LGP2 - Thèses soutenues, 2018

10 décembre 2018 - Mécanique des Fluides, Énergétique, Procédés [Thèse en ligne]
Sujet
Relation Morphologie/Réactivité des substrats lignocellulosiques : impact du prétraitement par explosion à la vapeur.
Direction
Christine CHIRAT, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Dans un contexte de transition énergétique et de lutte contre le réchauffement climatique, la production d'éthanol de 2e génération semble une voie très prometteuse pour réduire notre dépendance aux énergies fossiles. Trois étapes clés sont nécessaires pour produire ce biocarburant : le prétraitement déstructure la matrice lignocellulosique afin de rendre la cellulose plus accessible aux enzymes ; l'hydrolyse enzymatique produit des sucres fermentescibles ; enfin, la fermentation transforme ces derniers en éthanol.
Le prétraitement par explosion à la vapeur, considéré par les industriels comme le plus efficace, comporte deux étapes – une cuisson acide puis une détente explosive provoquant l’éclatement mécanique du substrat lignocellulosique – afin de rendre la cellulose plus réactive à l'hydrolyse enzymatique. Cette thèse vise à mieux comprendre les effets physico-chimiques de ce prétraitement en s'appuyant notamment sur une discrimination expérimentale des phénomènes chimiques (réactions de dépolymérisation) et des phénomènes physiques (détente explosive) ainsi que sur une caractérisation multi-techniques et multi-échelles de la biomasse obtenue après le prétraitement. L'objectif est aussi de déterminer les principales caractéristiques de la biomasse provoquant les différences de réactivité observées lors de l'étape d'hydrolyse enzymatique et d'expliquer l'impact du prétraitement par explosion à la vapeur sur les propriétés physico-chimiques et donc sur la réactivité.

4 décembre 2018 - Mécanique des Fluides, Énergétique, Procédés
Sujet
Étude de l’impact de l’autohydrolyse sur les constituants du bois et sur le déroulement du procédé de production de cellulose pure.
Direction
Christine CHIRAT, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2  ♦♦ Dominique LACHENAL, Professeur Émérite, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet d’envergure visant à transformer une usine de production de fibres cellulosiques en une bioraffinerie intégrée par l’ajout d’une étape préliminaire d’autohydrolyse permettant le retrait des hémicelluloses du bois de feuillus en vue de leur valorisation.
L’objectif de cette thèse est d’étudier l’impact de l’autohydrolyse, d’une part sur les constituants du bois et, d’autre part, sur la mise en œuvre du procédé de production de cellulose à partir des copeaux de bois prétraités. Différentes techniques d’analyse ont montré que l’autohydrolyse dépolymérise la lignine, ce qui conduit à une augmentation de la teneur en groupements phénoliques libres. En outre, elle réduit la part de lignine impliquée dans les complexes lignine-hydrates, ce qui devrait faciliter son élimination lors des procédés de délignification ultérieurs. Une nouvelle technique de RMN-DNP a permis d’analyser la structure des composants directement à l’intérieur du bois sans les altérer par une extraction préalable.
L’étude de l’aptitude à la délignification des copeaux traités par autohydrolyse a confirmé que la délignification et le blanchiment des fibres produites sont facilités, à tel point que le procédé kraft, basé sur l’usage de la soude et du sulfure de sodium, employé habituellement pour extraire les fibres de cellulose du bois, pourrait être remplacé par un procédé utilisant de la soude seule. Ceci présenterait le double avantage de réduire les nuisances olfactives grâce à l’absence de composé soufré, et de faciliter le fonctionnement de la chaudière nécessaire pour produire de l’énergie et régénérer les réactifs de délignification.
De plus, l’étude du blanchiment de ces fibres a montré qu’un procédé plus durable – utilisant des composés non chlorés : oxygène, ozone et peroxyde d’hydrogène – pourra être utilisé, en remplacement du blanchiment effectué avec du dioxyde de chlore. Enfin, l’évaluation des propriétés des fibres cellulosiques ainsi produites a permis de conclure qu’elles conviendraient pour une application de type viscose : haute pureté de la cellulose, degré de polymérisation adéquat, très haut niveau et très bonne stabilité de blancheur.
Autres membres du jury
Dmitry EVTUGUIN, Maître de Conférences, Université d’Aveiro (Portugal) ♦♦ José Carlos DEL RIO, Professeur, IRNAS (Espagne) ♦♦ Catherine PINEL, Directrice de Recherche, IRCELYON ♦♦ Marie-José VILLETTE, Ingénieur de Recherche, Fibre Excellence

