Academic literature on the topic 'Bioraffineries'

Aujourd’hui, la fonction essentielle d’une station d’épuration est de dépolluer les effluents liquides pour limiter les dommages sur les milieux naturels ou pour la santé publique. Cet objectif de conservation ne prend malheureusement pas en compte les pressions sociétales. La croissance démographique, les sociétés de consommation nous ont amenés à une situation où annuellement nous consom mons plus de ressources que la planète peut nous offrir. À l’heure du recyclage et du développement de l’économie circulaire, il semble urgent de faire évoluer la conception et l’exploitation des stations d’épuration (STEP). Ces dernières ne doivent plus jouer le rôle de « déchetterie liquide », mais celui de « récupérateur/producteur de ressources ». Avec son développement, la filière biogaz apparaît comme une évidence. Cependant, malgré ces tendances, la croissance d’unités de biogaz sur STEP est figée. Cela est dû au fait que les procédés classiques d’épuration dégradent le pouvoir méthanogène des effluents et restreignent la valorisation d’autres ressources. Les STEP de demain devront être des bioraffineries à forte valeur ajoutée. Cela conduit à faire évoluer nos procédés : au lieu d’enlever les polluants par étapes successives pour obtenir des effluents « propres », extrayons les ressources les unes après les autres, à commencer par l’eau pour la recycler, de l’énergie ainsi que des matières organiques et minérales. Oublions le traitement et valorisons le tri pour une économie circulaire respectueuse quantitativement et qualitativement de nos ressources naturelles. Des technologies de fractionnement membranaire sont la clé du développement de ces bioraffineries. Un retour d’expérience sur une industrie agroalimentaire est présenté dans cet article. Les résultats de ces essais à grande échelle révèlent le potentiel et l’intérêt du recyclage par fractionnement en comparaison aux procédés conventionnels de traitement. Les nouvelles STEP peuvent ainsi devenir des usines de production d’eau potable, de bioengrais, de biomatériaux… tout en étant productrices d’énergie.

Fahren Lkw mit Flüssigerdgas hergestellt aus biogenen Reststoffen, emittieren sie bei voller Leistung weniger CO2. Ein Unternehmen aus Sachsen-Anhalt betreibt in Deutschland bereits zwei Bioraffinerien, in denen Biomethan aus Stroh hergestellt wird.

Les travaux de cette thèse concernent la modélisation et l'optimisation de chaînes d’approvisionnement en biomasses pour de futures bio-raffineries. En effet, des chaînes d'approvisionnement efficaces sont essentielles pour fournir aux installations de conversion, de façon régulière, des quantités suffisantes de biomasse de qualité à des prix raisonnables. Le problème est tout d'abord décrit puis modélisé.Un modèle de réseau et un modèle de données sont ensuite développés pour permettre de décrire la structure de la chaîne d'approvisionnement et ses données, sans affecter le modèle mathématique sous-jacent. Ce dernier (MILP) combine pour la première fois divers aspects, soit originaux, soit gérés séparément dans la littérature. A partir des demandes de la raffinerie, une résolution exacte précise les activités logistiques dans le réseau et les équipements nécessaires, afin de minimiser le coût total composé des coûts de récoltes, de transport et de stockage. Des études de cas sont décrites pour illustrer ce modèle de planification tactique multi-biomasse et multi-période. Un modèle plus compact est aussi élaboré pour traiter des instances de très grandes tailles. Il est illustré par une étude de cas réelle pour une bio-raffinerie prévue près de Compiègne. Pour finir, les développements effectués pour la mise en place d’un prototype logiciel d’aide à la décision sont présentés et des recommandations d’un futur logiciel commercial sont proposées
The research works of this thesis address the problem of modeling and optimizing biomass supply chains for biorefineries. Indeed, efficient supply chains are essential to provide conversion facilities with sufficient quantities of quality biomass at reasonable prices. The problem is described and modeled.A network model and a data model are developed to allow to describe the structure of the supply chain and its data, without affecting the underlying mathematical model. The latter is a mixed-integer linear programming that combines for the first time various aspects, either original or tackled separately in the literature. For given refinery needs, its exact resolution by CPLEX specifies the logistic activities in the network (amounts harvested, baled, transported, stored etc.) and the necessary equipment, in order to minimize a total cost including harvesting costs, transport costs and storage costs. Case studies are described to illustrate this multi-biomass and multi-period tactical planning model.A more compact model is also elaborated to cope with large-scale instances. It is illustrated using a real case study for a bio-refinery planned near Compiègne, France.Finally, the developments conducted for the implementation of a prototype of decision-support application are presented and recommendations for coming to a commercial software are proposed

