SIMULATION DE PROCÉDÉS ET ACV

ENVIRONNEMENTALE

Eco-conception d’un procédé de fractionnement de micro-algues

Rémi Julio

Congrès [avniR]

Lille, 8-9 Novembre 2016

1/18

PLAN

1. CONTEXTE MONDIAL

2. PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE

3. ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES

4. MÉTHODOLOGIE

5. RÉSULTATS

6. FUTURS TRAVAUX

7. CONCLUSIONS

2/18

CONTEXTE MONDIAL

Epuisement des ressources fossiles

Dérèglement climatique

Singh et Olsen, 2011. A critical review of biochemical

conversion, sustainability and life cycle assessment of

algal biofuels.

3/18

CONTEXTE MONDIAL

Epuisement des ressources fossiles

Dérèglement climatique

Production de carburants à partir de biomasses

Singh et Olsen, 2011. A critical review of biochemical

conversion, sustainability and life cycle assessment of

algal biofuels.

3/18

CONTEXTE MONDIAL

Epuisement des ressources fossiles

Dérèglement climatique

Production de carburants à partir de biomasses

Première génération (cultures vivrières): problèmes de prix, d’utilisation

de terres arables, d’utilisation intensive de pesticides et fertilisants.

Deuxième génération (cultures cellulosiques): problèmes de rentabilité,

barrières technologiques, et de réseaux de collecte de matériaux.

Troisième génération (biomasse algale)

Singh et Olsen, 2011. A critical review of biochemical

conversion, sustainability and life cycle assessment of

algal biofuels.

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Biocarburants à partir de micro-algues

CONTEXTE MONDIAL

Zheng et al., 2011. Disruption of Chlorella vulgaris cells for the

release of biodiesel producing lipids: a comparison of grinding,

ultrasonication, bead milling, enzymatic lysis and microwaves.

4/18

Biocarburants à partir de micro-algues

Pas de conflit avec la production de nourriture, pas de déforestation

Faible utilisation de terres: 18 m2 an/kg biodiesel soja, 0,1 algue

Traitement des eaux usées: traitement du N et P

Captage CO2 pendant la croissance: 1,83g de CO2 pour 1g d’algue

Contenu important en lipide : production de biodiesel

CONTEXTE MONDIAL

Zheng et al., 2011. Disruption of Chlorella vulgaris cells for the

release of biodiesel producing lipids: a comparison of grinding,

ultrasonication, bead milling, enzymatic lysis and microwaves.

4/18

Biocarburants à partir de micro-algues

CONTEXTE MONDIAL

Pas de conflit avec la production de nourriture, pas de déforestation

Faible utilisation de terres: 18 m2 an/kg biodiesel soja, 0,1 algue

Traitement des eaux usées: traitement du N et P

Captage CO2 pendant la croissance: 1,83g de CO2 pour 1g d’algue

Contenu important en lipide : production de biodiesel

Procédés d’extraction non optimisés

Importants coûts de production

Zheng et al., 2011. Disruption of Chlorella vulgaris cells for the

release of biodiesel producing lipids: a comparison of grinding,

ultrasonication, bead milling, enzymatic lysis and microwaves.

4/18

Biocarburants à partir de micro-algues

CONTEXTE MONDIAL

Pas de conflit avec la production de nourriture, pas de déforestation

Faible utilisation de terres: 18 m2 an/kg biodiesel soja, 0,1 algue

Traitement des eaux usées: traitement du N et P

Captage CO2 pendant la croissance: 1,83g de CO2 pour 1g d’algue

Contenu important en lipide : production de biodiesel

Procédés d’extraction non optimisés

Importants coûts de production

Valorisation des principaux constituants des micro-algues

Zheng et al., 2011. Disruption of Chlorella vulgaris cells for the

release of biodiesel producing lipids: a comparison of grinding,

ultrasonication, bead milling, enzymatic lysis and microwaves.

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PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE

Lipids

Proteins

Carbohydrates

Pigments

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

Microalgue

Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,

processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.

Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)

Lipides 14-22 %

Proteines 48-58 %

Carbohydrates 8-17 %

Pigments 2-3 % 5/18

PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE

Lipids

Proteins

Carbohydrates

Pigments

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

Microalgue

Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,

processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.

Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)

Lipides 14-22 %

Proteines 48-58 %

Carbohydrates 8-17 %

Pigments 2-3 % 5/18

PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE

Lipids

Proteins

Carbohydrates

Pigments

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

Microalgue

Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,

processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.

Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)

Lipides 14-22 %

Proteines 48-58 %

Carbohydrates 8-17 %

Pigments 2-3 % 5/18

PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE

Lipids

Proteins

Carbohydrates

Pigments

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

Microalgue

Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,

processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.

Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)

Lipides 14-22 %

Proteines 48-58 %

Carbohydrates 8-17 %

Pigments 2-3 % 5/18

PRINCIPE DE LA BIORAFFINERIE ALGALE

Lipids

Proteins

Carbohydrates

Pigments

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Biodiesel- Unsaturated fatty acid- Glycerol products

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Animal feed- Pharmaceuticals- Food additives

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Bioethanol- Chemicals- Bioplastics

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

- Cosmetics- Pharmaceuticals- Dyes and paints

Microalgue

Safi et al., 2014. Morphology, composition, production,

processing and applications of Chlorella vulgaris: a review.

Chlorella vulgaris (w/w dry biomass)

Lipides 14-22 %

Proteines 48-58 %

Carbohydrates 8-17 %

Pigments 2-3 % 5/18

ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES

Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration

6/18

ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES

Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration

Rupture cellulaire

Fractions d’intérêt

libérés en phase

liquide

6/18

ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES

Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration

Rupture cellulaire

Fractions d’intérêt

libérés en phase

liquide

Elimination de

la phase solide

Récupération

de la phase

liquide enrichie6/18

ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES

Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration

Rupture cellulaire

Fractions d’intérêt

libérés en phase

liquide

Elimination de

la phase solide

Récupération

de la phase

liquide enrichie

Extraction

liquide-liquide

Récupération

des lipides

6/18

ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES

Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration

Rupture cellulaire

Fractions d’intérêt

libérés en phase

liquide

Elimination de

la phase solide

Récupération

de la phase

liquide enrichie

Extraction

liquide-liquide

Récupération

des lipides

Séparation des

protéines,

polysaccharides

et pigments

6/18

ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES

Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration

6/18

Procédés non conçus

Opérations consommatrices en eau et énergie

Conditions opératoires non optimales

ETUDE DE CAS: PROCÉDÉ DE FRACTIONNEMENT DE MICRO-ALGUES

Broyage Centrifugation Extraction Ultrafiltration

6/18

OPPORTUNITE D’ECO-CONCEPTION

PROBLEMATIQUE

Etudier la durabilité de technologies émergeantes

7/18

PROBLEMATIQUE

Etudier la durabilité de technologies émergeantes

Outil de prédilection: ACV environnementale

7/18

PROBLEMATIQUE

Etudier la durabilité de technologies émergeantes

Outil de prédilection: ACV environnementale

Etape clé: analyse de l’inventaire

> Données moyennes

> Validité, fiabilité

> Données inexistantes

7/18

PROBLEMATIQUE

Etudier la durabilité de technologies émergeantes

Outil de prédilection: ACV environnementale

Etape clé: analyse de l’inventaire

> Données moyennes

> Validité, fiabilité

> Données inexistantes

Alternative: utilisation de simulateurs de procédés7/18

METHODOLOGIE

8/18

Unit Operation 1

Unit Operation 2

Unit Operation 3

InputsInputs

OutputsOutputs

InputsInputs InputsInputs

OutputsOutputs OutputsOutputs

Unit Operation 1

Unit Operation 1Operating

parameters

Input and output data

Environmental LCA

Jacquemin et al., 2012. Life cycle assessment (LCA)

applied to the process industry: a review.

METHODOLOGIE

8/18

Meilleure compréhension des opérations unitaires

Unit Operation 1

Unit Operation 2

Unit Operation 3

InputsInputs

OutputsOutputs

InputsInputs InputsInputs

OutputsOutputs OutputsOutputs

Unit Operation 1

Unit Operation 1Operating

parameters

Input and output data

Environmental LCA

Jacquemin et al., 2012. Life cycle assessment (LCA)

applied to the process industry: a review.

