Afin de garantir et d'optimiser la qualité du café torréfié, il est important de contrôler un grand nombre de facteurs au cours du procédé. Aujourd'hui, des capteurs robustes et des algorithmes permettent d'analyser en temps réel des valeurs essentielles telles que la couleur, la surface, la température, la masse... Dans cette étude de torréfaction, une stratégie de contrôle est appliquée pour estimer la qualité du produit en considérant des capteurs-algorithmes. Pour la mise en place de cette stratégie, une outil expérimental, basé sur l'analyse d'images, l'acquisition de températures et de masse du produit en temps réel est développé. Les grains de café sont torréfiés par un courant d'air chaud. Une base de données expérimentales des grandeurs (température, masse, couleur et surface des grains de café) est réalisée permettant une meilleure compréhension des phénomènes pendant la torréfaction. Un modèle dynamique est obtenu pour prédire l'évolution de la température interne et la teneur en eau des grains de café au cours de la torréfaction en tenant compte de la mesure de la température de l'air d'entrée. Les cinétiques de niveau de gris et de surface des grains sont modélisées par des réseaux de neurones en utilisant comme entrée le temps et la température du grain. Des réseaux de neurones réccurents sont appliqués pour déterminer les cinétiques du niveau de gris au temps suivant (t+1), en considérant le niveau de gris des valeurs précédentes. Les modèles permettent de simuler la température, le niveau de gris et la surface des grains en temps réel. Le niveau de gris estimé par le modèle est le facteur clé pour arrêter le procédé, car le degré de torréfaction est atteint lorsque le niveau de gris est égal à la qualité optimale.

Considérée comme une forme douce de la pyrolyse, la torréfaction apparaît comme une alternative au traitement thermique de la biomasse où elle est chauffée à des températures de 200-300°C en absence partielle ou totale d'oxygène pour produire un combustible solide plus hydrophobe, homogène et de meilleure qualité par rapport à la matière première. Plusieurs technologies de torréfaction ont déjà été développées et mises en œuvre dans l'industrie. Le présent travail a pour objectif principal d'approfondir les connaissances dans le processus de thermo-dégradation de la biomasse pendant la torréfaction. Pour cela, un appareil expérimental innovant a été développé visant à améliorer le traitement thermique du bois en couplant un champ acoustique au facteur température. L'hypothèse est qu'un champ acoustique dans un réacteur modifie le champ de pression et par conséquent la vitesse des particules autour de l'échantillon en modifiant l'interaction entre l'environnement gazeux et les volatiles à la surface du bois, accélérant son processus de dégradation. Avec cet objectif, un système acoustique a été mis en place dans un réacteur. Une caractérisation et une cartographie du comportement acoustique envisageant la mesure du débit acoustique et de son intensité ont été réalisées. Les expériences physiques et chimiques de la torréfaction ont été effectuées pour deux températures de traitement avec et sans influence de l'acoustique, fournissant le rendement massique, les courbes de température et les propriétés chimiques du matériau torrifié. Concomitamment, un modèle numérique de la cinétique et de la composition élémentaire a été établi pour la prédiction du rendement en masse et de la composition en termes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène au cours de la dégradation. Les résultats expérimentaux de la torréfaction, ainsi que l'analyse chimique et la pyrolyse du produit final ont fourni des preuves telles que: réduction du temps de séjour, augmentation de la température interne de l'échantillon et pouvoir calorifique supérieur pour les échantillons traités sous l'influence de l'acoustique. Une dernière comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques a permis d'évaluer la précision du modèle pour le traitement de torréfaction et l'influence de l'acoustique sur la cinétique de dégradation / Considered a mild form of pyrolysis, torrefaction appears as an alternative thermal treatment where the biomass is heated at temperatures between 200-300°C in partial or total absence of oxygen to produce a more hydrophobic, homogeneous and higher calorific solid fuel when compared to the raw material. Several torrefaction technologies have already been developed and implemented in the industry. The present work has as main objective to deepen the knowledge in the biomass thermo-degradation process during torrefaction. For this, an innovative experimental apparatus was developed aiming to improve the wood heat treatment by coupling an acoustic field to the temperature parameter. The assumption is that an acoustic field within a reactor modifies the pressure field and consequently the velocity of the particles around the sample by altering the interaction between the gaseous environment and the released volatile around the wood surface, accelerating its degradation process. With this objective, an acoustic system was implemented in a reactor. A characterization and mapping of the acoustic behavior contemplating the measurement of acoustic flux rate and its intensity was performed. The physical and