Study of the bioconversion of hemp (cannabis sativa) and alfa (stipa tenacissima) by thermomechanical pretreatment in the presence of an acid or alkaline catalyst
Etude de la bioconversion de la chènevotte (cannabis sativa) et de l’alfa (stipa tenacissima) par prétraitement thermomécanique en présence d’un catalyseur acide ou alcalin
Résumé
In a context of an awareness of energy consumption and environmental preservation, this thesis aims to respond through the study of a process of bioethanol fuel production from lignocellulosic biomass (LCB). LCB, which is an important source of cellulose, is a hydrolyzable polymer by enzymatic action and provides monomer sugars fermentable into ethanol. The complex and recalcitrant structure of the lignocellulosic matrix (cellulose, hemicellulose, lignin) is a major obstacle to enzymatic attack and requires a pretreatment step to disrupt the physico-chemical barriers facing the accessibility of enzymes to the cellulosic polymers. The study of a hydrothermomechanical pretreatment combined with acid or alkali catalyst in low concentrations was carried out on two materials: hemp hurds (by-product of industrial hemp) and alfa (endemic plant in Morocco). The characterization of the two substrates showed the interesting potential in holocellulose for the bioconversion process and the analysis of pretreatment step results showed significant changes in the internal structure (FTIR, DRX), morphology (MEB), adsorption properties (BET) and chemical composition compared to the native raw materials. Increasing the specific surface area allowed improved hydrolysis yields due to better accessibility of enzymes to cellulosic polymers. From an environmental point of view, impregnation by spraying, by limiting the generation of residual liquid fractions, is more advantageous than impregnating by immersion. Hemp hurds, with its hardwood structure, showed a neutralizing capacity and required more quantities of acid catalyst compared to alfa. The experimental design aimed for the determination of pretreatment optimal conditions that maximize sugar yield and was carried out in both acid and alkali conditions. This method was also used for studying and optimisation of enzymatic hydrolysis conditions. Sugar yields of 90 and 83.2% for sulphuric acid pretreatment and sodium hydroxide were respectively achieved. Fermentation tests of the glucose enriched hydrolysate produced yields of 54.1 and 46.4% in ethanol.
Dans un contexte d’une prise de conscience en matière de consommation énergétique et de préservation de l’environnement, cette thèse vise à répondre à cette problématique à travers l’étude d’un procédé de production d’éthanol-carburant à partir de la biomasse lignocellulosique (BLC). La BLC, qui représente une source importante en cellulose, constitue un polymère hydrolysable par action enzymatique en fournissant des sucres monomères fermentescibles en éthanol. La structure complexe et récalcitrante de la matrice lignocellulosique (cellulose, hémicellulose, lignine) constitue un frein majeur à l’attaque enzymatique, d’où la nécessité d’une étape de prétraitement afin de perturber les barrières physico-chimiques devant l’accessibilité des enzymes aux polymères cellulosiques. L’étude d’un prétraitement hydrothermomécanique combiné à un catalyseur acide ou basique en faible concentration a été réalisée sur deux substrats ; chènevotte (sous-produit du chanvre industriel) et l’alfa (plante endémique au Maroc). La caractérisation des deux substrats a montré leur potentiel intéressant en holocellulose pour le procédé de bioconversion et les résultats d’analyse après prétraitement ont montré des modifications importantes de la structure interne (FTIR, DRX), de la morphologie (MEB), des propriétés d’adsorption (BET) et de composition chimique par rapport à l’état natif. L’augmentation de la surface spécifique des deux substrats prétraités a permis d’améliorer les rendements d’hydrolyse grâce à une meilleure accessibilité des enzymes aux polymères cellulosiques. D’un point de vue environnemental, l’imprégnation par aspersion, en limitant la génération de fractions liquides résiduelles, reste plus avantageuse que l’imprégnation par immersion de la matière. La structure de la chènevotte, s’apparentant à celle du bois dur, a manifesté une certaine capacité de neutralisation exigeant une consommation supplémentaire en acide comparée à l’alfa. L’étude par la méthode des plans d’expériences visant à la détermination des conditions optimales du prétraitement qui maximise le rendement en sucres récupérés a été réalisée en milieu acide et alcalin. Les conditions d’hydrolyse enzymatique ont également été étudiées et optimisées par cette méthode. Des rendements maximums en sucres de 90 et 83,2% pour le prétraitement à l’acide sulfurique et l’hydroxyde de sodium ont été respectivement obtenus. Des essais de fermentation de l’hydrolysat enrichi en glucose ont permis d’atteindre des rendements de 54,1 et 46,4% en éthanol.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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