Combination of chemical-mechanical pretreatement of rice straw in semi-humid pathway : effects on physical, rheological and reactivity properties

La biomasse lignocellulosique (LC) est considérée comme une alternative prometteuse pour produire des biocarburants, mais aussi extraire des biomolécules et synthons pour la synthèse de polymères et des matériaux afin de les substituer à ceux issues de la pétrochimie. La biomasse LC est principalement composée de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Sa nature composite et sa microstructure matricielle hétérogène rendent difficiles sa digestibilité et sa bioconversion. Le prétraitement de la biomasse LC est une étape indispensable permettant de dissocier la matrice LC et d'améliorer l'accessibilité des polymères pariétaux, étape-clé notamment pour la production de synthons. Le fractionnement par voie sèche des LC s'insère dans les schémas de bioraffinerie de la biomasse avec des arguments favorable à la durabilité (pas d'eau consommée, pas de séchage, pas d'effluents). L'amélioration de la résolution du fractionnement, la réduction de la dépense énergétique et l'amplification de la réactivité/fonctionnalité des produits constituent des objectifs de recherche prioritaires dans le champ du fractionnement sec. Un des inconvénients de l'opération de broyage de la LC native est son importante consommation énergétique. La mise en œuvre de prétraitements modérés qui favorisent la broyabilité de la matrice LC et l'accessibilité aux molécules d'intérêt, peut permettre (i) d'améliorer la résolution du fractionnement, (ii) réduire très significativement l'énergie de broyage et (iii) amplifier la réactivité des produits.L'objectif de la thèse porte sur l'analyse de la mise en œuvre de prétraitements chimiques couplés au fractionnement mécanique de paille de riz, qui a été choisie comme substrat valorisable de référence. Cette étude s'appuie notamment sur un procédé innovant de prétraitement chimique par voie semi-humide, qui permet de fragiliser et déstructurer la matrice LC afin de faciliter une déconstruction mécanique. Le couplage de procédés chimio-mécaniques semi-humide ont permis à la fois d'augmenter la réactivé des produits et de diminuer la consommation énergétique ainsi que supprimer certaines étapes et ne pas générer des effluents. Les résultats du fractionnement par voie sèche ont montré que la combinaison d'un broyage ultrafin et d'une séparation est une alternative de bioraffinerie technique pour obtenir des fractions intéressantes pour différentes propriétés. Ces résultats permettent d'améliorer les méthodes de prétraitements adaptées aux plusieurs types de biomasse dans la bioraffinerie des LC. Une approche hydro-texturale à l'échelle des particules est ensuite proposée pour identifier les mécanismes de fractionnement et évaluer l'impact des prétraitements chimiques. Le rôle de la microstructure dans les prétraitements chemo-mécaniques est notamment analysé par le biais de l'étude des transferts d'eau dans les poudres (imbibition et séchage). Une caractérisation physique des poudres complète la description des propriétés conférées aux pailles de riz broyées. Au-delà des résultats spécifiques aux pailles de riz, cette étude a été conduite de façon a présenter un degré de généricité suffisant pour extrapoler la démarche et les connaissances acquises au traitement d'autres biomasses annuelles ou pérennes.La biomasse lignocellulosique (LC) est considérée comme une alternative prometteuse pour produire des biocarburants, mais aussi extraire des biomolécules et synthons pour la synthèse de polymères et des matériaux afin de les substituer à ceux issues de la pétrochimie. La biomasse LC est principalement composée de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Sa nature composite et sa microstructure matricielle hétérogène rendent difficiles sa digestibilité et sa bioconversion. Le prétraitement de la biomasse LC est une étape indispensable permettant de dissocier la matrice LC et d'améliorer l'accessibilité des polymères pariétaux, étape-clé notamment pour la production de synthons. Le fractionnement par voie sèche des LC s'insère dans les schémas de bioraffinerie de la biomasse avec des arguments favorable à la durabilité (pas d'eau consommée, pas de séchage, pas d'effluents). L'amélioration de la résolution du fractionnement, la réduction de la dépense énergétique et l'amplification de la réactivité/fonctionnalité des produits constituent des objectifs de recherche prioritaires dans le champ du fractionnement sec. Un des inconvénients de l'opération de broyage de la LC native est son importante consommation énergétique. La mise en œuvre de prétraitements modérés qui favorisent la broyabilité de la matrice LC et l'accessibilité aux molécules d'intérêt, peut permettre (i) d'améliorer la résolution du fractionnement, (ii) réduire très significativement l'énergie de broyage et (iii) amplifier la réactivité des produits.L'objectif de la thèse porte sur l'analyse de la mise en œuvre de prétraitements chimiques couplés au fractionnement mécanique de paille de riz, qui a été choisie comme substrat valorisable de référence. Cette étude s'appuie notamment sur un procédé innovant de prétraitement chimique par voie semi-humide, qui permet de fragiliser et déstructurer la matrice LC afin de faciliter une déconstruction mécanique. Le couplage de procédés chimio-mécaniques semi-humide ont permis à la fois d'augmenter la réactivé des produits et de diminuer la consommation énergétique ainsi que supprimer certaines étapes et ne pas générer des effluents. Les résultats du fractionnement par voie sèche ont montré que la combinaison d'un broyage ultrafin et d'une séparation est une alternative de bioraffinerie technique pour obtenir des fractions intéressantes pour différentes propriétés. Ces résultats permettent d'améliorer les méthodes de prétraitements adaptées aux plusieurs types de biomasse dans la bioraffinerie des LC. Une approche hydro-texturale à l'échelle des particules est ensuite proposée pour identifier les mécanismes de fractionnement et évaluer l'impact des prétraitements chimiques. Le rôle de la microstructure dans les prétraitements chemo-mécaniques est notamment analysé par le biais de l'étude des transferts d'eau dans les poudres (imbibition et séchage). Une caractérisation physique des poudres complète la description des propriétés conférées aux pailles de riz broyées. Au-delà des résultats spécifiques aux pailles de riz, cette étude a été conduite de façon a présenter un degré de généricité suffisant pour extrapoler la démarche et les connaissances acquises au traitement d'autres biomasses annuelles ou pérennes