chemical torrefaction experiments were performed for two treatment temperatures with and without influence of the acoustic, providing the mass yield evolution, the temperature curves and the chemical properties of the torrefied material. Concomitantly, a numerical model of kinetics and elemental composition was established for the mass yield and the composition prediction in terms of carbon hydrogen and oxygen during the degradation. The torrefaction experimental results, as well as the chemical analysis and pyrolysis of the final product, provided evidence such as: reduction of residence time, increase of the samples internal temperature during treatment and a greater calorific power for the samples treated under acoustic influence. A final comparison between experimental and simulation results allowed the evaluation of the torrefaction numerical model and the influence of the acoustics on the degradation kinetics / Considerada uma forma suave de pirólise, a torrefação aparece como alternativa de tratamento térmico da biomassa, onde essa é aquecida a temperaturas de 200 - 300 ° C em ausência parcial ou total de oxigênio visando produzir um combustível sólido mais hidrofóbico, homogêneo e com maior teor de carbono quando comparado à matéria-prima. Várias tecnologias de torrefação já foram desenvolvidas e implementadas na indústria. O presente trabalho tem como objetivo principal aprofundar o conhecimento no processo de termo-degradação da biomassa durante a torrefação. Para isso um inovador aparato experimental foi desenvolvido visando aprimorar o tratamento térmico da madeira acoplando um campo acústico ao fator temperatura. O pressuposto é que um campo acústico dentro de um reator modifica o campo de pressão e, consequentemente, a velocidade das partículas ao redor da amostra alterando a interação entre o ambiente gasoso e os voláteis na superfície da madeira, acelerando o seu processo de degradação. Com este objetivo, um sistema acústico foi implementado em um reator. Uma caracterização e mapeamento do comportamento acústico contemplando a aferição da taxa de fluxo acústica e da sua intensidade foi executada. Os experimentos físicos e químicos da torrefação foram realizados para duas temperaturas de tratamento com e sem influência da acústica, fornecendo o rendimento mássico, as curvas de temperaturas e as propriedades químicas do material torrificado. Concomitantemente, foi estabelecido um modelo numérico da cinética e da composição elementar para a predição do rendimento mássico e da composição em termos de carbono hidrogênio e oxigênio durante a degradação. Os resultados experimentais da torrefação, bem como a análise química e pirólise do produto final, forneceram evidências como: redução do tempo de residência, aumento da temperatura interna da amostra e um maior poder calorífico para as amostras tratadas sobre influência da acústica. Uma comparação final entre resultados experimentais e numéricos permitiram a avaliação da precisão do modelo para o tratamento de torrefação e a influência da acústica na cinética de degradação

Ce travail de thèse porte sur les conditions économiques nécessaires à l’émergence d’une filière bioénergie par l’intermédiaire de la biomasse torréfiée. Cette recherche a été menée suivant deux approches complémentaires, l’une normative, portant sur l’étude du comportement des acteurs de cette filière, et l’autre positive, portant sur les conditions d’existence du marché de la biomasse torréfiée. Nous étudions les valeurs que l’offreur et le demandeur associent à la décision économique d’investissement dans de nouvelles technologies énergétiques et d’achat de la biomasse. Nous avons mesuré la demande des secteurs énergétiques afin de la confronter à l’offre et en déduire un prix d’échange en fonction de la flexibilité des industriels dans leur procédé de production et des contraintes environnementales auxquelles ils sont soumis. La thèse est composée de trois articles (chapitres 2, 3 et 4 en anglais) et de deux études confidentielles (chapitres 1 et 5 en français). Le chapitre 1 présente une enquête de terrain qualitative menée au niveau national, identifiant les demandeurs potentiels et déterminant les facteurs technico-économiques qui peuvent l’influencer. Le chapitre 2 étudie la décision d’investissement et de production d’un agent averse à l’ambiguïté faisant face à des incertitudes de marché telles que le nombre d’acteurs et l’effet de la concurrence des autres énergies fossiles sur le prix de vente de sa biomasse. Nous observons des effets asymétriques des deux incertitudes sur les montants optimaux de production et nous montrons théoriquement puis numériquement que l’aversion à l’ambiguïté tend à diminuer les niveaux optimaux d’investissement et de production. Le chapitre 3 présente le modèle que nous avons développé pour estimer la pénétration de la biomasse prétraitée dans le marché de la production d’électricité en fonction des politiques climatique et énergétiques modélisées. Nous en déduisons la fonction de demande en biomasse torréfiée. Dans le chapitre 4, nous développons un modèle en équilibre partiel d’offre provenant du secteur torréfaction et de demande en biomasse issue des secteurs électrique et raffinage pour estimer un prix d’équilibre d’échange de la biomasse torréfiée en