Offre de thèse : Prétraitement de la biomasse lignocellulosique par

Doctorat ouvert à candidature
Prétraitement de la biomasse lignocellulosique par torréfaction en lit épais
Champs disciplinaires : Génie des procédés, Physique des transferts, Thermodynamique et
thermocinétique, Imagerie, Simulation numérique.
Mots clés : Biomasse lignocellulosique, Torréfaction, Lit épais, Réaction exothermique,
Métrologie.
Contexte du doctorat
L’utilisation de biomasse lignocellulosique pour la production de biomolécules et de bioénergies
est séduisante car les matières premières utilisées ne sont pas comestibles : leur valorisation
industrielle est une alternative crédible au carbone fossile, et ce sans entrer en concurrence
frontale avec les débouches alimentaires.
Une des voies conversion privilégiée de la biomasse consiste en une gazéification suivie d’une
synthèse Fisher-Tropsch, dite voie sèche (à opposer à la voie humide : hydrolyse et fermentation).
Afin d’optimiser les réactions thermochimiques, la qualité des produits et le rendement des
procédés, procédés, cette voie nécessite un prétraitement de la biomasse.
L’un des procédés de prétraitement les plus prometteurs est la torréfaction qui consiste en une
pyrolyse ménagée (de 200 à 300 °C) de la biomasse sous atmosphère inerte (azote).
Pour accompagner le changement d’échelle du procédé de torréfaction de plaquettes forestières
en lit fixe mobile, le Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux développe conjointement
des approches numérique et expérimentale.
Positionnement du doctorat et travaux à mener
Dans le cadre de cette dynamique, le doctorant devra utiliser des dispositifs expérimentaux
existants et concevoir un dispositif original à l'échelle du lit épais afin de proposer une approche
multiéchelle intégrée. L'analyse des interactions entre échelles sera largement aidée par la
simulation numérique, à l'aide d'outils existants au laboratoire et éventuellement par du
développement de nouveaux outils. Les travaux seront menés sur le peuplier, une biomasse
prometteuse en région tempérée grâce à sa capacité à rejeter de souche et sa forte productivité.
De façon plus détaillée, trois échelles spatiales seront étudiées :
A – Micro-particules
La première de ces échelles pertinentes est celle de la micro-particule, micrométrique à
millimétrique. A cette échelle, les champs spatiaux peuvent être supposés uniformes : c'est
l'échelle pertinente pour l'étude des cinétiques thermochimiques.
Une thermobalance NETZSCH Jupiter (ATG/DSC modulée) couplée à une GC-MS permettra de
mesurer simultanément la perte de masse et les flux de chaleur de micro-particules durant le
traitement thermique. L’analyse des cinétiques recueillies permettra l’identification, par
méthode inverse, des mécanismes réactionnels mis en jeu lors de la torréfaction ainsi que les
paramètres cinétiques de ces réactions.
Le même équipement sera utilisé pour l’étude de la dégradation de cubes de bois de 5 mm
d'arrête. Cette dimension est compatible avec l’hypothèse d’homogénéité des champs internes
mais permet de tester si les volatiles piégés changent les cinétiques. Le cas échéant, des
hypothèses doivent être formulées et validées pour passer aux échelles supérieures.
L’ensemble des données recueillies permettront d’alimenter le code TransPore, code numérique
permettant de simuler les transferts couplés de chaleur et de masse dans une marco-particule,
doté d’un module de pyrolyse ménagée basé sur l’approche Distributed Activation Energy Model.
B – Macro-particules
En raison du caractère exothermique des réactions de pyrolyse, une inversion du gradient interne
de température peut être observée au cours de la torréfaction de particules centimétriques. De
même, ces réactions, se traduisent par un pic de pression interne lié à la production de gaz de
pyrolyse. TransPore, alimenté avec les valeurs pertinentes des paramètres précédemment
évoqués, doit être en mesure de simuler ces phénomènes.
Pour valider cette capacité de TransPore, les cinétiques obtenues par simulation doivent être
confrontées à des cinétiques expérimentales de torréfaction opérées sur des particules épaisses.
Le doctorant utilisera un dispositif de recherche original spécifiquement développé pour l’étude
du séchage et de la torréfaction de particules isolées ; il ou elle établira et validera un schéma et
des modalités d’implantation des capteurs, pertinent et compatible avec une pesée en continu
de l’échantillon. Au besoin, le laboratoire pourra mettre à la disposition du ou de la doctorant(e)
les moyens nécessaires à l’amélioration du dispositif et de l’instrumentation.