Couplage de procédés de prétraitements chimio-mécaniques de la paille de riz en voie semi-humide : effets sur les propriétés physicochimiques, rhéologiques et réactivité

La biomasse lignocellulosique (LC) est considérée comme une alternative prometteuse pour produire des biocarburants, mais aussi extraire des biomolécules et synthons pour la synthèse de polymères et des matériaux afin de les substituer à ceux issues de la pétrochimie. La biomasse LC est principalement composée de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Sa nature composite et sa microstructure matricielle hétérogène rendent difficiles sa digestibilité et sa bioconversion. Le prétraitement de la biomasse LC est une étape indispensable permettant de dissocier la matrice LC et d'améliorer l'accessibilité des polymères pariétaux, étape-clé notamment pour la production de synthons. Le fractionnement par voie sèche des LC s'insère dans les schémas de bioraffinerie de la biomasse avec des arguments favorable à la durabilité (pas d'eau consommée, pas de séchage, pas d'effluents). L'amélioration de la résolution du fractionnement, la réduction de la dépense énergétique et l'amplification de la réactivité/fonctionnalité des produits constituent des objectifs de recherche prioritaires dans le champ du fractionnement sec. Un des inconvénients de l'opération de broyage de la LC native est son importante consommation énergétique. La mise en œuvre de prétraitements modérés qui favorisent la broyabilité de la matrice LC et l'accessibilité aux molécules d'intérêt, peut permettre (i) d'améliorer la résolution du fractionnement, (ii) réduire très significativement l'énergie de broyage et (iii) amplifier la réactivité des produits.L'objectif de la thèse porte sur l'analyse de la mise en œuvre de prétraitements chimiques couplés au fractionnement mécanique de paille de riz, qui a été choisie comme substrat valorisable de référence. Cette étude s'appuie notamment sur un procédé innovant de prétraitement chimique par voie semi-humide, qui permet de fragiliser et déstructurer la matrice LC afin de faciliter une déconstruction mécanique. Le couplage de procédés chimio-mécaniques semi-humide ont permis à la fois d'augmenter la réactivé des produits et de diminuer la consommation énergétique ainsi que supprimer certaines étapes et ne pas générer des effluents. Les résultats du fractionnement par voie sèche ont montré que la combinaison d'un broyage ultrafin et d'une séparation est une alternative de bioraffinerie technique pour obtenir des fractions intéressantes pour différentes propriétés. Ces résultats permettent d'améliorer les méthodes de prétraitements adaptées aux plusieurs types de biomasse dans la bioraffinerie des LC. Une approche hydro-texturale à l'échelle des particules est ensuite proposée pour identifier les mécanismes de fractionnement et évaluer l'impact des prétraitements chimiques. Le rôle de la microstructure dans les prétraitements chemo-mécaniques est notamment analysé par le biais de l'étude des transferts d'eau dans les poudres (imbibition et séchage). Une caractérisation physique des poudres complète la description des propriétés conférées aux pailles de riz broyées. Au-delà des résultats spécifiques aux pailles de riz, cette étude a été conduite de façon a présenter un degré de généricité suffisant pour extrapoler la démarche