fonction du prix du CO2 `a long terme. Enfin, cette approche positive est complétée par une étude logistique présentée dans le chapitre 5 afin de déterminer la stratégie d’approvisionnement et la taille optimale des unités de prétraitement implantées dans un bassin de production de biomasse. Le travail de recherche réalisé permet d’élaborer des recommandations destinées aux investisseurs et aux institutions en charge du développement des bioénergies. / This thesis focuses on the economic conditions required for the emergence of a bioenergy supply chain based on torrefied biomass. This research was conducted by using two complementary approaches: the normative one deals with the actors’ behavior in this sector and the positive one deals with the conditions necessary to trigger the torrefied biomass market in France. We study the supplier and demander behaviors regarding the investment in new energy technologies and the purchase of biomass. Then, the biomass demand per sector is modeled in order to compare it to the offer. We deduce an equilibrium selling price which depends on the flexibility of the industry in their production process and the environmental constraints under which they operate. This Ph.D. dissertation is composed of 3 articles (chapters 2, 3 and 4 in English) and 2 confidential studies (chapters 1 and 5 in French). Chapter 1 presents a survey driven at national level, to measure the potential demand and to determine the technical and economic factors influencing it. Chapter 2 analyzes the production and investment decisions of an ambiguity averse agent facing market uncertainties such as demand uncertainty (in terms of number of buyers) and competitive effect uncertainty (in terms of other energy resource). We apply our model on the bioenergy industries. We show that the investment decision of an agent depends on the effects of both the capital investment and the level of production on the cost and the uncertainty the agent is confronted with. Moreover, we find that ambiguity aversion tends to decrease the agent’s optimal levels of production and investment. Chapter 3 studies the penetration of green electricity production from biomass and its impacts on the future electricity generation mix for France incorporating different scenarios of emission allowance prices. The model is applied to the French power market under consideration of the neighboring countries and we determine the torrefied biomass demand function from our model. In chapter 4, we develop a partial equilibrium model of torrefied biomass supply and demand coming from the power sector and the refinery sector on the long term under CO2 price constraints. Our main results are the equilibrium selling prices of torrefied biomass and the break-even CO2 price which triggers the demand. A last chapter aims at studying the strategy of supply and the optimal size of pre-treatment units located in a pool of biomass production. The research carried out allows to propose recommendations for investors and institutions in charge of the development of bioenergies.

La valorisation chimique des espèces condensables issues de la torréfaction de biomasse ainsi que l'utilisation d'un gaz vecteur à faible coût, tels que les gaz de combustion, peuvent constituer des étapes importantes pour le développement du procédé de torréfaction à l'échelle industrielle. Les rendements des espèces condensables varient selon la composition de la biomasse, notamment par la présence de certains minéraux, et varient aussi en fonction de conditions opératoires telles que le gaz vecteur utilisé. Afin d'étudier l'effet du potassium sur la perte de masse de la biomasse et sur le rendement des espèces condensables, trois biomasses déminéralisées ont été imprégnées avec différentes concentrations de K2CO3 puis torréfiées à 275°C jusqu'à l'obtention d'une perte de masse cible (25 ou 30%). La torréfaction a été effectuée à la fois dans un instrument d'analyse thermogravimétrique (ATG) et dans un réacteur à l'échelle laboratoire sous azote et en présence de gaz de combustion. Des analyses ATG des biopolymères (cellulose, xylane et lignine) bruts et imprégnés avec du K ont été réalisées pour faciliter l'interprétation des résultats. La perte de masse augmente lorsque la teneur en K des biomasses augmente et, par conséquent, des temps de séjour plus courts sont suffisants pour obtenir la perte de masse cible. Cela semble être principalement le résultat du décalage de la décomposition de la cellulose vers des températures plus faibles. Les vitesses de réaction maximales sont bien plus élevées en présence de gaz de combustion car la biomasse subit des réactions d'oxydation en plus de la décomposition classique. Quelle que soit l'atmosphère, K inhibe la production d’anhydrosaccharides (levoglucosan, LAC et DGP) et de furanes (à l'exception du 2-furanmethanol). En parallèle, une augmentation substantielle du rendement en acétol est constatée. La rupture du cycle pyranose de la cellulose qui entraine la formation des produits légers est favorisée en présence de K au détriment de la dépolymérisation qui produit du levoglucosan. Le K favorise la production de 2-furanmethanol, syringol et guaiacol surtout en présence de gaz de combustion. En revanche, la production de vanilline et de syringaldéhyde est défavorisée