle et sur l’impact du procédé sur la qualité des produits finis. Ce travail avait pour objectifs de mettre au point à l’échelle pilote un procédé de production de farine d’insecte pour l’alimentation, de caractériser cette farine et les autres produits obtenus, de caractériser les propriétés de la fraction protéique soluble et d’étudier l’impact du procédé sur les propriétés de celle-ci. Le Tenebrio molitor, candidat à l’élevage industriel, a été sélectionné pour cette étude. Un procédé thermomécanique de production de farine a été mis au point à l’échelle pilote. Il a permis la production d’une farine d’insecte riche en protéines de 72% (bs) avec 14% (bs) de lipides et 4% (bh) d’eau. Le profil en acides aminés des protéines de cette farine répond aux besoins de la nutrition animale et de l’alimentation humaine avec une bonne efficacité protéique (estimée à 2,5). Le rendement de la production de 20% (bh) (64% bs) est semblable à celui de la production de farine de poisson (20% bh). Parallèlement, l’huile d’insecte, principale coproduit a également été produite. Elle est riche en acides palmitiques, et en acides gras essentiels ω9 et ω6. Elle peut être utilisée en alimentation ou dans d’autres domaines. Bien que le procédé ait un impact sur les propriétés physicochimiques des protéines solubles après la transformation des larves en farine, les fractions protéiques solubles de la farine et des larves ont les mêmes propriétés moussantes et émulsifiantes semblables à celles du lait et de ASB à 4 et 2% respectivement. Les protéines de la farine ou des larves peuvent être également utilisées pour leurs propriétés fonctionnelles. Ce travail contribue à la compréhension des protéines d’insectes et à l’extrapolation industrielle dans une perspective de conception de la bioraffinerie. / In the context of resource scarcity, population growth, environmental degradation, and food supplies dependency, the production of protein-rich feed and food should increase in order to meet the demand. New resources are currently being explored as vegetal, algae, insects... This last one is environmentally friendly and represents a more sustainable protein source as compared to conventional livestock farming. Although insects are consumed by a lot of people in Asia, Africa and South-America, this is not the case in Europe. In order to meet European consumers' preferences, they need to be processed or transformed into ingredients to become a part of formulation products (i.e. powders). However, very little knowledge regarding processing methods at a pilot or industrial scale, and the composition and impact of process on the properties of insect-based ingredient exists and is available. The aim of this work was to design a process for the production of meal rich in proteins from insect at a pilot scale, to characterize it for feed and food applications, to characterize the properties of its soluble proteins, and to study the impact of the process on these properties. The Tenebrio molitor, candidate for rearing at an industrial scale, was chosen in the frame of this study. A thermo-mechanical process was designed at a pilot scale. It allowed the production of a protein-rich insect meal of 72% (bs) with 14% (bs) of lipids and 4% (bh) of water. The amino acid profile of this meal proteins meets the needs of animal nutrition and human nutrition with good protein efficiency (estimated at 2.5). The production yield of 20% (bh) (64% bs) is similar to that of fishmeal production (20% bh). In parallel, insect oil (co-product) were also produced. It is rich in acid palmitic, and essential fatty acids ω9 and ω6. It can be used in feed, food, cosmetic or bioenergy. Although the process has an impact on the physicochemical properties of soluble proteins after the transformation of larvae into flour, the soluble protein fractions of flour and of larvae have the same foaming and emulsifying properties similar to those of milk and BSA at 4 and 2% respectively. The meal proteins could be used in feed and food for their functional properties. This work contributes to insect protein understanding and the industrial extrapolation in a perspective of biorefinery designing.

Détermination du potentiel prébiotiques des hémicelluloses de bois résineux / Determining the prebiotic potential of softwood hemicellulose