et les connaissances acquises au traitement d'autres biomasses annuelles ou pérennes.La biomasse lignocellulosique (LC) est considérée comme une alternative prometteuse pour produire des biocarburants, mais aussi extraire des biomolécules et synthons pour la synthèse de polymères et des matériaux afin de les substituer à ceux issues de la pétrochimie. La biomasse LC est principalement composée de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Sa nature composite et sa microstructure matricielle hétérogène rendent difficiles sa digestibilité et sa bioconversion. Le prétraitement de la biomasse LC est une étape indispensable permettant de dissocier la matrice LC et d'améliorer l'accessibilité des polymères pariétaux, étape-clé notamment pour la production de synthons. Le fractionnement par voie sèche des LC s'insère dans les schémas de bioraffinerie de la biomasse avec des arguments favorable à la durabilité (pas d'eau consommée, pas de séchage, pas d'effluents). L'amélioration de la résolution du fractionnement, la réduction de la dépense énergétique et l'amplification de la réactivité/fonctionnalité des produits constituent des objectifs de recherche prioritaires dans le champ du fractionnement sec. Un des inconvénients de l'opération de broyage de la LC native est son importante consommation énergétique. La mise en œuvre de prétraitements modérés qui favorisent la broyabilité de la matrice LC et l'accessibilité aux molécules d'intérêt, peut permettre (i) d'améliorer la résolution du fractionnement, (ii) réduire très significativement l'énergie de broyage et (iii) amplifier la réactivité des produits.L'objectif de la thèse porte sur l'analyse de la mise en œuvre de prétraitements chimiques couplés au fractionnement mécanique de paille de riz, qui a été choisie comme substrat valorisable de référence. Cette étude s'appuie notamment sur un procédé innovant de prétraitement chimique par voie semi-humide, qui permet de fragiliser et déstructurer la matrice LC afin de faciliter une déconstruction mécanique. Le couplage de procédés chimio-mécaniques semi-humide ont permis à la fois d'augmenter la réactivé des produits et de diminuer la consommation énergétique ainsi que supprimer certaines étapes et ne pas générer des effluents. Les résultats du fractionnement par voie sèche ont montré que la combinaison d'un broyage ultrafin et d'une séparation est une alternative de bioraffinerie technique pour obtenir des fractions intéressantes pour différentes propriétés. Ces résultats permettent d'améliorer les méthodes de prétraitements adaptées aux plusieurs types de biomasse dans la bioraffinerie des LC. Une approche hydro-texturale à l'échelle des particules est ensuite proposée pour identifier les mécanismes de fractionnement et évaluer l'impact des prétraitements chimiques. Le rôle de la microstructure dans les prétraitements chemo-mécaniques est notamment analysé par le biais de l'étude des transferts d'eau dans les poudres (imbibition et séchage). Une caractérisation physique des poudres complète la description des propriétés conférées aux pailles de riz broyées. Au-delà des résultats spécifiques aux pailles de riz, cette étude a été conduite de façon a présenter un degré de généricité suffisant pour extrapoler la démarche et les connaissances acquises au traitement d'autres biomasses annuelles ou pérennes

