Présentation sur le développement d'un procédé de production d'éthanol cellulosique à partir de la biomasse forestière.

1. Développement d’un procédé de production d’éthanol cellulosique à
partir de biomasse forestière
Mathieu Allaire
Pierre-Olivier Gendron
Jasmina Lahlah
Félicia Porqueres

2. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
L’émergence de l’éthanol
Éthanol de première génération depuis plusieursdeuxièmeon le
L’éthanol est utilisé comme carburant Éthanol de années et génération
décrit comme un carburant vert.
Maïs, céréales, canne à sucre. Biomasse
Mais on connais maintenant les problèmes engendrés par la production Gazéification
massive d’éthanol à partir de cultures alimentaires (maïs, céréales).
Prétraitement, hydrolyse
Saccharification
Flambée du prix des aliments.
Utilisation massive d’engrais et de pesticides.
Purification
L’utilisation de biomasse comme les résidus forestiers est une alternative.
Fermentation
Production d’éthanol au Québec !
Fermentation
A varenne le complexe Ethanol GreenField (éthanol de première génération et
Distillation
cellulosique) et Enerkem (gazéification).
Distillation
Tembec à Témiscaming.
Au Brésil l’éthanol carburant est
produit à partir de canne à sucre. Aux
États-Unis le maïs est la culture la plus
utilisée.

3. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
L’éthanol carburant au Québec
Plan d’action du gouvernement du Québec 2006-2012 sur les changements
climatiques.
Toute l’essence distribuée au Québec devrait contenir 5% d’éthanol.
Budget 2012-2013
Le gouvernement du Québec offre des avantages fiscaux pour la production
d’éthanol de deuxième génération.
Le gouvernement souhaite favoriser l’éthanol cellulosique plutôt que
l’éthanol de première génération.
Toute l’essence distribuée au Québec ?
8.5 milliards de litres distribuée en 2010 (statistiques Canada).
5% = 430 millions de litres par année.
GrenField 120 millions litres/an
Enerkem 38 millions
Tembec 15 millions

4. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
La place de la région dans ce nouveau marché
La région peut tirer avantage de son industrie forestière et de son territoire.
La biomasse lignocellulosique et agricole est présente en région et accessible.
L’expertise forestière et industrielle pour gérer la biomasse est présente.
Possibilité de production de cultures énergétiques à croissance rapide (saule,
peuplier) sur des terre non agricoles.
Photo Jean Boivin

5. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
Défis à relever.
Contraintes techniques à résoudre pour atteindre les rendements de l’éthanol de
première génération.
Développer un système d’approvisionnement en biomasse efficace et rentable.
Le prix et la disponibilité de la biomasse lignocellulosique et agricole peut être
sujet à de grandes variations.
Traiter la biomasse en région !
Appauvrissement des sols forestiers après le retrait de la biomasse.
Photo Jean Boivin Photo Jean Boivin

6. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
La biomasse forestière
Dans la région un hectare de forêt peut
produire environ 20 tonnes métriques (verte)
de biomasse résiduelle.
Le coût de récolte peut varier entre 40 et 50$/
tmv
Photo Jean Boivin
Biomasse
résiduelle
Bois commercial
Photo Jean Boivin
Présentement une tonne de biomasse produit
entre 200 et 230 litres d’éthanol. Photo Jean Boivin
L’optimisation des procédés de conversions et de fermentations pourrais faire
augmenter ce rendement à près de 400 litres1.
1. La production d’éthanol à partir de matière lignocellulosique. Centre de référence en agriculture et agroalimentairre du Québec. 2008.

7. Transformer la biomasse en carburant !?
?
Comment passer de la forêt à la pompe ?

8. Schéma du procédé
Distillation
Biomasse
1. Prétraitement
Mise en pâte.
Rendre la fibre accessible.
2. Hydrolyse. 4. Fermentation
Faire du sucre.
3. Détoxification.
Solution propice à
la fermentation.

9. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
Premier défi pour produire de l’éthanol cellulosique
Extraire les sucres du bois
Matières extractibles
2à8%
La cellulose et
l’hémicellulose
constituent 60 à 80% de
Lignine
la masse de l’arbre et
21 à 25 % contiennent les sucres
fermentescibles
Hémicellulose 25 à 35 % Cellulose 35 à 45 %
Sucres 60 à 80% !

10. Schéma du procédé
Distillation
Biomasse
1. Prétraitement
Mise en pâte.
Rendre la fibre accessible.
2. Hydrolyse. 4. Fermentation
Faire du sucre.
3. Détoxification.
Solution propice à
la fermentation.

