Une approche multi-échelle pour comprendre et prévoir les effets de la cuisson acide sur la biomasse lignocellulosique

Lignocellulosic biomass is a promising feedstock for the production of renewable fuels and bio-based chemicals. However, due to the recalcitrant macromolecular structure of plant stems, a pretreatment is required to make carbohydrates sufficiently accessible for enzymatic hydrolysis. Among the large range of available processes, steam explosion stands out, as it requires no additional solvent and can be applied to a variety of raw materials. It consists of two steps: a hydrothermal treatment followed by a sudden decompression.Biomass alterations during hydrothermal treatment have a great impact on the explosion and the subsequent steps of bioethanol production. Caused by chemical alterations, these modifications are reflected at multiple spatial levels. For this reason, a multiscale approach is proposed in the present work, with the ultimate goal of providing macroscopic mechanical indicators of the treatment kinetics likely to give rules to optimize the residence time and treatment temperature during hydrothermal treatment. To understand how the mechanical behavior at the macroscopic scale is affected by the changes in the properties at molecular and microscopic scales during treatment, three disciplines – mechanics, chemistry and imaging techniques – were combined. Because of its fast growth and low need of fertilizers, poplar (Populus euro-americana ‘Koster’) was used as model biomass for this study.At the microscopic level, the use of Raman confocal microscopy revealed that chemical alterations depend on the organization of the different components within the cell wall and their interactions with each other. The unique combination of this technique with X-ray nano-tomography provided a global vision of the degradation of the cell wall after hydrothermal treatment, with valuable information on both topochemical and anatomical changes of the samples. Complimentary wet chemistry analysis allowed to quantify the concomitant hydrolysis and degradation of biomass.At a macroscopic level, an in-house developed device was improved to accurately perform continuous mechanical tests on macroscopic solid samples (various combinations of strain and stress) under water-saturated conditions up to 190 °C. The effect of residence time is therefore continuously monitored. Through elasticity and stress relaxation measurements, viscoelastic properties were used to compare different treatment conditions (temperature levels and acidity). Finally, this device allowed the kinetics of sample shrinkage to be measured. From these results a DAEM model was identified. The degree of conversion of the biomass, as calculated from this model, is able to predict the change of physical and chemical characteristics for any time-temperature pathway. These findings prove that shrinkage is an excellent indicator of the chemical degradation of lignocellulosic biomass during the hydrothermal treatment.La biomasse lignocellulosique est une matière première prometteuse pour la production de biocarburants et de produits chimiques renouvelables. Cependant, en raison de la structure macromoléculaire récalcitrante des tiges de plantes, un prétraitement est nécessaire pour rendre les glucides suffisamment accessibles pour l'hydrolyse enzymatique. Parmi la vaste gamme de prétraitements disponibles, l'explosion à la vapeur se distingue car elle ne nécessite pas de solvant et peut être appliquée à diverses matières premières. Elle se déroule en deux étapes : une cuisson acide suivie d'une décompression brutale.Les modifications subies par la biomasse lors de la cuisson acide ont un impact important sur la phase explosive et les étapes ultérieures de la production de bioéthanol. Elles affectent ainsi largement la rentabilité de l'ensemble de la chaîne de production. Ayant pour origine des altérations chimiques, ces modifications sont observables à de multiples échelles.C'est pourquoi une approche multi-échelle est proposée dans ce travail, avec pour objectif ultime de fournir des indicateurs mécaniques macroscopiques de la cinétique du traitement, susceptibles de donner des règles pour optimiser le temps de séjour et la température de la cuisson acide. Pour comprendre comment le comportement mécanique à l'échelle macroscopique est affecté par les changements de propriétés à l'échelle moléculaire et microscopique au cours du traitement, trois disciplines – mécanique, chimie et imagerie – ont été combinées. En raison de sa croissance rapide et de son faible besoin en engrais, le peuplier (Populus euro-americana 'Koster') a été utilisé comme biomasse modèle pour cette étude.Au niveau microscopique, la microscopie confocale Raman a révélé que les altérations chimiques dépendent de l'organisation des différents composants à l'intérieur de la paroi cellulaire et de leurs interactions entre eux. La combinaison unique de cette technique avec la nano-tomographie à rayons X a permis d'obtenir une vision globale de la dégradation de la paroi cellulaire après la cuisson acide, avec des informations précieuses sur les modifications topochimiques et anatomiques des échantillons. Des analyses chimiques complémentaires ont permis la quantification de l'hydrolyse concomitante de la biomasse.Au niveau macroscopique, un dispositif développé préalablement au sein du laboratoire a été amélioré pour effectuer avec précision des essais mécaniques continus de la biomasse (diverses combinaisons de contraintes et de déformations) dans des conditions de saturation en eau jusqu'à 190 °C. L'effet du temps de séjour est donc suivi en continu. Grâce à des mesures d'élasticité et de relaxation, les propriétés viscoélastiques ont été utilisées pour comparer différentes conditions de traitement (température et acidité). Enfin, ce dispositif a permis de mesurer pour la première fois la cinétique du retrait de l'échantillon lors de ce type de traitement, à partir de laquelle un modèle DAEM a été identifié. Le degré de conversion de la biomasse, calculé à partir de ce modèle, est capable de prédire l'évolution des caractéristiques physiques et chimiques en fonction des conditions de traitement. Ces résultats prouvent que le retrait est un excellent indicateur de la dégradation chimique de la biomasse lignocellulosique lors de la cuisson acide