14 septembre 2018 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Utilisation de nanocellulose dans les papiers de sécurité.
Direction
Julien BRAS, Maître de Conférences HDR, Grenoble INP-Pagora / LGP2  ♦♦ Alain DUFRESNE, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Cette thèse étudie la contribution de la nanocellulose à la limitation de deux défauts courants dans les papiers de sécurité : leur froissement et les plis dans les angles. Principalement causés par la manipulation quotidienne, ils diminuent les qualités visuelles et mécaniques de ces papiers à haute valeur ajoutée et sont responsables de pertes économiques.
Les nanofibrilles de cellulose et les nanocristaux de cellulose constituent les deux catégories de nanocellulose. Longues et flexibles, les nanofibrilles s’enchevêtrent facilement pour former un réseau cohésif maintenu par de nombreuses liaisons hydrogène. Les nanocristaux quant à eux sont petits et rigides : leurs impressionnantes propriétés mécaniques en font des candidats intéressants comme renforts de polymères.
Dans cette étude, deux stratégies sont proposées afin d’incorporer ces deux sortes de nanocellulose dans la fabrication de papiers de sécurité. Ces approches ont été testées aux échelles pilote et industrielle et les résultats très positifs ont permis le dépôt de brevets.
Autres membres du jury
Aji P. MATHEW, Professeur, Stockholm University (Suède) ♦♦ Thaddeus MALONEY, Professeur, Aalto University (Finlande) ♦♦   José Maria LAGARON, Directeur de recherche, Spanish National Research Council (Espagne) ♦♦ Giuseppe MOSELE, Senior R&D expert, European Central Bank (Allemagne)

25 juin 2018 - Mécanique des Fluides, Énergétique, Procédés
Sujet
Flottation réactive à l'ozone de contaminants modèles issus de papiers récupérés : étude hydrodynamique et réactivité.
Direction
Marc AUROUSSEAU, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2  ♦♦ Nathalie MARLIN, Maître de Conférences, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
La diminution de la qualité des collectes de papiers récupérés ainsi que l’accumulation de substances dissoutes dans les eaux de procédés affecte l’efficacité des lignes de désencrage industrielles et contamine davantage les effluents liquides. Dans ce contexte, le LGP2 a développé depuis quelques années un procédé innovant de désencrage, la flottation réactive à l’ozone, afin de dégrader chimiquement les polluants dissouts en parallèle de l’élimination de l’encre.
Pour mieux comprendre les mécanismes mis en jeu, des essais de flottation à l’air et avec un mélange ozone/oxygène, sur trois contaminants modèles, sélectionnés après une étude bibliographique préalable, ont été réalisés dans un milieu diphasique gaz/liquide, en l’absence de fibres cellulosiques. Les expérimentations ont été conduites sur deux pilotes de laboratoire instrumentés : une colonne à bulles fonctionnant avec de l’air uniquement, pour l’étude du comportement hydrodynamique (taille et distribution de bulles, rétention gazeuse) en présence des contaminants dissouts, et une deuxième colonne à bulles, similaire mais conçue avec des matériaux résistants aux gaz corrosifs, dédiée à l’étude des réactions d’oxydation en présence d’ozone.
L’examen du comportement hydrodynamique montre que les conditions de débit de gaz et d’injection retenues conduisent à des tailles de bulles optimales pour une flottation efficace, en présence ou en absence de contaminants. Ces conditions obtenues avec de l’air ont été transposées en première approximation au système ozone/oxygène. L’étude du transfert de l’ozone et de sa réactivité avec les trois contaminants modèles, à différentes températures et concentrations en ozone, a conduit à la détermination des constantes cinétiques de réaction et a montré que les contaminants étaient, selon leur nature, oxydés ou dépolymérisés. Bien que la DCO des solutions traitées diminue très peu après la flottation réactive à l’ozone, la qualité des effluents est améliorée sur le plan de leur biodégradabilité.
Autres membres du jury
François LAPICQUE, Directeur de Recherche, CNRS, Nancy ♦♦ Davide BENEVENTI, Directeur de Recherche CNRS, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Valérie LAFOREST, Directeur de Recherche, École des Mines de Saint-Étienne ♦♦ Frédéric VIOLLEAU, Maître de Conférences HDR, École d’Ingénieurs de PURPAN, Toulouse ♦♦ Bernard LEGUBE, Professeur Émérite, Université de Poitiers ♦♦ Christian COSTE, Conseiller Scientifique et Technique en entreprise, Nîmes