en présence de K tandis qu'elle est fortement favorisée en présence de gaz de combustion quand la biomasse est libre de K. L'effet du K sur les rendements des espèces condensables lors de la torréfaction de la biomasse est démontré quelle que soit la nature de l'atmosphère. De plus, dans les conditions testées, l'oxygène présent dans l'atmosphère intensifie, dans une mesure plus ou moins grande, la tendance imposée par le K / The chemical valorization of condensable species from biomass torrefaction as well as the use of a low-cost carrier gas such as flue gas may be important steps for industrial-scale implementation of torrefaction. The condensable species yield varies according to the biomass composition, in particular by the presence of certain minerals, and also changes according to the operating conditions such as the gas atmosphere. In this context, to investigate the effect of potassium on mass loss of biomass during torrefaction and in the yield of condensable species, three demineralized biomasses were impregnated with different concentrations of K2CO3 and then torrefied at 275°C up to a target mass loss (25 or 30%). Torrefaction was carried out in both a thermogravimetric analysis (TGA) instrument and a laboratory fixed-bed reactor under nitrogen and flue gas atmospheres. TGA of raw and K-impregnated biopolymers (cellulose, xylan and lignin) were performed to facilitate interpretation of the results. When K content increased in the biomass, shorter torrefaction times were sufficient to obtain the targeted mass loss. This behavior seems to be a result of shifting the cellulose decomposition to lower temperatures. The maximum reaction rates are much higher under flue gas because the biomass undergoes oxidation reactions in addition to the ordinary decomposition. Regardless of the gas atmosphere employed, K inhibits the production of anhydrosugars (levoglucosan, LAC and DGP) and furans (except 2-furanmethanol). This suppression is accompanied by a substantial increase in acetol yield. The cleavage of pyranose rings in cellulose which results in the formation of low molecular weight compounds is favored in the presence of K to the detriment of the depolymerization which delivers levoglucosan. K promotes the production of 2- furanmethanol, syringol and guaiacol especially under flue gas atmosphere. However, the yields of vanillin and syringaldehyde decreased in the presence of K whereas they are strongly favored under flue gas atmosphere when the biomass does not contain K. The effect of K on the yields of condensable species from biomass torrefaction is demonstrated whatever the gas atmosphere. Moreover, under the conditions tested, the oxygen present in the atmosphere intensifies, to a greater or lesser extent, the tendency imposed by the K

Il existe aujourd’hui une prise de conscience croissante visant à considérer les résidus de biomasse comme source potentielle d’énergie, de matériaux et de produits chimiques. Dans ce contexte, le projet européen Mobile Flip vise à développer des unités mobiles de conversion de biomasse pour la valorisation de ressources agricoles et forestières non exploitées. L’une des technologies proposées est la torréfaction, traitement thermique doux entre 200 et 300°C pendantquelques minutes et en défaut d’oxygène. Le solide torréfié présente des propriétés proches de celles du charbon et convient à la combustion ou à la gazéification. En même temps, des matières volatiles sont relâchées, dont des espèces condensables potentiellement à haute valeur ajoutée en chimie. Il est donc crucial de caractériser le solide torréfié et les espèces volatiles afin d’optimiser le procédé jusqu’à l’échelle industrielle. Jusqu’à présent, peu de travaux ont simultanément cherché à caractériser et à modéliser le comportement du solide et des espèces volatiles produites en torréfaction en fonction des conditions opératoires et du type de biomasse. De plus, ces travaux portaient sur un nombre réduit de biomasses. La composition macromoléculaire de la biomasse en cellulose, hémicelluloses et lignine impacte de manière déterminante les produits de torréfaction. Cependant, les essais de torréfaction avec ces constituants sont peu nombreux et généralement réalisés avec des composants commerciaux peu représentatifs de la biomasse brute. L’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier l’influence des caractéristiques de la biomasse, principalement représentée par sa composition en cellulose, hémicellulose et lignine, sur le comportement global de la biomasse en torréfaction, tant en termes de perte de masse du solide que de production d’espèces volatiles, en fonction des conditions opératoires. 