Une approche multi-échelle pour comprendre et prévoir les effets de la cuisson acide sur la biomasse lignocellulosique

Lignocellulosic biomass is a promising feedstock for the production of renewable fuels and bio-based chemicals. However, due to the recalcitrant macromolecular structure of plant stems, a pretreatment is required to make carbohydrates sufficiently accessible for enzymatic hydrolysis. Among the large range of available processes, steam explosion stands out, as it requires no additional solvent and can be applied to a variety of raw materials. It consists of two steps: a hydrothermal treatment followed by a sudden decompression.Biomass alterations during hydrothermal treatment have a great impact on the explosion and the subsequent steps of bioethanol production. Caused by chemical alterations, these modifications are reflected at multiple spatial levels. For this reason, a multiscale approach is proposed in the present work, with the ultimate goal of providing macroscopic mechanical indicators of the treatment kinetics likely to give rules to optimize the residence time and treatment temperature during hydrothermal treatment. To understand how the mechanical behavior at the macroscopic scale is affected by the changes in the properties at molecular and microscopic scales during treatment, three disciplines – mechanics, chemistry and imaging techniques – were combined. Because of its fast growth and low need of fertilizers, poplar (Populus euro-americana ‘Koster’) was used as model biomass for this study.At the microscopic level, the use of Raman confocal microscopy revealed that chemical alterations depend on the organization of the different components within the cell wall and their interactions with each other. The unique combination of this technique with X-ray nano-tomography provided a global vision of the degradation of the cell wall after hydrothermal treatment, with valuable information on both topochemical and anatomical changes of the samples. Complimentary wet chemistry analysis allowed to quantify the concomitant hydrolysis and degradation of biomass.At a macroscopic level, an in-house developed device was improved to accurately perform continuous mechanical tests on macroscopic solid samples (various combinations of strain and stress) under water-saturated conditions up to 190 °C. The effect of residence time is therefore continuously monitored. Through elasticity and stress relaxation measurements, viscoelastic properties were used to compare different treatment conditions (temperature levels and acidity). Finally, this device allowed the kinetics of sample shrinkage to be measured. From these results a DAEM model was identified. The degree of conversion of the biomass, as calculated from this model, is able to predict the change of physical and chemical characteristics for any time-temperature pathway. These findings prove that shrinkage is an excellent indicator of the chemical degradation of lignocellulosic biomass during the hydrothermal treatment.La biomasse lignocellulosique est une matière première prometteuse pour la production de biocarburants et de produits chimiques renouvelables. Cependant, en raison de la structure macromoléculaire récalcitrante des tiges de plantes, un prétraitement est nécessaire pour rendre les glucides suffisamment accessibles pour l'hydrolyse enzymatique. Parmi la vaste gamme de prétraitements disponibles, l'explosion à la vapeur se distingue car elle ne nécessite pas de solvant et peut être appliquée à diverses matières premières. Elle se déroule en deux étapes : une cuisson acide suivie d'une décompression brutale.Les modifications subies par la biomasse lors de la cuisson acide ont un impact important sur la phase explosive et les étapes ultérieures de la production de bioéthanol. Elles affectent ainsi largement la rentabilité de l'ensemble de la chaîne de production. Ayant pour origine des altérations chimiques, ces modifications sont observables à de multiples échelles.C'est pourquoi une approche multi-échelle est proposée dans ce travail, avec pour objectif ultime de fournir des indicateurs mécaniques macroscopiques de la cinétique du traitement, susceptibles de donner des règles pour optimiser le temps de séjour et la température de la cuisson acide. Pour comprendre comment le comportement mécanique à l'échelle macroscopique est affecté par les changements de propriétés à l'échelle moléculaire et microscopique au cours du traitement, trois disciplines – mécanique, chimie et imagerie – ont été combinées. En raison de sa croissance rapide et de son faible besoin en engrais, le peuplier (Populus euro-americana 'Koster') a été utilisé comme biomasse modèle pour cette étude.Au niveau microscopique, la microscopie confocale Raman a révélé que les altérations chimiques dépendent de l'organisation des différents composants à l'intérieur de la paroi cellulaire et de leurs interactions entre eux. La combinaison unique de cette technique avec la nano-tomographie à rayons X a permis d'obtenir une vision globale de la dégradation de la paroi cellulaire après la cuisson acide, avec des informations précieuses sur les modifications topochimiques et anatomiques des échantillons. Des analyses chimiques complémentaires ont permis la quantification de l'hydrolyse concomitante de la biomasse.Au niveau macroscopique, un dispositif développé préalablement au sein du laboratoire a été amélioré pour effectuer avec précision des essais mécaniques continus de la biomasse (diverses combinaisons de contraintes et de déformations) dans des conditions de saturation en eau jusqu'à 190 °C. L'effet du temps de séjour est donc suivi en continu. Grâce à des mesures d'élasticité et de relaxation, les propriétés viscoélastiques ont été utilisées pour comparer différentes conditions de traitement (température et acidité). Enfin, ce dispositif a permis de mesurer pour la première fois la cinétique du retrait de l'échantillon lors de ce type de traitement, à partir de laquelle un modèle DAEM a été identifié. Le degré de conversion de la biomasse, calculé à partir de ce modèle, est capable de prédire l'évolution des caractéristiques physiques et chimiques en fonction des conditions de traitement. Ces résultats prouvent que le retrait est un excellent indicateur de la dégradation chimique de la biomasse lignocellulosique lors de la cuisson acide