Le secteur canadien des pâtes et papiers (P&P) a joué un rôle socioéconomique majeur durant les deux derniers siècles. Ces compagnies, en plus de l’avantage de leur positionnement géographique, ont accumulé une expérience confirmée en matière d’industrie forestière, dont notamment le traitement de la biomasse ligneuse. Au cours des trois dernières décennies, ces entités ont encouru des contraintes environnementales difficiles, auxquelles vient s’ajouter une crise chronique du marché. Cette dernière crise a eu des retombées sans précédent sur le côté social, ce qui a amené à qualifier le contexte difficile du secteur comme une crise de soutenabilité. Au cours de la dernière décennie, l’industrie de l’énergie verte est devenue une composante basique des stratégies de transition énergétique pour les pays développés. La biomasse a toujours été au coeur de cette stratégie pour le Canada. Pour les P&P, cette orientation constitue une opportunité pour résoudre la crise environnementale et économique accrue du secteur. Les preneurs de décision ont besoin d’une feuille de route pour transformer les usines de P&P en Bioraffinerie Forestière Intégrée (BRFI). Le choix des technologies, le dimensionnement de la capacité de production et le choix des voies d’investissement bioénergétique constituent des préoccupations majeures pour les preneurs de décision. Toutefois l’évaluation de la soutenabilité de cette transformation demeure un défi de taille. Notre contribution vise à développer des approches et des outils d’aide à la décision pour supporter une transformation efficace, robuste et durable de l’industrie des P&P au Canada. L'objectif est d’évaluer la soutenabilité de l’intégration des BRFI et de communiquer un nouveau modèle d’affaires aux preneurs de décision, tout en renforçant leur capacité de négocier une politique incitative propice en matière des investissements bioénergétiques dans le cadre du partenariat public-privé. La méthodologie utilisée pour atteindre cet objectif se place à l'intersection de l'aide à la décision, de l'optimisation mathématique et de l'analyse financière et économique. Notre première contribution propose la conception et l’application d’une méthode d’évaluation de la soutenabilité intégrant l’approche cycle de vie à l'optimisation du réseau de création de valeur dans le cadre d’un modèle mathématique multiobjectif. Ce dernier modèle fournira une feuille de route pour les investissements soutenables en bioénergie, minimisant les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) et maximisant la valeur financière de la bioraffinerie sur un horizon de planification à long terme tout en assurant une gestion optimale de l’activité incubatrice. Au niveau de la deuxième contribution, nous présentons une analyse de sensibilité du modèle mathématique proposé selon des scénarios plausibles, et ce, avec l’élaboration d’un canevas pour bien communiquer le modèle aux preneurs de décision. Le but de cette partie est d'évaluer la robustesse du modèle, de bien communiquer aux parties prenantes les implications des choix d'investissement dans la production de bioénergie dans un environnement incertain et d’identifier les perspectives pour améliorer l'efficacité du modèle proposé. Dans la troisième contribution, nous proposons une analyse fiscale approfondie des modes de dépréciations dérogatoires appliqués aux investissements en bioénergie. Cette analyse traite l’impact des types d’amortissements dérogatoires sur le choix d’investissement bioénergétique et sur la soutenabilité. Notre objectif est de fournir aux preneurs de décision un ensemble d’outils d’aide à la décision tout en renforçant leur pouvoir de négocier une politique fiscale favorable à l’investissement bioénergétique. Dans cette partie, on a mis en évidence le fait que le choix de l’investissement couplé avec le choix de sa façon de dépréciation offre à l’investisseur une visibilité plus complète sur les conséquences pratiques de l’investissement dans le domaine bioénergétique en connivence avec la législation fiscale en vigueur. Ce qui conforte le partenariat public-privé et détermine le niveau d’interventionnisme public dans la réussite des transformations escomptées du secteur de P&P. L’analyse d’impacts sociaux et les approches de programmation stochastique pour l’étude de robustesse n’ont pas été abordées par ce travail, elles ont été présentées comme perspectives de recherche.