14 représentants des principales familles de biomasse (bois feuillus, bois résineux, sous-produits agricoles et plantes herbacées) ont été sélectionnés pour cette étude. Une procédure d’extraction optimisée a été proposée pour obtenir des fractions de cellulose, hémicellulose et lignine de 5 biomasses de référence. Les données expérimentales ont été obtenues en utilisant une thermobalance couplée à une chromatographie gazeuse et une spectrométrie de masse via un système de boucles de stockage chauffées (ATG-GC/MS). La cinétique de dégradation du solide et les profils de formation des espèces volatiles ont été étudiés au cours des expériences de torréfaction incluant une partie non-isotherme (200 à 300°C, 3°C/min) suivie d’une partie isotherme (300°C, 30 min), dans des conditions expérimentales assurant le régime chimique. Les résultats obtenus avec les biomasses brutes montrent que la composition macromoléculaire de la biomasse est un facteur clé influant sur son comportement en torréfaction. Par conséquent, l’hétérogénéité de la ressource se traduit par une diversité de comportements en torréfaction, en particulier pour les biomasses agricoles. Il a été observé un comportement très différent pour les composants extraits comparés aux composants commerciaux, particulièrement dans le cas de la cellulose. Ceci montre que l’usage commun de composants commerciaux pour bâtir les modèles de torréfaction n’est pas pertinent. L'impact des caractéristiques des composants macromoléculaires sur le comportement en torréfaction a été aussi mis en évidence, particulièrement en ce qui concerne la composition en sucres des hémicelluloses et la cristallinité de la cellulose. En outre, des différences de profils de production des espèces volatiles ont été observées, même pour des composés de même nature chimique. A partir de ces résultats, un modèle de torréfaction basé sur la contribution additive de la cellulose, des hémicelluloses et de la lignine extraites est proposé pour décrire le comportement global de la biomasse en torréfaction, et ceci pour les 5 biomasses de référence. / Nowadays, there is an increasing awareness on the importance of biomass waste as a renewable source of energy, materials and chemicals. In this context, the European project MOBILE FLIP aims at developing and demonstrating mobile conversion processes suitable with variousunderexploited agro- and forest based biomass resources in order to produce energy carriers, materials and chemicals. One of these processes is torrefaction, which consists in a mild thermal treatment, occurring typically between 200 and 300°C during a few tens of minutes in a defaultoxygen atmosphere. The solid product obtained has thermal and processing properties closer to coal, and thus is suitable as fuel for combustion or gasification. During torrefaction, condensable coproducts are released, that may also be source of “green” chemicals. It is therefore crucial to characterize them to optimize the torrefaction process and design industrial units. Up to now, only few works have been focused on characterizing and modelling both solid and condensable species during torrefaction versus operating conditions and feedstock type. Furthermore, these studies typically include a reduced number of biomasses. Cellulose, hemicellulose and lignin,which constitute biomass macromolecular composition, are determining properties to predict biomass behaviour during torrefaction. However, torrefaction tests on these constituents are rare and always based on commercial compounds, which were proved as little representative of the native biomass. The objective of this study is to analyse the influence of biomass characteristics, mainly represented by the macromolecular composition in cellulose, hemicellulose and lignin, on the global behaviour of biomass in torrefaction, both in terms of solid mass loss and of productionprofiles of the volatile species released, in function of the operating conditions.14 biomasses from the main biomass families (deciduouswood, coniferous wood, agricultural byproductsand herbaceous crops) were selected for this study. An optimized extraction procedure was proposed to recover cellulose, hemicellulose and lignin fractions from 5 reference biomasses. Experiments were performed on a thermogravimetric analyzer coupled to a gas chromatography mass spectrometer device through a heated storage loop system (TGA-GC/MS). Solid degradation kinetics and volatile release profiles were followed during torrefaction experiments combining non-isothermal (200 to 300°C at 3°C/min) and isothermal (300°C, 30 min) conditions, ensuring the chemical regime thanks to the appropriate operating conditions. The results obtained with the raw materials demonstrated that biomass macromolecular composition is a main factor influencing biomass behavior in torrefaction. Consequently, the heterogeneity of the resource results in a diverse behavior in torrefaction, particularly in the case of agricultural biomasses. The results with the extracted components evidenced their very different behavior compared to thecommercial compounds, particularly in the case of cellulose. This suggests that a limitation could be induced by the common use in literature of commercial components for torrefaction modelling. The impact on the characterization of macromolecular components was also shown to be prevailing in their behavior in torrefaction, especially in the case of hemicellulose sugar composition and cellulose crystallinity. Furthermore, differences in release kinetics of volatile species during torrefaction were observed, even for volatiles belonging to the same chemical family (acids, furans, ketones). Derived from these results, a torrefaction model based on the additive contribution of extracted cellulose, hemicelluloses and lignin to the global behavior of biomass in torrefaction was proposed, and this for the 5 representative biomasses.