Adsorption of Cationic Contaminants by Cyclodextrin Nanosponges Cross-Linked with 1,2,3,4-Butanetetracarboxylic Acid and Poly(vinyl alcohol)

Cationic organic pollutants (dyes and pesticides) are mainly hydrosoluble and easily contaminate water and create a serious problem for biotic and abiotic species. The elimination of these dangerous contaminants from water was accomplished by adsorption using cyclodextrin nanosponges. These nanosponges were elaborated by the cross-linking between 1,2,3,4-butanetetracarboxylic acid and β-cyclodextrin in the presence of poly(vinyl alcohol). Their physicochemical characteristics were characterized by gravimetry, acid-base titration, TGA, 13C NMR, ATR-FTIR, Raman, X-ray diffraction, and Stereomicroscopy. The BP5 nanosponges displayed 68.4% yield, 3.31 mmol/g COOH groups, 0.16 mmol/g β-CD content, 54.2% swelling, 97.0% PQ removal, 96.7% SO removal, and 98.3% MG removal for 25 mg/L of initial concentration. The pseudo-second-order model was suitable for kinetics using 180 min of contact time. Langmuir isotherm was suitable for isotherm with the maximum adsorption of 120.5, 92.6, and 64.9 mg/g for paraquat (PQ), safranin (SO), and malachite green (MG) adsorption, respectively. Finally, the reusability performance after five regeneration times reached 94.1%, 91.6%, and 94.6% for PQ, SO, and MG adsorption, respectively

Adsorption of Paraquat by Poly(Vinyl Alcohol)-Cyclodextrin Nanosponges

The contamination of hydrosoluble pesticides in water could generate a serious problem for biotic and abiotic components. The removal of a hazardous agrochemical (paraquat) from water was achieved by adsorption processes using poly(vinyl alcohol)-cyclodextrin nanosponges, which were prepared with various formulations via the crosslinking between citric acid and β-cyclodextrin in the presence of poly(vinyl alcohol). The physicochemical properties of nanosponges were also characterized by different techniques, such as gravimetry, thermogravimetry, microscopy (SEM and Stereo), spectroscopy (UV-visible, NMR, ATR-FTIR, and Raman), acid-base titration, BET surface area analysis, X-ray diffraction, and ion exchange capacity. The C10D-P2 nanosponges displayed 60.2% yield, 3.14 mmol/g COOH groups, 0.335 mmol/g β-CD content, 96.4% swelling, 94.5% paraquat removal, 0.1766 m2 g−1 specific surface area, and 5.2 × 10−4 cm3 g−1 pore volume. The presence of particular peaks referring to specific functional groups on spectroscopic spectra confirmed the successful polycondensation on the reticulated nanosponges. The pseudo second-order model (with R2 = 0.9998) and Langmuir isotherm (with R2 = 0.9979) was suitable for kinetics and isotherm using 180 min of contact time and a pH of 6.5. The maximum adsorption capacity was calculated at 112.2 mg/g. Finally, the recyclability of these nanosponges was 90.3% of paraquat removal after five regeneration times

