Déconstruction et Fonctionnalisation de la biomasse par couplage de procédés mécaniques et physiques

La combinaison raisonnée d'opérations originales telles que le couplage des systèmes mécaniques et de nouvelles techniques de tri, selon les propriétés physicochimiques, chimiques et physiques, doit permettre de dépasser les limites permises par les procédés classiques et de développer une véritable raffinerie de la biomasse lignocellulosique. La combinaison des opérations de broyage des tourteaux d’oléagineux (Colza, Tournesol et Soja) et de tri électrostatique en milieu sec strict, a permis d’isoler des fractions riches en protéines jusqu’à 60% w/w dans le cas de tournesol.

En général, les fractions chargées positivement (électrode -) sont enrichies en protéines et les fractions chargées négativement (électrode +) sont enrichies en lignine (noire).Ce procédé remplace les procédés liquides classiques de concentration ou purification des protéines et polyphénols oléagineux. Ce nouveau procédé de fractionnement des tourteaux oléagineux sans solvant et sans réactifs chimiques ayant pour but d’extraire ou de concentrer à la fois les protéines et la lignine dans des fractions différentes peut s’insérer efficacement dans un schéma de bioraffinerie des oléagineux pour des valorisations multiples. Ces travaux ont permis une avancée sensible et prometteuse dans le domaine de la bioraffinerie sèche de la biomasse et surtout les tourteaux, en proposant une nouvelle voie de valorisation via le développement de nouveaux produits pour des applications food/feed, biomolécules, énergie et biomatériaux.

Patents

• Process for dry fractionation of lignocellulosic biomass. B Piriou, A Barakat, X Rouau, G Vaitilingom. US Patent App. 15/106,988
• Method for the fractionation of an oilseed cake, and applications of said method. A Barakat, X Rouau. US Patent App. 15/103,843

Publications:

1. S Kdidi, G Vaca-Medina, J Peydecastaing, A Oukarroum, N Fayoud, A Barakat. Electrostatic separation for sustainable production of rapeseed oil cake protein concentrate: Effect of mechanical disruption on protein and lignocellulosic fiber separation. Powder Technology 2019, 344, 10-16
2. C Basset, S Kedidi, A Barakat. Chemical-and Solvent-Free Mechanophysical Fractionation of Biomass Induced by Tribo-Electrostatic Charging: Separation of Proteins and Lignin. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2016, 4 (8), 4166-4173.
3. A Barakat, X Rouau. New dry technology of environmentally friendly biomass refinery: glucose yield and energy efficiency. Biotechnology for Biofuels 2014, 7, 138-149
4. A. Barakat and C. Mayer-Laigle. Electrostatic Separation as an Entry into Environmentally Eco-Friendly Dry Biorefining of Plant Materials. J Chem Eng Process Technol 2017, 8:4
5. O Laguna, A. Barakat, H. Alhamada, E. Durand, B. Baréa, F. Fine, P. Villeneuve, M. Citeau, S. Dauguet, J. Lecomte. Production of proteins and phenolic compounds enriched fractions from rapeseed and sunflower meals by dry fractionation processes. Industrial Crops and Products 2018, 118, 160-172.
6. A Barakat, F Jérôme, X Rouau. A Dry Platform for Separation of Proteins from Biomass-Containing Polysaccharides, Lignin, and Polyphenols. ChemSusChem 2015, 8 (7), 1161–1166
7. S Chuetor, R Luque, C Barron, A Solhy, X Rouau, A Barakat. Innovative combined dry fractionation technologies for rice straw valorization to biofuels. Green Chemistry 2015, 17, 926-936

Couplage plasma "froid" et ball-milling (Collaboration CNRS et INRA)

Dans le cadre du GDR BIOMATPRO, nous avons conjointement monté un projet de recherche financé par le CNRS et l’INRA.Ces travaux ont montré qu’une décristallisation partielle et préalable de la cellulose par broyage (ball-milling) permettait d’augmenter considérablement l’efficacité du traitement par le plasma. Ainsi, après traitement plasma, il nous a été possible de dépolymériser, sans l’assistance d’aucun solvant ni catalyseur, une cellulose récalcitrante à l’hydrolyse et d’obtenir très proprement des cello-oligomères avec des degrés de polymérisation inférieurs à 40. Cette technologie a pu également être appliquée à d’autres polysaccharides tels que l’amidon et l’inuline et, dans les deux cas, une déconstruction sélective et quasi-totale en monomères a été observée. Les résultats obtenus sur la modification et dépolymérisation de la cellulose tendent à prouver qu’une polymérisation des monosaccharides est possible.

Afin de vérifier cette hypothèse, le traitement de disaccharides et de monosaccharides a été réalisé. L’objectif de cette étude est de prouver qu’une polymérisation a bien lieu et, si elle est avérée, de comprendre les paramètres et les mécanismes réactionnels. Dans des conditions similaires à celles employées sur la cellulose, tous les sucres testés ont polymérisé sous plasma. Les polymères formés sont totalement artificiels et possèdent des propriétés différentes de polymères naturels et offre ainsi de nouvelles applications potentielles. Cette polymérisation est totalement innovante car elle ne nécessite ni solvant ni catalyseur, ce qui évite toute étape de purification, séparation, extraction ou filtration.