The world population is growing exponentially. At the same time, the availability of natural resources decreases dramatically – an alarming trend which demands for a sustainable use of our resources in a circular economic framework and hence, for the valorization of wastes and by-products. Owing to its high annual abundance, lignocellulosic biomass has a promising potential as renewable resource for the development of high-value products, covering fuels, platform chemicals, and specialty polymers. Besides, lignocelluloses offer an attractive basis for material applications, considering their peculiarity as natural composites and their inherent modifiability. Therefore, targeted chemical modifications have been widely used to exploit this potential and to further increase their spectrum of characteristics and application prospects. The objective of this study was to fabricate lignocellulose-based hydrogels, with the prospect to be used as soil conditioners in agriculture. Considering this application, this study was striving for the development of a simple synthetic pathway that ideally guarantees non-toxic and biodegradable products. Besides, two key factors were involved in the development of the synthetic route and constitute the center of this study: the accessibility of lignocelluloses towards chemical modifications – in view of their inherent recalcitrance – and the envisaged properties of the hydrogel, including high swelling rates and structural stability. To comply with both key factors, three basic processing steps were carried out: (1) feedstock activation by chemical or mechanical pretreatments, (2) introduction of ionic groups to induce swelling properties and (3) gel network formation via chemical crosslinking. Furthermore, to elucidate the behavior of different biomass types, wheat straw and beech sawdust were exemplarily surveyed. In the first step, different chemical (ozonolysis, alkaline and sulfite pulping) or mechanical (short-time ball milling) pretreatment approaches were used to activate the feedstocks by inducing compositional and/or structural alterations. In the second processing step, two modification reactions – carboxymethylation and phosphorylation (with phosphoric acid/molten urea) – were examined with emphasis on their ability to access lignocellulosic matrices and to realize high contents of ionic groups. In the final step, covalently crosslinked gel networks were formed using either citric acid or electron beam irradiation. Both crosslinking approaches were evaluated in detail with respect to yield and properties of the resulting hydrogels. In view of the two key factors proposed for this study – the accessibility of lignocelluloses and the final hydrogel properties – and amongst the approaches examined, the following synthetic pathway delivered the most promising results: ball milling ⟶ carboxymethylation ⟶ citric acid crosslinking. In this process, the promoting effect of ball milling can be attributed to particle size reduction, a breakdown of plant cell structures, and a decline of the cellulose crystallinity. The effectivity of carboxymethylation was particularly based on its alcoholic-alkaline media. Therefore, the uptake of alkali induced a partial disintegration of the lignocellulosic matrix, facilitating both the introduction of ionic groups and high swelling rates of the final gels. Overall, this path delivered promising results for straw-based gels, whereas beech sawdust was hardly accessible.

La réduction de la consommation des carburants fossiles est l’un des enjeux majeurs du XXIème siècle. Le bioéthanol représente une alternative durable à l’essence, mais sa production est limitée puisqu’il est produit à partir de ressources alimentaires. L’éthanol de seconde génération offre une alternative pour relancer son développement. Encore au stade expérimental, il serait produit à partir de biomasse lignocellulosique (bois, paille, plantes annuelles..) et donc ne concurrencerait pas l’alimentation humaine. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de production d’éthanol de 2nde génération dans une usine de pâte kraft. Dans ces usines, les hémicelluloses, qui représentent 20 à 30% du bois, ne sont pas valorisées. Cette étude porte sur l’extraction de ces hémicelluloses en amont du procédé et de leur fermentation en éthanol. Elle consiste à la mise au point et l’optimisation d’un procédé global allant du copeau de bois à l’éthanol. / Decreasing the consumption of crude oil derivatives has become one of the main world issues of the 21st century. The only green substitute for gasoline potentially available in large quantities today is bioethanol, but its production has to be limited as it is produced from crops. It is therefore important to develop the production of second generation ethanol, which consists in using lignocellulosic biomass as raw material to avoid to compete with food resources. Second generation ethanol is still at experimental scale nowadays. This thesis deals with the specific case of the production of ethanol from hemicelluloses in a kraft pulp mill. In pulp mills, hemicelluloses, which make up 20 to 30% of the wood, are not value added. It is proposed to extract them from wood prior to the kraft treatment and to ferment them into ethanol. The study talks more specifically of the optimisation of the global process from the woodchip to the ethanol.