Dry fractionation of straw prior to biofuels production

Biofuel production from agricultural residues (i.e. lignocellulose) has been recently investigated as a renewable energy alternative to current fossil fuels. Lignocellulosic biomass is one of the most important carbon sources, with remarkable potential as raw material for the production of several valuable products (e.g. chemicals, materials and biofuels). The separation of lignocellulose into its major components (cellulose, hemicelluloses and lignin) is a key step in lignocellulosic biorefineries. Most pretreatments of lignocellulosic biomass into chemicals or biofuels are currently based on expensive chemical and energy consuming processes, which entail significant resource consumption (e.g. water) and generate a number of residual streams. In this work, an innovative dry fractionation technologies (physical fractionation: electrostatic separation of lignocellulose particles) have been developed for straw fractionation and bioconversion to sugars and biofuels. Electrostatic fractionation technology (EF-T) is based on the separation of particles according to their surface properties (chemical composition and charges). EF-T is suitable for producing lignocellulose fractions displaying very different structures, biochemical compositions and reactive surfaces without extensively damaging the raw fibers as well as minimizing waste generation (Environmental-factor: 0.7–0.75). The produced fractions could be hydrolyzed, being able to produce large quantities of glucose (250–280 g kg-1) after 72 h of hydrolysis and subsequently ethanol (130–150 g kg-1) after fermentation. EF-T can therefore improve the economic feasibility by low energy consumption and produce reactive lignocellulose particles with different physicochemical structures in a short time, which can be easily converted to biofuels, minimizing waste (no effluent generation)

Analysis of ground rice straw with a hydro-textural approach

The lignocellulosic material contained in agricultural residues like straws, represents a resource with many points of biomolecular interest but their extraction is subject to a succession of treatments highly energy-consuming and generating effluents. Due to the strength of the supramolecular structure of the lignocellulosic matrix at various levels, it is difficult to improve the efficiency of separation processes for these materials. The utilization of biomass constituents often requires pretreatment, which is a crucial step in the separation into constituents. The rice straw must firstly be fractionated by grinding, which can also require pretreatment to improve efficiency. The question arises as to how best to identify and model the mechanisms involved in the grinding process with or without pretreatment. The aim of this study was to complete the characterization of the grinding process using a hydro-textural approach applied to biopowders to help with identification of the mechanisms involved. Experimental trials were conducted with rice straw through several milling steps, which led to decreasing particle sizes. The physical properties (density, cohesion, coefficient of friction, ability to flow) were characterized for some of the obtained powders, which were then described with a hydro-textural diagram. The results reveal that the breakdown process led to a “loss of porosity” regardless of the size of the powder particles. The fragmentation seemed to be located in the “zones of stronger porosities”. These structures containing residual water, decreased weakly with grinding. Assuming that the water was located within cells of the straw (intracellular water), given the power law, which correlates compactness to median diameter (d50), we introduced a characteristic size, which corresponds to the physical limit of optimal grinding. Its value, calculated from the model, is nearly equal to the cell wall thickness: View the MathML sourcelimϕ→1d50=ecell.~2μm

Bioethanol Production by Pichia stipitis Immobilized on Water Hyacinth and Thin-Shell Silk Cocoon

Cell immobilization technique was applied in this study in order to examine effect of immobilized Pichia stipitis TISTR5806 on bioethanol production. Water hyacinth (WH) and thin-shell silk cocoon (CC) were used as cell carriers. Characteristics of the cell carriers were examined to explain the mechanism of bioethanol production. Carrier sizes and weights were optimized to improve bioethanol production. Moreover, stabilities of immobilized cells and carriers were evaluated. Because of high porosity, high surface area and good swelling ability of WH, cell immobilized on 1 g WH with 1 cm length produced the highest ethanol concentration at 13.3 g/L. Five cycles of a repeated batch of immobilized cell (IC) system on WH showed stable performance in ethanol production (8.2–10.4 g/L) with large numbers of the immobilized cells. The interaction between the immobilized cells and the WH surface were discovered

Modeling of granular material's packing: Equivalence between vibrated solicitations and consolidation