11. Première étape prétraitement de la fibre
Mise en pâte.
Transformation mécanique permettant la séparation
de la lignine.
Procédé testé au CTRI
Testé avec des résidus (branches) d’épinette noire.
Nos tests menés sur des branches avec et sans écorce ont donnés des
résultats similaires.
Pas nécessaire d’enlever l’écorce avant de traiter les branches.
À tester avec d’autres sources de biomasse.

12. Schéma du procédé
Distillation
1. Biomasse
2. Prétraitement
Mise en pâte.
Rendre la fibre accessible.
3. Hydrolyse. 5. Fermentation
Faire du sucre.
4. Détoxification.
Solution propice à
la fermentation.

13. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
La fibre de cellulose Lignine (21-25%)
Polymère de sucres Polymère phénolique difficile à
dégrader
Exemple d’un hydrolysat d’épinette noire
Cellulose
Glucose 26.96 g/l Polymère de glucose
Xylose 4 g/l
Mannose 5.36 g/l +
Arabinose 1.28 g/l Hemicellulose
Galactose 2.4 g/l Polymère de glucose, xylose,
mannose, arabinose, galactose.
Pas seulement du glucose…..
Hydrolyse
Sucres obtenus
Glucose
Xylose Fermentation
Image tirée du site
http://www.lbl.gov/Publications/YOS/Feb/ Mannose

14. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
L’hydrolyse
Étape clé la transformation de la cellulose.
Méthode la plus envisagée pour
Option 1. Hydrolyse enzymatique
la production industrielle.
Efficace, mais couteux.
Le prix des enzymes peut
Plus difficile à optimiser.
affecter la rentabilité du
Approvisionnements constant en enzyme $$
processus.
Option 2. Hydrolyse acide
Dégradation de la cellulose par l’acide
sulfurique.
Approvisionnement en acide sulfurique
permettant une compétitivité régionale.
Contraintes : récupération de l’acide,
neutralisation du milieu, production de
composés inhibiteurs.
Production d’acide
sulfurique par Xtrata

15. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
•L’hydrolyse est la réaction chimique qui transforme les polymère de sucre
(cellulose et hémicellulose en sucre simple ( glucose, xylose, mannose).
Cellulose 3 unités de glucose
Hydrolyse acide
par mico-onde
120°C 10 min
Utilisation des micro-ondes pour l’hydrolyse acide de la biomasse un procédé novateur
Avantage vs autre procédé Défi à relever
•La réaction d’hydrolyse est • Peu de procédé à l’échelle
rapide et sélective Industrielle utilise les micro-ondes
• Moins de formation de
composés inhibiteurs
• Moins énergivore
Avec la méthode développée au CTRI 86% des polymères
provenant de la pâte sont converti en sucre

16. Schéma du procédé
Distillation
Biomasse
1. Prétraitement
Mise en pâte.
Rendre la fibre accessible.
2. Hydrolyse. 4. Fermentation
Faire du sucre.
3. Détoxification.
Solution propice à
la fermentation.

17. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
Neutraliser et détoxifier l’hydrolysat
Avant de passer à l’étape de fermentation il est nécessaire de détoxifier celui-
ci, car l’acide contenu serait toxique pour les levures si on essayait de fermenter
la solution directement sans détoxification
Sucres + H2SO4+ 2NH4OH 2H2O + (NH4)2SO4
+
eau sel
La solution est dans un premier temps neutralisée avec de l’ammoniaque.
Il en résulte du sel et de l’eau.
•Milieu de culture trop salé pour la croissance des levures

18. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
Purification de l’hydrolysat
Deux techniques sont à l’essai présentement au CTRI
soit la filtration membranaire et l’électrodialyse.
1. Filtration membranaire 2. L’électrodialyse
L’acide est séparé des sucres
Dans un premier temps l’acide est
directement à l’aide d’un courant
Neutralisée avec l’ammoniaque, ensuite
électrique et de membranes échangeuses
les sucres sont séparés des sels par nano-
d’ions
Filtration.

19. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
Filtration membranaire
La nanofiltration est un procédé de séparation mécanique basé sur la grosseur des
particules à séparer. La taille des pores de la membranes est d’environ 10 nm
Sucre Sel
Glucose
> Ammonium
18 g/mol
Sulfate
180 g/mol 96 g/mol
Les molécules plus petite que 150 g/mol comme les sels passent à travers la
membrane sous une pression de 150 psi tandis que les molécules de sucres à
180 g/mol sont retenues dans la solution d’alimentation.

20. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
Électrodialyse
Cette technique consiste à faire migrer sous un courant électrique les ions SO4 2-
de l’hydrolysat à travers une membrane échangeuse d’anions (MEA) pour qu’ils
réagissent
avec les ions H+ formé à l’anode par l’électrolyse de l’eau.
•L’acide est reconcentré du côté
sucres gauche de la cellule et peu être
réutilisé dans le procédé
sucres
• Les sucres eux restent du côté
droit car ils ne peuvent migrer à
sucres
travers la membrane
•La solution du coté droit une
fois débarrassée de son acide
peut être ensuite fermentée.
pH pH

21. Schéma du procédé
Distillation
Biomasse
1. Prétraitement
Mise en pâte.
Rendre la fibre accessible.
2. Hydrolyse. 4. Fermentation.
Faire du sucre. Optimisation du
rendement.
3. Détoxification.
Solution propice à
la fermentation.

22. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
Fermentation
Transformer les sucres en alcool
Sélection d’une souche microbienne.
Hydrolysat cellulosique contenant
Glucose 67.4 % Ne fermente pas le xylose !
Xylose 10 % Perte de rendement par rapport aux
Mannose 13.4 % sucres totaux.
Arabinose, galactose
Saccharomyces cerevisiae (levure à bière)
Fermente les 3 sucres.
Sheffersomyces Permettra d’avoir un rendement
stipitis optimal, particulièrement avec les
espèces riches en hémicellulose.
Saccharomyces est une espèce bien connue et largement utilisée dans
l’industrie.
Sheffersomyces demande un peu plus d’optimisation mais permettra un
meilleur rendement si les concentrations de xylose sont élevés.

23. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
Optimisation de la fermentation
Obtenir le maximum d’éthanol par molécule de sucre
Milieu optimal !!!
Le rendement théorique maximum est de 0.51g de calcium gramme de sucre.
Panthoténate d’éthanol par CaCl2(2H2O)
Niacine H3BO3
K2HPO4 du sucre est utilisé Pyridoxamine sa croissance cellulaire.
Une partie par la levure pour Alaninine
KH2PO4les conditions pour un Acide Thioctique des sucres convertis en éthanol).
Définir rendement optimal (% Aginine
FeSO4(7H2O) Acide folique Acide aspartique
MgSO4(7H2O) de culture efficace et économique.
Définir un milieu Biotine Acide glutamique
Éléments à ajouter au mélange d’hydrolysat pour un rendement maximal.
NaCl B12 Histidine
-sel minéraux, source d’azote, taux d’oxygénation.
Adénine Tryptophane Leucine
Cytosine des levures pour le fermenteur.
Préparation Cystéine Isoleucine
Guanine ZnSO4(7H2O)
Uracile CoCl2(6H2O) Trop complexe pour un
Thymine
Présentement des tests préliminaires 2O) permettent usage industriel de
MnCl2(6H nous d’atteindre de plus
Thiamine
80% du rendement théorique total avec un(4H2O)
(NH4)6Mo7O24 hydrolysat d’épinette noire.
rentable.
Riboflavine CuSO4(2H2O)
Slininger et. al. Appl. Micro. Biotech. 2006

24. Éthanol cellulosique à partir de biomasse forestière
La fermentation
Paramètres à contrôler
1. pH
2. Température (30°C)
3. Agitation
4. Oxygénation
Fermentation en batch
1. Préparer les levures
2. Hydrolysat + additifs
3. Fermentation 24-30h
Points critiques à surveiller
Forcer la levure à utiliser le sucre pour
produire de l’éthanol.
Atteindre 100% de consommation des
sucres.
Fermenteur de laboratoire 2.5
Éviter les phénomènes d’inhibition. litres

25. La suite de nos travaux de recherche
Fermentation en continu par filtration membranaire.
Purifier l’éthanol en continu lors de la fermentation.
Meilleur rendement
Plus économique
Permet d’éviter les phénomènes d’inhibition et d’arrêt de
la fermentation.
Test avec différentes essences et
différentes sources de biomasse.
Travailler directement avec des
copeaux plutôt qu’avec de la pâte.

26. Conclusions
La région de l’Abitibi-Témiscamingue peut se démarquer dans l’important
marché de l’éthanol cellulosique grâce à son accès à la biomasse forestière.
L’hydrolyse acide est la méthode la plus avantageuse de prétraitement à
cause de la disponibilité de ce produit en région.
Des procédés novateurs d’hydrolyse au micro-onde et de purification
d’hydrolysat sont en développement.
Une bonne expertise scientifique et technique sur la production d’éthanol
cellulosique se développe au CTRI.

27. Remerciements
Notre levure qui travaille fort L’équipe biomasse du CTRI
Pierre-Olivier Gendron
Jasmina Lahlah
Félicia Porqueres
Hassine Bouafif
Jean Boivin
Robin Potvin
Sheffersomyces stipitis
Centre national en électrochimie et Partenaire financier
technologies environnementales Conseil de recherche en sciences
naturelles et en génie

28. Questions ?