The depletion of fossil fuels and the need to deal with climate change lead to an increasing interest in renewable resources. Lignocellulosic biomass in general, and agricultural residues in particular, could serve as an excellent starting material for the production of cellulose, basic chemicals, lignin and bioethanol in a biorefinery framework as they are abundant, do not compete with food production and are distributed worldwide. Two factors considerably influence the composition and properties of biorefinery products: biomass feedstock and pretreatment process. Their influence on the separability of raw material into a carbohydrate and lignin fraction as well as the composition and properties of these products are objectives of this study. Hereby, the focus is on lignin, as its structure is particularly dependent on the aforementioned factors complicating its further utilisation. Different agricultural biomass namely barley straw, coconut shell powder, hemp shives, horse manure, maize straw, miscanthus, oat husk, pretreated alfalfa, rape straw, sunflower stalks, tomato stalks and wheat straw were investigated regarding their suitability for lignocellulose separation using alkaline soda pulping. Best separation into a carbohydrate and lignin fraction was achieved for pretreated alfalfa, miscanthus, wheat and barley straw. The purity of the obtained lignin fractions varied in the wide range of 57% klason-lignin content for sunflower stalks and 81% for pretreated alfalfa prior to further purification by dialysis. Lignin fractions were characterised by means of FTIR spectroscopy, elementary analysis, thioacidolysis, size-exclusion-chromatography, thermodesorption, differential scanning calorimetry and different wet chemical methods for determination of functional groups. Lignins could be classified into groups, within which they show similar characteristics: (A) horse manure, rape straw, (B) sunflower stalks, tomato stalks, (C) barley-, maize- and wheat straw and (D) hemp shives, miscanthus. In addition, promising lignin candidates were found for several applications. Thus, by screening different agricultural residues, it is possible to choose a specific raw material, in order to produce lignin with desired properties and functionalities. The effect of the pretreatment process was studied based on wheat straw. It was subjected to conventional alkaline pulping, microwave-assisted alkaline pulping and organosolv pulping using formic acid and hydrogen peroxide. Pulping parameters were varied in order to attain best possible separation into a carbohydrate and lignin fraction. Of the varied parameters the concentration of both sodium hydroxide and formic acid has the highest impact on yield and purity of the products for alkaline and organosolv pulping, respectively. It additionally influences the content of functional groups of the lignin fraction and is hence, an important parameter for lignin customisation for subsequent utilisation. Furthermore, the possibility of reducing pulping time by using microwave-assisted pulping instead of conventional alkaline pulping is promising, as the obtained carbohydrate fraction has a low intrinsic viscosity, which may enhance enzymatic hydrolysis.

Le hêtre est une essence très répandue sur le territoire français et plus particulièrement dans la région Grand-Est. Toutefois, son bois est peu exploité, notamment pour des utilisations en conditions extérieures en raison de sa faible durabilité et son instabilité dimensionnelle. Pour favoriser et développer son utilisation, il est nécessaire de le traiter afin de limiter sa reprise en humidité et de le protéger contre les champignons de pourriture. Par ailleurs, la réglementation actuelle sur les produits de traitement du bois impose la mise au point de solutions alternatives respectueuses de l’environnement et de la santé. Dans ce cadre, les travaux développés durant cette thèse visent la valorisation du hêtre en tant que matériau via sa protection par un traitement « non-biocide », la furfurylation. Cette méthode consiste à polymériser in situ de l’alcool furfurylique dans le bois de hêtre. La mise au point du procédé a permis d’aboutir à du hêtre composite dont la durabilité et la stabilité dimensionnelle sont nettement améliorées. D’autre part, le hêtre est une essence feuillue pour laquelle la fraction hémicellulosique est riche en pentoses et plus précisément en xylose, précurseur de furfural. Des travaux ont donc été menés pour produire du furfural par hydrodistillation acide à partir de connexes issus de l’industrie de la première transformation du hêtre. Le furfural a ensuite été réduit en alcool furfurylique par transfert d’hydrogène. Les résultats prometteurs obtenus montrent qu’il est possible de mettre en place une filière locale alliant le hêtre comme source de molécules furaniques et le bois de hêtre comme matériau / Beech is a wood species present in the French territory, particularly in the Grand-Est region. However, beech is a under used wood, especially for outdoor uses, because it is non durability and it is dimensional unstability. To promote and develop its use, it is necessary to limit its recovery in moisture and treat to protect it against fungi decay. Futhermore, current regulation on wood treatment products imposes the development of alternative wood treatments more respectful of the environment and health. In this context, the work developed during this thesis is focused on valorisation of beech as a material through its protection by a “non-biocide” treatment, furfurylation. This method consists in an polymerisation in situ by heating a furfuryl alcohol solution into beech solid wood. The development of process led to a bio-based beech composite with significantly improved durability and dimensional stability.On the other hand, beech is a hardwood species in which the hemicellulosic fraction is rich in pentoses, and more precisely in xylose, precursor of furfural. Work has been done to produce furfural by acidic steam distillation, from beech primary wood processing by products. This molecule is then chemically reduced to furfuryl alcohol by hydrogen transfer.These promising results to show that it is possible to set up a local production combining beech as a local source of furanic molecules and beech wood as a solid material