Nouvelle approche de prétraitement des biomasses lignocellulosiques combinant extrusion et biodélignification pour augmenter la digestibilité enzymatique

Konan, Delon ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2644-3662 (2025). Nouvelle approche de prétraitement des biomasses lignocellulosiques combinant extrusion et biodélignification pour augmenter la digestibilité enzymatique Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 319 p.

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Résumé

On estime à 181 milliards de tonnes, la quantité globale de biomasses lignocellulosiques disponible chaque année et prête à être valorisée. Cependant, cette biomasse est sous-exploitée du fait de la difficulté à retirer la lignine du complexe lignocellulosique, afin de récupérer les composés d’intérêt (cellulose et hémicellulose). Cette thèse a eu pour objectif de développer une approche novatrice de prétraitement des biomasses lignocellulosiques. Il s’agissait d’un couplage séquentiel de deux technologies prometteuses : l’extrusion (Ex) et la biodélignification (SSF). L’approche Ex-SSF a été développée sur des résidus de maïs (RMA) et sur des résidus d’épinette noire (REN). L’étape d’extrusion s’est faite avec une extrudeuse bis-vis de 11 mm de diamètre. Les résultats ont montré qu’en optimisant les conditions d’extrusion par analyse de surfaces de réponse (RSA), les taux de délignification étaient significativement améliorés. Les taux augmentaient de 2,3 % à 27,4 % pour les RMA, ainsi que de 1 % à 25,3 % pour les REN. Les taux de délignification étaient reproductibles à ±1,2 %. Les deux modèles d’optimisation développés étaient capables de prédire les résultats de délignification avec une précision de 0,8 % pour les RMA et de 3 % pour les REN. Les températures d’extrusions optimisées étaient relativement faibles, soit 50°C (REN) et 65°C (RMA). De plus, l’analyse des caractéristiques des extrudats a montré une réduction significative de la taille des particules, de 1 mm à 55 µm pour les REN, ainsi que de 1 mm à 204 µm pour les RMA. Quant à la surface spécifique des extrudats, on a enregistré une augmentation de 4 fois la surface spécifique initiale des RMA (512 à 2402 cm2/cm3) et une augmentation de 50 % de celles des REN (399 à 597 cm2/cm3). De plus, les analyses GC/MS n’ont révélé aucun inhibiteur (furfural ou hydroxymethylfurfural). Ces extrudats ont ensuite été prétraités pour une deuxième fois par un procédé de fermentation solide pour enlever le reste de la ligne (biodélignification). La souche utilisée était Phanerochaete chrysosporium. Les résultats ont montré un maximum de 17 % de biodélignification avec les contrôles négatifs (fermentation avec les biomasses brutes) pour un taux de délignification final de 65,4 % avec les RMA extrudés, ainsi que de 59,1 % avec les REN extrudées. La lignine peroxydase (LiP) était la principale enzyme responsable de la biodélignification dans les contrôles négatifs avec 53,7 ± 2,7 U/l (REN) et 16,4 ± 0,8 U/l (RMA), tandis que la manganèse peroxydase (MnP) était la principale enzyme responsable de la biodélignification dans les extrudats, avec 13,8 U/l pour les REN et 32,0 U/l pour les RMA. L’hydrolyse enzymatique des biomasses prétraitées à l’extrudeuse (Ex) et la fermentation solide (SSF) (Ex-SSF) a permis de récupérer 7,6 mg/l de sucre avec les REN, soit 2,3 fois la concentration de sucre obtenue avec les REN brutes. Quant aux RMA prétraités à l'Ex-SSF, on a récupéré 17,0 mg/l de sucre, ce qui représentait une amélioration de 44 % par rapport aux RMA bruts. Ces résultats ont conduit à une analyse technico-économique de la production de bioéthanol de seconde génération (2G) intégrant le prétraitement Ex-SSF. Trois scénarios de départ ont été identifiés (S1, S2 et S3). Les coûts d’investissement (CAPEX) par tonne de biomasses étaient de 1154 $/t pour S1, de 825 $/t pour S2, et de 739 $/t pour S3. Quant aux coûts d’exploitation (OPEX), ils étaient de 57,7 $/t pour S1, de 41,3 $/t pour S2 et de 151,6 $/t pour S3. Ces résultats ont permis d’identifier les conditions minimales de rentabilité d’une bioraffinerie intégrant le prétraitement Ex-SSF. Dans le cas d’une exploitation agricole dans les conditions de S1, il s’agissait d’une capacité minimale de 2 458 tonnes de biomasses par an, soit l’équivalent de la production de résidus lignocellulosiques de 345 ha de culture de maïs. Dans le cas d’une association d’exploitants agricoles dans les conditions de S2, il s’agissait d’une capacité de 3 522 tonnes de biomasse par an, soit l’équivalent de la production de résidus lignocellulosiques de 495 ha de culture de maïs.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Adjallé, Kokou
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Rodrigue, Deniset Elkoun, Saïd
Mots-clés libres:	biomasse lignocellulosique; extrusion; fermentation; biodélignification; hydrolyse enzymatique; analyse technico-économique; prétraitement; enzymes lignolitiques; Phanerochaete chrysosporium; plans d’expériences; résidus de maïs; épinette noire
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	18 juin 2026 15:52
Dernière modification:	18 juin 2026 15:52
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16902

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