The Canadian pulp and paper sector has played a major socio-economic role in the last two centuries. In addition to the advantage of their geographical position, P&P companies have accumulated proven experience in the forest industry, including the treatment of wood biomass. Over the last three decades, these entities have faced difficult environmental constraints, compounded by a chronic market crisis. This latest crisis has had unprecedented social consequences leading to a crisis of sustainability. Over the last decade, the green energy industry has become a basic component of the energy transition strategies for developed countries. Biomass has always been at the heart of such a strategy for Canada. For the P&P, this orientation is an opportunity to solve the growing environmental and economic crisis of the sector. Decision-makers need a road map to transform P&P's factories into an Integrated Forest Biorefinery (IFBR). The choice of technologies, the sizing of production capacity and the choice of bioenergy investment are major concerns for decision-makers. However, assessing the sustainability of this transformation remains a major challenge. Our contribution is focused on developing decision support approaches and tools to support an effective, robust and sustainable transformation of Canada's P&P industry. The objective is to assess the sustainability of the IFBR integration and to present a new business model to decision-makers, which can strengthen their ability to negotiate a favorable incentive policy for bioenergy investments within the framework of the public-private partnership. To achieve this goal, our methodology combines decision support tools, mathematical optimization models, along with financial and economic analysis. Our first contribution proposes the design and application of a sustainability evaluation method integrating the life cycle approach and the optimization of the value creation network as part of a multi-objective mathematical model. The proposed model provides a roadmap for sustainable bioenergy investments, minimizing GHG emissions and maximizing the financial value of the biorefinery over a long-term planning horizon while ensuring optimal management of the incubator activity. In the second contribution, we present a sensitivity analysis of the proposed mathematical model according to well selected scenarios, with the development of a framework for communicating the model to the decision-makers. The purpose of this analysis is to assess the robustness of the model, to communicate to stakeholders the implications of investment choices in bioenergy production in an uncertain environment, and to identify opportunities for improving the effectiveness of the proposed model. In the third contribution, we propose an in-depth tax analysis using accelerated depreciation methods applied to investments in bioenergy. This analysis deals with the impact of the types of depreciations on the choice of bioenergy investment and on sustainability. Our goal is to provide decision makers with a set of decision support tools while strengthening their power to negotiate a tax policy favorable to bioenergy investment. In this part, it was highlighted that the choice of the investment coupled with the choice of its depreciation way offers the investor a more complete visibility on the practical consequences of the investment in the bioenergetics field with respect to prevalent tax legislation. This reinforces the public-private partnership and determines the level of public interventionism needed for the success of the expected transformation of the P&P sector. The social impact analysis and stochastic programming approaches for the robust study were not addressed by this work, they were presented as research perspectives.

La séparation photoélectrochimique de l'eau (PEC) est un moyen direct de produire un combustible solaire tel que l'hydrogène à partir de l'eau. Le goulot d'étranglement de ce processus se situe dans la photoanode, qui est responsable du côté oxydation de la réaction1,2. Dans ce travail, l'utilisation de BiVO4 en tant que photoanode a été largement étudiée afin d'améliorer sa photoactivité. L’optimisation de la synthèse de photoanodes BiVO4 par électrodéposition en couche mince sur du FTO a été réalisée. Les facteurs influant sur l'activité photoélectrochimique, tels que le temps d'électrodéposition, le rapport Bi-KI/benzoquinone-EtOH dans le bain de dépôt et la température de calcination, ont été étudiés à l'aide de la conception composite centrale d'expériences. Les états de surface sur la surface de BiVO4 donnent lieu à des niveaux de défaut pouvant induire une recombinaison électron-trou via le mécanisme de Shockley-Read-Hall5. Afin de minimiser les inefficacités dues à la recombinaison électron-trou et passiver les états de surface, des couches de recouvrement ultra-fines d'Al2O3 et de TiO2 ont été déposées sur les électrodes en film mince BiVO4 d'une manière analogue à l'ALD. Cela a également été réalisé afin de protéger la surface de BiVO4 de la photocorrosion et d’augmenter sa stabilité. Une densité de photocourant de 0,54 mA/cm2 à 1,23 V vs RHE a été obtenue pour les 2 cycles de BiVO4 modifié par Al2O3, comme le montre la Figure 2, soit une amélioration de 54% par rapport à la BiVO4 nue qui démontrait une densité de photocourant de 0,35 mA/cm2. à 1,23 V vs RHE. Une augmentation de 15% de la stabilité de l'électrode de BiVO4 modifiée par Al2O3 a également été observée au cours de 7,5 heures d'irradiation continue. De plus, grâce aux mesures de capacité de surface présentées à la Figure 3, il a été montré que la surcouche de Al2O3 passivait effectivement à passiver les états de surface des électrodes de BiVO4. La nature de la surface