METHODOLOGIE

8/18

Meilleure compréhension des opérations unitaires

> Influence des conditions opératoires sur les impacts environnementaux

Unit Operation 1

Unit Operation 2

Unit Operation 3

InputsInputs

OutputsOutputs

InputsInputs InputsInputs

OutputsOutputs OutputsOutputs

Unit Operation 1

Unit Operation 1Operating

parameters

Input and output data

Environmental LCA

Jacquemin et al., 2012. Life cycle assessment (LCA)

applied to the process industry: a review.

METHODOLOGIE

8/18

Meilleure compréhension des opérations unitaires

> Influence des conditions opératoires sur les impacts environnementaux

> Séquences d’opérations unitaires alternatives

Unit Operation 1

Unit Operation 2

Unit Operation 3

InputsInputs

OutputsOutputs

InputsInputs InputsInputs

OutputsOutputs OutputsOutputs

Unit Operation 1

Unit Operation 1Operating

parameters

Input and output data

Environmental LCA

Jacquemin et al., 2012. Life cycle assessment (LCA)

applied to the process industry: a review.

Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues

RESULTATS

9/18

Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues

RESULTATS

9/18

Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues

RESULTATS

9/18

Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues

RESULTATS

9/18

d : bowl diameter (m)

p : density of particle (kg/m3)

f : density of fluid (kg/m3)

g : acceleration (m/s2)

: solution viscosity (cp)

time : time (min)

Simulation du procédé de fractionnement des micro-algues

RESULTATS

9/18

d : bowl diameter (m)

p : density of particle (kg/m3)

f : density of fluid (kg/m3)

g : acceleration (m/s2)

: solution viscosity (cp)

time : time (min)

Bilans matières et énergie

RESULTATS

10/18

Analyse de Cycle de Vie environnementale

UF: Fractionner 1kg de Chlorella vulgaris (8,75% matière sèche)

Limites du systèmeAnalyse « gate to gate »

Transports et infrastructures exclus

DonnéesSimulation de procédés

Ecoinvent 3.1

Obtenus à partir d’expériences et de la littérature

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%

Procédé de fractionnement : contribution des OU. Méthode: ReCiPe Midpoint (H) V 1.12 / Characterization

Ultrafiltration

Extraction

Centrifugation

Broyage

RESULTATS

11/18

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%

Procédé de fractionnement : contribution des OU. Méthode: ReCiPe Midpoint (H) V 1.12 / Characterization

Ultrafiltration

Extraction

Centrifugation

Broyage

RESULTATS

12/18

Modèle utilisé pour le broyage:

RESULTATS

13/18

Modèle utilisé pour le broyage:

Temps: 4 heures

Taux de remplissage: 60%

RESULTATS

13/18

Modèle utilisé pour le broyage:

Temps: 4 heures

Taux de remplissage: 60%

Nouvelle simulation: 3 heures, à 80%

RESULTATS

13/18

Comparaison des rendements d’extraction

Broyage 1: 4h, 60% ; Broyage 2: 3h, 80%

RESULTATS

14/18

Broyage 1 Broyage 2

Protéines 49.6 % 50.9 %

Lipides 41.8 % 42.9 %

Carbohydrates 24.2 % 26.8 %

Pigments 23.4 % 24.0 %

Comparaison des scores d’impacts environnementaux

Broyage 1: 4h, 60% ; Broyage 2: 3h, 80%

RESULTATS

15/18

0,

0,

0,

0,1

0,1

0,1

0,1

ReCiPe Midpoint (H) V1.12 / Normalization

Bead milling Bead milling 2

FUTURS TRAVAUX

Optimisation complète du procédé

ACV « cradle to grave »

Coût du cycle de vie (CCV)

Optimisation multiobjectifs & aide à la décision

Validation de la méthode avec d’autres cas

d’études:

Extraction d’hémicelluloses à partir de paille et son de blé

Bioraffinerie du bois

16/18

CONCLUSIONS

Approche d’éco-conception

Etude de l’influence des conditions opératoires

Optimiser les performances techniques, économiques

et environnementales

MAIS

Compétences en génie des procédés et informatique

Développement de modèles fiables17/18

Merci de votre attention.

18/18

remi.julio@ensiacet.fr