Analyse de Cycle de Vie pour l’Eco-conception d’un procédé de production d’un polymère...

Analyse de Cycle de Vie pour l’Eco-Analyse de Cycle de Vie pour l’Eco-conception d’un procédé de production conception d’un procédé de production

d’un polymère végétald’un polymère végétal

Leslie JacqueminPierre-Yves PontalierCaroline Sablayrolles

«Chimie pour un développement durable : procédés, énergie et «Chimie pour un développement durable : procédés, énergie et environnement»environnement»22 au 24 novembre 2011 22 au 24 novembre 2011 ECPM StrasbourgECPM Strasbourg

La raffinerie végétaleLa raffinerie végétale

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IntroductionIntroductionLe procédé

ACVConclusions et Perspectives

Raffinerie végétale

Procédés de fractionnement de la matière végétale

FractionnementTransformation

(Matériaux)

Matière végétale

Purification

HémicellulosesFraction lignocellulosique AmidonProtéines

Extraction / Séparation

Extrait liquide

Raffinat solide

- Procédés de fractionnement- Procédés de

conversion

BiomasseBiomasse

Energie: Biocarburants, Energie électrique

Chimie: Biopolymères, Agromatériaux, …

Agroalimentaire

Matière végétale = Son et Paille de blé

ObjectifsObjectifs

• Le double objectif de la raffinerie végétale: Viabilité économique Respect de l’environnement

• Articulation de la présentation: Le procédé de fractionnement de la matière végétale L’Analyse de Cycle de Vie du procédé

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Le procédéLe procédé

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Désamidonnation

[Son désamidonné]Broyage

[Paille broyée - 6mm]

Extrusion[Extrait]

Centrifugation

Pré

-tr

ait

em

en

tsExtr

act

ion

Sépara

tion

Li

quid

e-

Solid

e

[Extrait clarifié]

Essorage

IntroductionLe procédéLe procédé


…

Lait d’amidon

3 lavages successifs

Son + EauL/S=10

Agitation continue

T°C = 40°C

15 min

Désamidonnation

Broyage de la paille


5

Désamidonnation



Extrusion[Extrait]

Centrifugation

Pré

-tr

ait

em

en

tsExtr

act

ion

Sépara

tion

Li

quid

e-

Solid

e

[Extrait clarifié]

Essorage



…

Zone de mélang

e

Zone de lavage

Eau de lavage92 L/h

Zone de séparation

Liquide/Solide

Extrait d’hémicelluloses

115 kg/h

Raffinat40 kg/h

Zone de convoyage

Pâte de son45.3 kg/h

Paille17.7 kg/h

Chauffage par

induction

Filtre

Axe et Profil de vis(150 tours/min)

• Conditions expérimentalesSon/Soude = 2; Paille/Son = 6.2Alim Eau = 92 L/h ( L/S = 5.9); T°C = 50°CDébit de MS entrante: 15 kg/h.

(Source: Maréchal et al. 2004)


6

Désamidonnation



Extrusion[Extrait]

Centrifugation

Pré

-tr

ait

em

en

tsExtr

act

ion

Sépara

tion

Li

quid

e-

Solid

e

[Extrait clarifié]

Essorage



…

• La première séparation Liquide/Solide effectuée au niveau de la grille intégrée à l’extrudeur ne permet pas d’empêcher le passage de fines particules en suspension.

Essorage: Centrifugeuse à bolRousselet RC 50PxR,

Porosité 10 μm20 kg/h à 2000 rpm

Centrifugation:Centrifugeuse à assietteClara 20 LAPX Alfa Laval200 kg/h à 9000 rpm


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Evaporation

Conce

ntr

ati

on &

Puri

fica

tion

Pro

duit

fin

al

Poudre Poudre d’hémicellulosd’hémicellulos

eses

[Extrait purifié][Précipité

d’hémicelluloses]

Ultrafiltration

Lyophilisation

Atomisation

Précipitation

éthanolique

Chromatographie Echangeuse

d’ions

…



Evaporation sous vide0,1 bar

40°C

UltrafiltrationGE Healthcare, 30 kDa

PTM = 1.3barQP = 10L/h

Chromatographie échangeuse d’ions

Amberlite IRA958-Cl

Précipitation éthanolique

Acide acétique >> pH=53 Volume d’EtOH

Concentration de l’extraitPurification

Lyophilisation

AtomisationSéchage des poudres

L’Analyse de Cycle de Vie (ACV)L’Analyse de Cycle de Vie (ACV)

• Méthodologie qui fournit un moyen efficace et systématique pour évaluer les impacts environnementaux d'un produit, d'un service ou d'un procédé.

IntroductionLe procédé

ACVACVConclusions et Perspectives

Evaluation des impactsClassification (catégories

d’impacts)Caractérisation (Indicateurs

d’impacts)Evaluation des dommages

Analyse de l’inventaireCollecte des donnéesAffectation des flux

Bilan matière et énergie

Définition du champ de l’étude Objectifs

Frontières du systèmeUnité Fonctionnelle Interprétation

Identification des points significatifs

Evaluation

Conclusion et recommandations

Source: ISO 14044

• Dans la pratique, l’ACV est le plus souvent appliquée aux produits. Son application aux procédés est récente et de nombreux apports méthodologiques restent à développer.