Le contexte global de réchauffement climatique et de fin programmée des carburants d'origine fossile a conduit depuis quelques décennies au développement des biocarburants. Les nombreux inconvénients liés à la première génération de biocarburants ont peu à peu donné naissance aux biocarburants de seconde génération dont l'avantage notable est d'utiliser la partie ligno-cellulosique des plantes. La principale voie de conversion envisagée consiste en une gazeification suivie d'une synthèse Fisher-Tropsch. Mais la dispersion énergétique et géographique de la biomasse ainsi que les nombreuses contraintes liées au processus de fabrication nécessitent la mise au point d'un préconditionnement adéquat. Le matériau utilisé devra en effet être homogène, concentré énergétiquement, stockable et facilement transportable. Il devra aussi être facilement broyable en vue de son injection sous pression dans les gazéifieurs. Une voie de prétraitement possible consiste à torréfier la biomasse. Le présent travail s'inscrit dans cette thématique puisqu'il a permis une caractérisation chimique, énergétique et mécanique du bois (Pinus pinaster et Quercus robur) traité thermiquement (T°C<300°C). Dans une première partie du travail, des analyses chimiques et énergétiques de bois traités thermiquement à différentes intensités ont été réalisées. Les résultats ont permis de quantifier la dégradation chimique et la densification énergétique lorsque l'intensité du traitement augmente. Il s'avère que la perte de masse est un excellent indicateur de ces modifications : des relations de prédiction de l'évolution de ces propriétés ont été établies. Un dispositif d'impact original a été développé dans la seconde partie du travail. Les résultats obtenus montrent une augmentation de la broyabilité du bois lorsque l'intensité de son traitement thermique augmente. Avec l'intensité du traitement, le bois perd d'abord sa résilience, puis son comportement fibreux.Cela permet la formation de fines particules particulièrement adaptées aux processus de fabrication des biocarburants de seconde génération. / Biofuels are developed worldwide since the few last decades to face two major problems of our societies: global warming and peak oil. Due to many disadvantages of the first generation of biofuel, a second generation is developed, whose major advantage is to use the lignocellulosic part of plants. One interesting way to produce this kind of biofuel is a gasification followed by a Fisher-Tropsch synthesis. However, a pretreatment is needed because raw biomass is not suitable for a direct use in gasifier. The role of the pretreatment is to homogenize product properties, to ease storage and transport, to concentrate the energy content. Moreover, its grindability has also to be improved since fine particles are required to supply the gasifier. The present work proposes a comprehensive chemical, energetic and mechanical characterization of wood (Pinus pinaster and Quercus robur) with different treatment intensities (T°C<300°C). The first part proposes a full set of chemical and energy analysis on heat-treated woods. The mass loss was confirmed as a synthetic indicator of the effect of treatment intensity on the degree of chemical degradation and energy concentration. Therefore, analytical expressions allowing the prediction of energy and chemical properties as a function of the overall mass loss are provided. The second part of the work consists in the development and use of a novel impact device. Results obtained in radial and tangential directions show that the heat treatment improves the wood grindability. As the treatment intensity increases, wood first losses its resilience first, followed by a loss of its fibrous behavior. The later eases its transformation into small particles suitable for gasification process.

La torréfaction est un traitement thermique à basse température (250 à 300 °C) en atmosphère inerte qui permet de modifier les propriétés de la biomasse. La biomasse torréfiée est alors plus dense énergétiquement, plus hydrophobe et plus fragile. Dans cette étude, un modèle numérique de torréfaction en four tournant à une dimension a été développé. Le transport des plaquettes de bois, les transferts thermiques, le séchage ainsi que les cinétiques de torréfaction ont été modélisés séparément. Après confrontation aux résultats expérimentaux, ces différents sous-modèles ont été assemblés dans un modèle global. Le modèle prédit alors l’évolution de la température et de la perte de masse des plaquettes le long du four. Les résultats numériques montrent une adéquation satisfaisante avec les valeurs obtenues lors d’expériences de torréfaction sur un four tournant pilote. Les solides torréfiés ont été analysés et leurs propriétés ont été corrélées à la perte de masse. Il a en particulier été démontré que l'énergie de broyage de la biomasse torréfiée était fortement réduite. / Torrefaction is a thermal treatment at low temperature (250-300°C) used to improve biomass properties. Torrefied biomass has a higher energy density, it is more hydrophobic and more brittle. In this study, a one-dimensional numerical model of torrefaction in a rotary kiln has been developed. The wood chips flow, the thermal transfers, the drying step and the torrefaction kinetics have been modelled separately. These submodels have been experimentally validated before being implemented together. The model can thus predict the temperature and the mass loss of wood chips along the kiln. These results are in good agreement with values obtained during torrefaction experiments in the pilot-scale rotary kiln. In parallel, torrefied biomass has been analysed in terms of composition, heating value and structural properties with emphasis on the decrease of grinding energy consumption.