In situ measurements of viscoelastic properties of biomass during hydrothermal treatment to assess the kinetics of chemical alterations

International audienceThis work aimed to use continuous measurements of viscoelastic properties to evaluate the effect of hydrothermal treatment on poplar samples. Different conditions (temperature and pre-soaking liquid: acidic, neutral and alkaline) were tested on wood in both tangential and radial directions. Two viscoelastic properties were determined: the modulus of elasticity and the stress relaxation. The applicability of these properties as indicators of the kinetics of biomass deconstruction was also evaluated, thanks to the chemical analyses performed on the treated solid and the recovered liquid phase. The ultimate goal is to build a macroscopic indicator capable of establishing rules to optimize the hydrothermal treatment before the explosion stage. The joint use of the two parameters succeeded in revealing the effects of chemical degradation, including the coexistence of cleavage and re-condensation and the impact of process conditions (temperature, residence time, and pre-soaking liquid). The monotonous behavior of stress relaxation is a major asset as a possible macroscopic indicator of biomass deconstruction

Physical behavior of highly deformable products during convective drying assessed by a new experimental device

International audienceThis article presents an experimental device specially designed for the continuous measurement of mass and dimensions of samples submitted to convective drying. This experimental device consists of a magnetic suspension balance and an image acquisition system. The sample deformation is determined by image correlation using a custom software. The entire system is able to achieve accurate mass and dimension measurements over a wide range of temperature and relative humidity. To present the potential of this equipment, experimental data of highly deformable food products (potato and apple) submitted to several drying conditions are presented. The obtained results confirm that it is required to consider the actual sample surface to determine the mass flux. This allowed a first drying stage to be observed for potato. Clear differences in physical behavior of these two vegetable products were also observed, for example, an isotropic shrinkage behavior for potato and an anisotropic behavior for apple. These results were explained by the anatomical structure of the products

A new experimental device to monitor mass and dimensions of samples during convective drying

International audienceThis article presents the results obtained from an experimental device designed forthe accurate determination of hygroscopic and dimensional properties during convectivedrying. During drying, the mass and dimensions of the sample are continuously measuredwith a suspension magnetic balance and a digital camera, respectively. Experiments werecarried out on cylindrical samples of potatoes. Three drying kinetics were tests. Potatosamples showed values of isotropicity always around 1.2, meaning that shrinkage was slightlymore important in the longitudinal direction

Biomass degradation during steam treatment assessed at the tissue and parietal scales

International audienc