A granular material submitted to regular vertical vibrations such as those applied by a “tap-tap”, undergoes a progressive densification whose kinetic can be modelled by several empirical or heuristic models. These models, which correlate the experimental data of densification, use fitting parameters which are not related with a “local physics”. One of these famous models is the three parameters model of the James Frank Institute of Chicago [Knight et al., Phys. Rev. E 51, 3957 (1995)]. This relation makes it possible to highlight two stages: a short first stage during which the relaxation occurs quickly and a second stage during which the steady state is reached asymptotically for very long times. Boutreux and de Gennes [Boutreux and De Gennes, Physica 244, 59 (1997)] gave a theoretical justification of this equation by using an approach based on arguments of free volume and geometrical exclusion at the grain scale. On the other hand, on the basis of the works of Chicago's team, Lesaffre et al. [Lesaffre et al., C. R. Acad. Sci. Paris Série IV, 647 (2000)] developed a more general model that enables to describe the kinetics of relaxation of granular materials saturated with fluids of very different viscosities. This last work opens the field of saturated materials like soils. Nevertheless, these models require fitting parameters which are very dependent on the taps intensity and on the initial density. It has also been shown that these models did not succeed in describing with a good accuracy the final relaxation towards the steady state. The aim of this work is to develop a model describing the relaxation kinetic of a granular medium subjected to vertical vibrations. By using an approach of granular physics on one hand, and of soil mechanic on the other hand, the proposed model can be applied both to dry, saturated and unsaturated granular materials. The ability of this new model to describe the relaxation under taps for different granular materials and several water contents was successfully tested. A comparative study between this equation and other models of the literature makes it possible to compare the quality of the fitting with the experimental data

Performance of combined hydrochemo-mechanical pretreatment of rice straw for bioethanol production

Pretreatment was an inevitable process in the biorefinery process of lignocellulosic biomass utilization. Generally, biomass was considered an essential carbon source that could be converted into several bio-based products such as biofuels and biochemicals. This study aimed to evaluate the performance of combined hydrochemo-mechanical pretreatment of rice straw for bioethanol production. Rice straw was pretreated with autoclave followed by ball-milling pretreatment. The hydrochemical pretreatment was performed in an autoclave with different concentrations of NaOH (1 and 10%) at 121 °C for two different durations (30, 60 min). The pretreated biomasses were then subjected to ball-milling pretreatment for size reduction and subsequently hydrolyzed via enzymatic and bioethanol fermentation. The obtained results indicated that the highest reducing sugars were 0.4513 kg reducing sugar/kg biomass obtained by 1% of NaOH at 121 °C, 30 min, which provided the highest energy efficiency and the lowest waste generation was 0.1423 kg reducing sugar/kWh and 0.2570 kg of waste/kg reducing sugar respectively. Moreover, the highest bioethanol yield was 0.0491 kg/kg biomass obtained from a similar condition. Additionally, the combined pretreatment suggested that it could be an alternative pretreatment for a lignocellulosic biorefinery in industrial applications

Eco-friendly dry chemo-mechanical pretreatments of lignocellulosic biomass : impact on energy and yield of the enzymatic hydrolysis

In this study, we developed an eco-friendly dry alkaline chemomechanical pretreatment of wheat straw without production of waste and liquid fractions with objective to save energy input, to decrease the environmental impact and to increase enzymatic hydrolysis. Wheat straw was pretreated with NH3, NaOH-H2O2, NH3-H2O2 and NaOH at high materials concentration (5 kg/L) equivalent to biomass/liquid ratio of 1/5 (dry chemomechanical) and at low materials concentration (0.2 kg/L) equivalent to biomass/liquid ratio of 5/1 (dilute chemomechanical). Untreated and chemical treated wheat straw samples were subjected to grinding and milling following by enzymatic hydrolysis with commercial cellulases. NaOH and NaOH-H2O2 dry chemomechanical pretreatments were found to be more effective in decreasing the particle size and energy consumption and increasing the surface area. However, alkaline dilute-chemomechanical treatments consumed higher amounts of water (5 L water/1 kg biomass) and energy compared to dry-chemomechanical treatments. In point of fact, the lowest energy efficiency obtained was 0.417 kg glucose kW h(-1) for dilute-chemomechanical treatments compared to 0.888 kg glucose kW h(-1) glucose kW h(-1) for dry-chemomechanical treatments. Alkaline dry-chemomechanical pretreatments approach appears more attractive and efficient in terms of glucose, energy efficiency and environmental impact, compared to conventional alkaline chemomechanical pretreatments