La pyrolyse douce est un procédé prometteur et largement utilisé, mené à une température de 200 à 300 °C dans une atmosphère inerte afin de produire des matériaux durables (bois traité thermiquement) ou des combustibles solides (bois torréfié). Le but de cette étude est d’étudier les bois traités thermiquement dans un réacteur à l’échelle semi-industrielle pour une production durable de matériaux. Deux essences de bois européennes différentes, une essence de feuillus (peuplier, Populus nigra) et une essence de résineux (sapin, Abies pectinata), sont utilisées pour réaliser les expériences. La présente recherche est divisée en trois parties. Dans la première partie, le comportement thermique des planches de bois est étudié dans un réacteur à l’échelle semi-industrielle. Les expériences sont effectuées à 200-230 °C avec une vitesse de chauffe de 0.2 °C min-1 dans un environnement sous vide (200 hPa) pour intensifier la dégradation thermique. Quatre étapes différentes de dégradation thermique lors du traitement thermique du bois sont définies, en fonction de l'intensité de la perte de masse différentielle (DML). Les caractéristiques de dévolatilisation du bois traité sont évaluées à l'aide de l'indice de dévolatilisation (ID) basé sur les résultats de l'analyse immédiate. La corrélation de l'ID par rapport à la perte de masse des deux essences de bois est fortement caractérisée par une distribution linéaire, ce qui permet de fournir un outil simple et utile pour prédire la perte de masse du bois. Dans la seconde partie de l’étude, plusieurs analyses (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, diffraction des rayons X, mesure du changement de couleur, teneur en humidité à l’équilibre et angle de contact) ont été réalisées. Les résultats obtenus démontrent clairement la dégradation thermique lors des réactions de déshydratation, de désacétylation, de dépolymérisation et de condensation au cours du traitement thermique. Les phénomènes de changement de couleur et de transformation hygroscopique observés sont illustrés et discutés en détail. La décarbonisation (DC), la déshydrogénation (DH) et la désoxygénation (DO) des bois traités sont également évaluées. Il s'avère que les trois indices peuvent être bien corrélés à la variation de couleur totale et à l'étendue de la réduction de l'hygroscopicité (HRE). Dans la dernière partie de l'étude, une modélisation cinétique du traitement thermique du bois est développée sur la base d’un schéma cinétique en deux étapes. La cinétique obtenue permet de prédire avec succès le rendement en solide de planches de bois lors du traitement dans un réacteur à l’échelle semi-industrielle. Dans le même temps, une prévision de la composition élémentaire est proposée. Celle-ci est basée sur les analyses élémentaires (ultimes) du bois non traité et du bois traité, ainsi que sur les rendements instantanés en solides. Les résultats indiquent que la prédiction des profils C, H et O est en bon accord avec les changements de composition attendus dans le matériau au cours du traitement. En résumé, les résultats obtenus et la cinétique établie sont propices à l’identification des mécanismes de dégradation thermique du bois et peuvent être utilisés pour le traitement thermique et la conception de réacteurs dans l'industrie afin de produire des matériaux bois adaptés à diverses applications. / Mild pyrolysis is a promising and widely applied process conducted at 200-300 °C in an inert condition to produce sustainable materials (i.e. heat treated wood) or solid fuel (i.e. torrefied wood). The aim of this study is to investigate the woods heat treated in a semi-industrial scale reactor for sustainable material production. Two different European wood species, a hardwood species (poplar, Populus nigra) and a softwood species (fir, Abies pectinata), are used to perform the experiments. The present research is divided into three parts. In the first part, the thermal behavior of wood boards is studied in a semi-industrial scale reactor. The experiments are carried out at 200-230 °C with a heating rate of 0.2 °C min-1 in a vacuum condition (200 hPa) to intensify the thermal degradation. Four different stages of thermal degradation during wood heat treatment are defined based on the intensity of differential mass loss (DML). The devolatilization characteristics of treated woods are evaluated by the devolatilization index (DI) based on the results of proximate analysis. The correlation of DI with respect to mass loss of the two wood species is strongly characterized by linear distribution, which is able to provide a simple tool to predict the mass loss of wood. In the second part of the study, a number of analyses, such as Fourier-transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, measurement of color change, equilibrium moisture content, and contact angle) are performed to evaluate the property changes of treated woods. The obtained results clearly demonstrate the thermal degradation through dehydration, deacetylation, depolymerization, and condensation reactions during the heat treatment. The observed phenomena of color change and hygroscopic transformation are illustrated and discussed in detail. The decarbonization, dehydrogenation, and deoxygenation of the treated woods are also evaluated. It is found that the three indexes can be well correlated to the total color difference and hygroscopicity reduction extent (HRE). In the last part of the study, the kinetic modeling of wood heat treatment is developed based on a two-step kinetic scheme. The obtained kinetics successfully predict dynamic solid yield of wood boards during the treatment in the semi-industrial reactor. Meanwhile, the prediction of elemental composition is also performed by a direct method based on the elemental analyses of untreated and treated woods at the end of the treatment, as well as the instantaneous solid yield. The results point out that the prediction of C, H, and O profiles are in good agreement with expected composition changes in the wood materials during treatment. In summary, the obtained results and established kinetics are conducive to recognizing the mechanisms of wood thermal degradation and can be used for heat treatment process and reactor design in industry to produce wood materials for various applications.