Publications:

1. J Delaux, M Nigen, E Fourré, JM Tatibouët, A Barakat, L Atencio, J-M García Fernández, K De Oliveira Vigier, F Jérôme. Fast and solvent free polymerization of carbohydrates induced by non-thermal atmospheric plasma. Green Chemistry 2016. 18 (10), 3013-3019
2. J Delaux, C Ortiz Mellet, C Canaff, E Fourre, C Gaillard, A Barakat. Impact of Nonthermal Atmospheric Plasma on the Structure of Cellulose: Access to Soluble Branched Glucans. Chemistry-A European Journal 2016, 22 (46), 16522-16530

Déconstruction "chemomechanical" de la biomasse LC

Nous avons montré que le couplage de traitements chimique-mécanique « dry chemomechanical » en milieu sec ou peu hydraté de la biomasse LC permettait de diminuer les énergies de broyage et d’augmenter la réactivité des produits comparé aux traitements en milieu dilué ou liquide. Ces prétraitements chimiques en voie sèche ou milieu peu hydraté utilisent l’imprégnation avec un système « spray » de la biomasse par des bases concentrées (ammoniaque, soude) et d’oxydant (peroxyde d’hydrogène), préalablement à une déconstruction mécanique pour provoquer une hydrolyse des polymères pariétaux et une fragilisation de la matrice LC. Ces travaux ont été poursuivis dans d’autres projets.

Le ball milling assisté par un catalyseur chimique et le ball milling « one pot » ou « mécanocatalyse de la biomasse » permettrait de déconstruire d’une façon très efficace et contrôlée le réseaux lignocellulosiques sans générer des effluents et réduire très significativement plusieurs étapes de la bioraffinerie des lignocelluloses souvent très coûteuses (séchage, séparation, pressage...). Par exemple, le couplage NaOH-ball milling in situ « one pot » suivie d’une hydrolyse enzymatique a permis de solubiliser plus de 90% de glucose. Dans le cadre d’une collaboration avec l’IC2MP CNRS de Poitiers, le même procédé a été appliqué à la déconstruction/dépolymérisation de la cellulose et de la paille de blé assisté par un catalyseur acide pour la production de butyl glycosides. Le ball milling assisté par l’acide sulfurique a permis d’obtenir un rendement de 70% d’alkyl polyglycosides.

1. S Amamou, C Sambusiti, F Monlau, E Dubreucq, A Barakat. Mechano-Enzymatic Deconstruction with a New Enzymatic Cocktail to Enhance Enzymatic Hydrolysis and Bioethanol Fermentation of Two Macroalgae Species. Molecules 2018 23 (1), 174
2. A Lazuka, C Roland, A Barakat, F Guillon, M O'Donohue. Ecofriendly lignocellulose pretreatment to enhance the carboxylate production of a rumen-derived microbial consortium. Bioresource technology 2017, 2017 236, 225-233
3. A Licari, F Monlau, A Solhy, P Buche, A Barakat. Comparison of various milling modes combined to the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass for bioenergy production: Glucose yield and energy efficiency. Energy 2016, 102, 335-342.
4. C. Loustau-Cazalet, C. Sambusiti, P. Buche, A. Solhy, E. Bilal, M. Larzek, and A. Barakat. Innovative deconstruction of biomass induced by dry chemo-mechanical activation: Impact on enzymatic hydrolysis and energy efficiency. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2016, 4 (5), 2689-2697
5. F Boissou, N Sayoud, K De Oliveira Vigier, A Barakat, S Marinkovic, B Estrine, F Jérôme. Acid‐Assisted Ball Milling of Cellulose as an Efficient Pretreatment Process for the Production of Butyl Glycosides. ChemSusChem 2016, 8 (19), 3263-3269
6. C Sambusiti, A Licari, A Solhy, A Aboulkas, T Cacciaguerra, A Barakat. One-Pot dry chemo-mechanical deconstruction for bioethanol production from sugarcane bagasse. Bioresource Technology 2015, 181, 200-206
7. JC Motte, C Sambusiti, C Dumas, A Barakat. Combination of dry dark fermentation and mechanical pretreatment for lignocellulosic deconstruction: an innovative strategy for biofuels and volatile fatty acids recovery. Applied Energy 2015, 147, 67-73

Production des résines "Green" époxy sans bisphénol A.

Le projet Green époxy financé dans le cadre du 18ème appel à projets du FUI, qui regroupait 3 laboratoires académiques et 6 partenaires industriels (Prospa, ResiPoly, Lefrant, PCAS, Proteus et Alliance Forêt Bois) s’est achevé le 15 Novembre 2018. L’objectif général du programme était de produire une résine époxy sans bisphénol A. Ce dernier a été remplacé par les produits de dépolymérisation des tanins condensés présents dans les écorces de pin Douglas, selon un procédé innovant et breveté, opérant dans des conditions douces. La montée en échelle de ce procédé a été réalisée avec succès sur 40 kg d’écorces broyées. Les building blocks phénoliques issus de la dépolymérisation ont été convertis en prépolymère avec une haute fonctionnalité époxy (en moyenne, 3 groupements époxydes par monomère). Le prépolymère a été formulé et testé pour des applications dans les domaines des revêtements de sols et des peintures. Les caractéristiques techniques des produits sont, pour la plupart, comparables à celles de leurs analogues pétrosourcés. La maitrise acquise sur les procédés et les produits développés dans le cadre du projet Green Epoxy ouvrent la voie à d’autres domaines d’application.