Objectifs et champs de l’étude : Objectifs et champs de l’étude : (1) Objectifs(1) Objectifs

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Eco-conception d’un procédé de production d’un polymère végétal

OBJECTIFSOBJECTIFS• Faire une comparaison

entre les scenarii et entre les procédés unitaires

• Evaluer les impacts environnementaux générés par chaque étape du procédé

Objectifs et champs de l’étude: (2) Limites du système et Objectifs et champs de l’étude: (2) Limites du système et unité fonctionnelleunité fonctionnelle

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La matière première végétale est considérée comme déchet de la production de blé pour le grain, sa production n’est donc pas incluse dans les limites du système

Le procédé est supposé être développé à une échelle locale: les transports ne sont pas pris en compte

Les co-produits de ce procédé sont considérés comme des déchets, les valorisation éventuelles ne sont pas considérées pour le moment

La mise en place des infrastructures, leur maintenance et leur démantèlement ne sont pas pris en compteUnité fonctionnelle:

Produire 1kg de poudre d’hémicelluloses

Inventaire de productionInventaire de production

11Entrants Sortants



• (p) = vecteur d’inventaire de production

• Ecoinvent Facteurs d’émissions et d’extractions Par exemple: la production d’un 1kWh d’électricité nécessite

l’extraction de 6.61x10-05 kg d’aluminium et émet 1.01x10-01 kg de CO2 dans l’atmosphère

Matrice d’émissions et extractions (E)

• Matrice d’inventaire du cycle de vie: (M) = (p) * (E)

Evaluation des Impacts environnementauxEvaluation des Impacts environnementaux

• Impact 2002+ (Jolliet et al. 2003) est utilisée dans cette étude

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Matrice d’inventaire de

cycle de vie

Impacts environnementaux

Toxicité humaineAmincissement de la

couche d’ozoneToxicité aquatique

Réchauffement climatique

Etc.

Ii = Score d’impact pour une catégorie (i)Fs,i = Facteurs d’impact pour une substance (s) dans la catégorie d’impact (i)Ms= Matrice d’inventaire (masse de substance prélevée ou émise)



Ii= Σ Fs,i . Ms

Résultats et Interprétation: Résultats et Interprétation: Objectif 1, faire une comparaison entre les Objectif 1, faire une comparaison entre les procédés unitairesprocédés unitaires

• Objectif 1: Faire une comparaison entre les procédés unitaires

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Résultats et Interprétation: Résultats et Interprétation: Objectif 1, faire une comparaison entre les Objectif 1, faire une comparaison entre les procédés completsprocédés complets

14



• Objectif 1: Comparer les procédés entre eux

Résultats et Interprétation: Résultats et Interprétation: Objectif 2, identifier les points clefsObjectif 2, identifier les points clefs

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Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

• Développement d’un procédé d’extraction d’hémicelluloses mettant en jeu de techniques originales.

• ACV Comparaison / Identification des étapes prépondérantes

• Les perspectives de l'ACV: Réalisation d’une étude de sensibilité

• Elargissement des frontières du système:– Prise en compte des transports– Intégration de la production de la matière végétale dans les

limites– Valorisation des co-produits (raffinat ligno-cellulosique, amidon)

Modifications des hypothèses• Etude de l’impact du recyclage de l’éthanol

• ACV et procédés Une approche détaillée pour la prise en compte des conditions

opératoires dans l’ACV 16


ACVConclusions et PerspectivesConclusions et Perspectives

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RemerciemenRemerciementsts

Merci pour votre Merci pour votre attention!attention!

Si vous avez des Si vous avez des questions…questions…

Pourquoi le blé ?Pourquoi le blé ?

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Production de 38 millions de tonnes de

grains (blé tendre et blé dur confondus).

(Source: ADEME)



• Source de plusieurs co-produits : Estimation des disponibilités (Source ADEME)

• Pailles: 10 millions de tonnes/an• Sons: Coproduits de meunerie largement disponibles

• Une céréale largement cultivée en France :

Le blé: Composition et voies de valorisationLe blé: Composition et voies de valorisation

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Composition PailleMaréchal (2001)

Son désamidonnéBataillon (1998)

Cellulose (%MS) 40,8 25,0 Hémicelluloses (%MS) 31,7 45,0Lignines (%MS) 10,0 3,0Protéines (%MS) 2,4 9,0Lipides (%MS) n.d. 6,0Cendres (%MS) 5,9 1,0

ARABINOXYLANESARABINOXYLANES: Propriétés épaississantes, gélifiantes Capacités filmogènes.

(Source: Gröndahl, 2004. Anderson 2007)

« Tout polysaccharide autre que la cellulose et les substances pectiques qui peut être extrait des parois des cellules végétales par des solutions alcalines. »

Structure chimique:Structure chimique:Squelette linéaire de D-Xylopyranose lié en β(1-4)

et substitué par des sucres acides ou neutres (acide glucuronique, arabinose, glucose)



Quelques rendements…

• Rendements en Arabinoxylanes

Rdt X +A 24.3 % 25.7 % 24.6% 25.44 %

Rendements = Contenu en Arabinoxylanes de la poudre / Arabinoxylanes introduites avec le son

Caractéristiques des poudres obtenuesCaractéristiques des poudres obtenues

• Rendements et composition en oses des poudres obtenues

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• Pureté et rendements inférieurs à une extraction en batch, mais: Production continue + Echelle pilote production plus large Valorisation des coproduits (raffinat ligno-cellulosique) Faible utilisation d’eau et de soude

• Caractéristiques des film obtenus par extrusion monovis: Contrainte à la rupture: 1MPa < σRH < 1,5MPa; Module d’élasticité: entre 2 et 3 Gpa; Elongation à la rupture: entre 30 et 35%.

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