Ces mêmes cinétiques pourraient permettre d’affiner l’identification des paramètres
thermodynamique des réactions exothermiques.
C – Étude des propriétés physico-mécaniques du peuplier (optionnel)
En agissant sur les flux thermiques et massiques (vapeur ou gaz issus de la dégradation de
biomasse), les propriétés de transferts ont un impact prépondérant sur l’hétérogénéité du
traitement au sein de la particule, qu’il s’agisse de la phase de séchage ou de celle de pyrolyse.
Au besoin, le doctorant pourra compléter la collection de données disponibles en mettant en
œuvre des dispositifs et protocoles originaux, spécifiquement développés par le LGPM pour
identifier les valeurs de perméabilité, des coefficients de diffusion, etc. En outre, l’utilisation
d’une balance à suspension magnétique permettra de recueillir les isothermes de sorption, liées
à l’hygroscopicité de la matière lignocellulosique.
D – Lit épais
L’expérimentation à l’échelle du lit épais sera la clef de voute du travail car elle doit démontrer la
capacité des outils numériques et expérimentaux du laboratoire à accompagner le changement
d’échelle du procédé.
L’enjeu de cette étape est double :
 Concevoir et construire un pilote de laboratoire qui sera hébergé par la halle technique du
Centre Européen de Biotechnologie et de Bioéconomie (Pomacle, à 15 km de Reims, pour
la deuxième partie de la thèse). Ce pilote doit pouvoir faire circuler un flux d’azote chaud
à haute température à travers un lit épais de plaquettes forestières et recycler ce flux pour
assurer une économie d’énergie et de gaz. Pour limiter la saturation du gaz en vapeur, le
recyclage sera partiel ou un système de déshumidification devra être implémenté. Enfin,
compte tenu des niveaux de température explorés, une attention particulière portera sur
la sécurité des utilisateurs et des instruments.
 Instrumenter le lit tout en assurant l’étanchéité du réacteur et conduire des essais
expérimentaux sur la base d’un plan d’expérience validé au préalable. Cette
instrumentation doit permettre de mettre en évidence (i) la progression d’un front de
séchage puis de pyrolyse le long de la direction principale d’écoulement des gaz ainsi que
(ii) la variabilité de comportement de plaquettes appartenant à une même section du lit
et (iii) une augmentation de l'effet lié à l'exothermicité par l'effet conjoint des particules
voisines.
Les résultats expérimentaux ainsi recueillis à cette échelle pourront être confrontés à des
simulations numériques obtenues par un code multiéchelle : description 1D des transferts
externes (flux de gaz chaud traversant le lit) et description 2D des transferts internes (TransPore).
Leur publication constituera un apport significatif par rapport à l’état de l’art. Les travaux
précédemment décrits sont des étapes préliminaires, indispensables à l’accomplissement de cet
objectif.
E – Utilisation d’outils de simulation
En vue d’illustrer l’apport des acquis expérimentaux à la démarche globale d’accompagnement
du changement échelle par le LGPM, le doctorant pourra utiliser les outils numériques développés
et validés pour traiter des cas d’études d’optimisation ou conception de procédés industriels. En
fonction des opportunités de collaboration avec des industriels qui se présenteront au cours du
doctorat, l’un des cas d’étude pourrait être réalisée sous la forme d’une expertise.
Profil du ou de la candidat(e)
Le doctorant doit préalablement disposer d’un diplôme de Master et/ou d’Ingénieur en Génie des
Procédés.
Une expérience dans au moins un des domaines suivants sera appréciée :
 recherche académique ou privée,
 valorisation de la biomasse,
 conversion thermochimique,
 physique des transferts,
 mécanique des fluides.
Sans que ce ne soit un prérequis, un intérêt vis-à-vis de la modélisation serait également un plus.
Qualités recherchées
La rigueur expérimentale et le sens de l’organisation (pour les données recueillies notamment)
sont des qualités nécessaires au bon accomplissement de ces travaux. Il est également attendu
que le doctorant fasse preuve de curiosité, d’initiative, d’analyse critique, d’autonomie et de
dynamisme au cours de ce doctorat.
Localisation
L’essentiel du travail sera effectué sur le Campus de Châtenay-Malabry (déménagement prévu fin
2017 à Gif-sur-Yvette). Une partie du travail pourra être dans le Centre Européen de
Biotechnologie et de Bioéconomie qui héberge la Chaire de Biotechnologie de CentraleSupélec
(CEBB, 3 rue des Rouges Terres 51110 Pomacle).