19 mars 2018 - Mécanique des Fluides, Énergétique, Procédés [Thèse en ligne]
Sujet
Production de bioéthanol à partir de biomasse lignocellulosique en utilisant des enzymes cellulolytiques immobilisées.
Direction
Marc AUROUSSEAU, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2  ♦♦ Sivanesan SUBRAMANIAN, Professeur, Anna University (Chennai, Inde)  ♦♦ Gérard MORTHA, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Agnès BOYER, Maître de Conférences, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
L'objectif global de cette étude était de produire du bioéthanol à partir de biomasse lignocellulosique en utilisant des enzymes libres ou immobilisées de type xylanase, cellulase et β-1,3-glucanase.
L'isolement de la souche AUKAR04 de Trichoderma citrinoviride a permis de produire par fermentation solide ces trois enzymes à un taux de 55 000, 385 et 695 UI/gss respectivement. L’activité biochimique des enzymes libres a été caractérisée en faisant varier différents paramètres : pH, température et concentration en cations métalliques, et les paramètres cinétiques correspondants ont été identifiés. Par la suite, les enzymes ont été immobilisées en phase solide, soit sous forme d’agrégats sans support de type (combi-CLEAs), soit par association avec des nanoparticules magnétiques bi-fonctionnalisées (ISN-CLEAs). Les enzymes ont ainsi montré de meilleures performances en termes de stabilité thermique, d’aptitude à une réutilisation (plusieurs cycles) et de stabilité après un temps de conservation prolongé.
Le substrat végétal utilisé (SCB : bagasse de canne à sucre) a été prétraité chimiquement par cuisson à l'ammoniac, permettant d’éliminer 40% de la lignine initiale tout en préservant 95% de glucane, 65% de xylane et 41% d'arabinane. L’hydrolyse enzymatique du substrat prétraité a permis une conversion de la cellulose en 87% de glucose, et une conversion des hémicelluloses (arabinoxylanes) en 74% de xylose et 64% d'arabinose, chiffres notoirement supérieurs à l'activité des enzymes libres.
L'analyse chimique et structurale du substrat a été faite par spectrométrie ATR-FTIR et DRX, et par analyse TGA. L’étude FTIR a prouvé l’efficacité du traitement enzymatique en montrant que les hémicelluloses et la cellulose subissent une dépolymérisation partielle par l’action simultanée des trois enzymes immobilisées dans les ISN-CLEA. L’étude TGA a montré que la stabilité thermique des échantillons prétraités à l'ammoniac puis traités par des enzymes est notoirement améliorée. L’analyse DRX a montré que l'indice de cristallinité du substrat prétraité à l’ammoniac puis traité par l'ISN-CLEA a augmenté de 61,3 ± 1%, par rapport au substrat avant traitement enzymatique. La fermentation par la levure Saccharomyces cerevisiae LGP2Y1 utilisée en monoculture, à partir d’un hydrolysat enzymatique contenant 103,8 g/L de glucose, a produit 42 g/L d'éthanol en 36 h de fermentation. Le rendement métabolique global atteint ainsi environ 79% du rendement théorique. La fermentation en co-culture avec Saccharomyces cerevisiae LGP2Y1 et Candida utilis ATCC 22023 d’un hydrolysat à 107,6 g/L de glucose et 41,5 g/L de xylose a produit 65g /L d'éthanol en 42 h de fermentation. Ainsi, en co-culture fermentaire, le rendement métabolique global atteint environ 88 % du rendement théorique.
Autres membres du jury
Rajaguru PALANISAMY, Professeur, Anna University (Chennai, Inde) ♦♦ I Made JONI, Professeur, University of Padjadjaran (Bandung, Indonésie) ♦♦ Nitin Kumar LABHSETWAR, Senior Principal Scientist & Head, CSIR-NEERI (Inde) ♦♦ Claude-Gilles DUSSAP, Professeur, Université Clermont Auvergne