Trois objectifs principaux ont été fixés pour cette thèse : un objectif technologique, analytique, et d'analyse des risques. Un premier objectif de cette étude était d'identifier les étapes critiques du procédé de transformation des noix et graines, afin de pouvoir par la suite proposer des solutions permettant de limiter le développement des réactions de Maillard et d'oxydation des lipides, ainsi que leur dégradation nutritionnelle. Pour ce faire, la formation des composés issus de ces réactions a été suivie au cours de la transformation des noix et graines en tenant compte de l'impact de la qualité de la matière première. La dégradation de certains nutriments thermolabiles, indicateurs de la sévérité du traitement thermique appliqué, a été aussi suivie au cours de la transformation industrielle afin d'appréhender l'influence du traitement thermique sur la qualité nutritionnelle de ces aliments. Les résultats montrent que les réactions d'oxydation des lipides sont amorcées dès les premières étapes de transformation et s'amplifient par la suite. Plusieurs étapes du procédé sont impliquées dans le développement des réactions d'oxydation et la dégradation nutritionnelle, cependant l'étape de torréfaction se révèle particulièrement déterminante dans la formation des CNF. L'étape de stérilisation de la tahina semble avoir aussi un effet significatif sur l'accumulation des produits d'oxydation et des CNF. Suite à ce criblage des étapes critiques, des modifications techniques doivent être apportées à la chaîne de transformation afin de l'optimiser, sans compromettre la salubrité et les qualités organoleptiques du produit fini. Un deuxième objectif était d'explorer le potentiel de la spectroscopie de fluorescence frontale comme outil d'évaluation quantitative rapide de la qualité des noix et graines, dans l'objectif d'améliorer le contrôle et la maîtrise de la sécurité chimique de ces aliments transformés. L'analyse multivoies des mesures de fluorescence frontale en 3D sur des échantillons industriels de noix et graines a révélé une information détaillée sur l'oxydation des lipides et la formation de CNF, ainsi que leur dégradation nutritionnelle, au cours de leur transformation industrielle. L'identification des fluorophores intrinsèques s'est rendue possible grâce à l'approche multivoies des données. Des modèles de calibration multivoies ont été développés afin de prédire les concentrations en CNF à partir de simples mesures de fluorescence, et ont donné des résultats très prometteurs. Ces méthodes pourraient être très intéressantes dans une perspective de contrôle en ligne, du fait de leur rapidité et leur non-destructivité. Enfin, l'évaluation de l'exposition des libanais adultes à ces CNF à partir des noix et graines transformées a été réalisée en croisant les données de consommation alimentaire obtenues par le biais d'une enquête de consommation alimentaire exécutée dans le cadre de cette recherche sur une population urbaine adulte âgée entre 25 et 64 ans, avec les données de contamination obtenues par les analyses chimiques. Les expositions quotidiennes moyennes à la CML et aux AGT, suite à la consommation de l'ensemble des oléagineux étudiés, ont été estimées à 0,76 mg/personne/jour et 0,32 g/personne/jour respectivement. Ces niveaux correspondent à 13 et 7% des valeurs de références pour la CML et les AGT respectivement, susceptibles d'induire des effets néfastes. Au percentile 95ème de l'exposition, les valeurs d'exposition à la CML par la seule consommation des oléagineux dépassent la valeur limite. Ces résultats montrent qu'il est nécessaire de porter une attention particulière à l'exposition de certains groupes de population tels que les forts consommateurs pour lesquels le risque d'être exposés à un niveau supérieur aux valeurs toxicologiques de référence vis-à-vis des CNF étudiés n'est pas nul, sachant qu'aux noix et graines transformées vient s'ajouter une liste non négligeable d'aliments contributeurs à l'exposition aux CNF.

Le contexte global de réchauffement climatique et de fin programmée des carburants d'origine fossile a conduit depuis quelques décennies au développement des biocarburants. Les nombreux inconvénients liés à la première génération de biocarburants ont peu à peu donné naissance aux biocarburants de seconde génération dont l'avantage notable est d'utiliser la partie ligno-cellulosique des plantes. La principale voie de conversion envisagée consiste en une gazeification suivie d'une synthèse Fisher-Tropsch. Mais la dispersion énergétique et géographique de la biomasse ainsi que les nombreuses contraintes liées au processus de fabrication nécessitent la mise au point d'un préconditionnement adéquat. Le matériau utilisé devra en effet être homogène, concentré énergétiquement, stockable et facilement transportable. Il devra aussi être facilement broyable en vue de son injection sous pression dans les gazéifieurs. Une voie de prétraitement possible consiste à torréfier la biomasse. Le présent travail s'inscrit dans cette thématique puisqu'il a permis une caractérisation chimique, énergétique et mécanique du bois (Pinus pinaster et Quercus robur) traité thermiquement (T°C<300°C). Dans une première partie du travail, des analyses chimiques et énergétiques de bois traités thermiquement à différentes intensités ont été réalisées. Les résultats ont permis de quantifier la dégradation chimique et la densification énergétique lorsque l'intensité du traitement augmente. Il s'avère que la perte de masse est un excellent indicateur de ces modifications : des relations de prédiction de l'évolution de ces propriétés ont été établies. Un dispositif d'impact original a été développé dans la seconde partie du travail. Les résultats obtenus montrent une augmentation de la broyabilité du bois lorsque l'intensité de son traitement thermique augmente. Avec l'intensité du traitement, le bois perd d'abord sa résilience, puis son comportement fibreux.Cela permet la formation de fines particules particulièrement adaptées aux processus de fabrication des biocarburants de seconde génération.