Encadrement
Directeur de thèse
Pr Patrick PERRÉ, Directeur du LGPM et titulaire de la Chaire de Biotechnologie :
[email protected]
Co-encadrement
Dr Julien COLIN, Maître de conférences et directeur adjoint de la Chaire de Biotechnologie :
[email protected] / +33 1 41 13 10 04
Dr Victor POZZOBON, Ingénieur de recherche : [email protected] /
+33 3 26 46 49 85
Collaboration
À définir ultérieurement en selon de l'importance relative des différents aspects du sujet et en
fonction du profil du doctorant. Cette thèse pourrait être menées en parallèle avec une autre
thèse sur la formulation théorique de ce procédé à l’aide de deux étapes successives de
changement d’échelle par la méthode de prise de moyenne.
Précisions sur le doctorat
Date de début : Octobre 2016
Ecole Doctorale : SMEMAG (Université Paris-Saclay)
Financement : bourse de thèse de l’Ecole Doctorale
Candidature
Candidature à adresser par mail à P. Perré, J. Colin et V. Pozzobon.
Une sélection d'articles publiés dans le domaine par l'équipe d'accueil
Almeida G., Brito J., Perré P., 2009 - Changes in wood-water relationship due to heat treatment assessed on microsamples of three Eucalyptus species, Holzforchung, 63: 80-88.
Rousset P., Lapierre C., Pollet B., Quirino W., Perré P., 2009 - Effect of severe thermal treatment on spruce and
beech wood lignins, Ann. For. Sci., 66: 110 (8p).
Turner I.W., Rousset P., Rémond R., Perré P., 2010 - An experimental and theoretical investigation of the thermal
treatment of wood in the range 200-260°C, Int. J. Heat Mass Transfer, 53: 715-725.
Perré P., 2010 - Multiscale modelling of drying as a powerful extension of the macroscopic approach: application to
solid wood and biomass processing, Drying Technology, 28: 944-959.
Rémond R., Turner I., Perré P., 2010 - Modelling the drying and heat treatment of lignocellulosic biomass: 2D effects
due to the product anisotropy, Drying Technology, 28: 1013-1022.
Almeida G., Brito J.O., Perré P., 2010 - Alterations in energy properties of eucalyptus wood and bark subjected to
torrefaction: the potential of mass loss as a synthetic indicator, Bioresource Technology, 101: 9778-9784.
Rousset P., Davrieux F., Macedo L., Perré P., 2011 - NIRS characterisation of thermally modified wood: the cumulative
effect of temperature level and treatment duration, Biomass and Bioenergy, 35: 1219-1226.
Pierre F., Almeida G., Brito J., Perré P., 2011 - Influence of torrefaction on some chemical and energy properties of
maritime pine and pedunculate oak, Bioressources, 6: 1204-1218.
Lv P., Almeida G., Perré P., 2012 – Torrefaction of cellulose: validity and limitation of the temperature/duration
equivalence, Bioressources, 7: 3720-3731.
Pierre F., Almeida G., Huber F., Jacquin P., Perré P., 2013 - An original impact device for biomass characterisation:
some results obtained for wood with different moisture contents, Wood Sci. Technol., 47: 537-555.
Perré P., Rémond R., Turner I.W., 2013 - A comprehensive dual-scale wood torrefaction model: application to the
analysis of thermal run-away in industrial heat treatment processes, Int. J. Heat Mass Transfer, 64: 838-849.
Cavagnol S., Sanz E., Nastoll W., Roesler J.F., Zymla V., Perré P., 2013 - Inverse analysis of wood pyrolysis with long
residence times in the temperature range 210 to 290 °C: selection of multi-step kinetics models based on mass
loss residues, Thermochimica Acta, 574: 1-9.
Pozzobon V., Salvador S., Bézian J. J., El-Hafi M., Le Maoult Y., Flamant G., 2014 - Radiative pyrolysis of wet wood
under intermediate heat flux: Experiments and modelling, Fuel Processing Technology 128: 319–330.
Almeida G., Santos D., Perré P., 2014 - Dimensional changes during heat treatment of fast-growing wood species as
predicted by their global mass loss, Biomass and Bioenergy, 70: 407-415.
Roesler J.F., Sanz E., Nastoll W., Cavagnol S., Perré P., 2015 - Exothermic reactions in wood torrefaction and their
impact on product yields: from micro to pilot scale, Canadian J. Chemical Engineering, 93:331–339.