de BiVO4 a été étudiée en étudiant la réactivité de la poudre de BiVO4 avec un titrant chimique. L’existence de groupes hydroxyle de surface sur BiVO4 a été confirmée et quantifiée (max. 1,5 OH / nm2) par titrage chimique. La réaction de la poudre de BiVO4 avec une impulsion de AlMe3 et une impulsion de H2O a montré qu'il existait 1,2 molécules de CH4 dégagées par Bi-OH. Dans ce travail, nous avons pu mettre en évidence les facteurs importants dans la synthèse de BiVO4 et leur incidence sur la photoactivité résultante. Nous avons également réussi à passiver les états de surface de BiVO4 en utilisant Al2O3, ce qui n’est pas bien exploré dans la littérature. De plus, nous avons pu sonder et discuter de la nature de la surface de BiVO4. Ceci est une connaissance très fondamentale et le premier rapport à ce sujet, à notre connaissance. Une bonne compréhension de cette surface semi-conductrice importante et de ses interactions facilitera la conception d'un photoanode BiVO4 plus efficace
Photoelectrochemical (PEC) water splitting is a direct way of producing a solar fuel like hydrogen from water. The bottleneck of this process is in the photoanode, which is responsible for the water oxidation side of the reaction1,2. In this work, the use of BiVO4 as a photoanode was extensively studied in order to improve its photoactivity. The optimization of BiVO4 photoanode synthesis via thin film electrodeposition on FTO was performed. The factors affecting the photoelectrochemical activity such as the electrodeposition time, ratio of the Bi-KI to benzoquinone-EtOH in the deposition bath, and the calcination temperature, have been investigated by using the Central Composite Design of Experiments.Surface states on the BiVO4 surface give rise to defect levels, which can mediate electron-hole recombination via the Shockley-Read-Hall mechanism5. In order to protect the BiVO4 surface and minimize the inefficiencies due to electron-hole recombination and passivate the surface states, ultrathin overlayers of Al2O3 and TiO2 were deposited to the BiVO4 thin film electrodes in an ALD-like manner. A photocurrent density of 0.54 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE was obtained for the 2 cycles Al2O3-modified BiVO4, which was a 54% improvement from the bare BiVO4 that demonstrated a photocurrent density of 0.35 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE. A 15% increase in stability of the Al2O3- modified BiVO4 electrode was also observed over 7.5 hours of continuous irradiation. Moreover, through surface capacitance measurements, it was shown that the Al2O3 overlayer was indeed passivating the surface states of the BiVO4 electrodes. The nature of the BiVO4 surface was studied by investigating the reactivity of powder BiVO4 with a chemical titrant. The existence of surface hydroxyl groups on BiVO4 was confirmed and quantified (max 1.5 OH/nm2) via chemical titration. The reaction of the BiVO4 powder with one pulse of AlMe3 and 1 pulse of H2O showed that there were 1.2 molecules of CH4 evolved per Bi-OH. In this work, we were able to highlight which factors are important in the synthesis of BiVO4, and how they affect the resulting photoactivity. We have also achieved the passivation of the BiVO4 surface states using Al2O3, which is not well-explored in literature. Moreover, we were able to probe and discuss the nature of the BiVO4 surface. This is a very fundamental knowledge and the first report of such, to the best of our knowledge. A good understanding of this important semiconductor surface and its interactions will aid in the design of a more efficient BiVO4 photoanode

Dans le contexte énergétique et climatique mondial, le coût élevé des enzymes Cellulolytiques (cellulases) freine le développement des bioraffineries lignocellulosiques, pour produire des biocarburants et composés chimiques à partir d'une matière première végétale renouvelable. L'objectif de ce travail est de caractériser et de modéliser le métabolisme du micro-organisme Trichoderma reesei, afin d'optimiser le protocole industriel de production de cellulases. Cette étude a été réalisée sur des milieux modèles représentatifs de ceux attendus à l'échelle industrielle. Tout d'abord, la stoechiométrie des réactions de croissance et de production a été établie, puis une étude cinétique a été menée pour mesurer précisément le comportement du micro-organisme à forte induction de la production de cellulases. Le modèle résultant a été utilisé pour optimiser le protocole industriel de production. Ensuite, l'intégration de cette étape dans une bioraffinerie lignocellulosique a été étudiée, avec l'effet sur le métabolisme i) des mélanges de sucres disponibles, ii) des composés inhibiteurs issus de la dégradation de la lignocellulose, et iii) du changement d'échelle. Ces travaux ont fait progresser de façon substantielle les connaissances du métabolisme de T. reesei en ce qui concerne la production de cellulases, et les modèles développés sont des outils d'aide rationnelle à la définition d'un procédé de production de cellulases intégré dans une bioraffinerie lignocellulosique
In the global energetic and climatic context, the high cost of the cellulolytic enzymes (cellulases) postpones the development of lignocellulosic biorefineries, dedicated to produce biofuels and chemical compounds from renewable vegetable feedstocks. The aim of this work was to measure and model the metabolism of the micro-organism Trichoderma reesei, in order to optimize the industrial protocol for the production of cellulase. This study was carried out using synthetic media representative of industrial ones. First, the stoichiometries of growth and protein production reactions were determined. Then, a kinetic study was conducted to precisely measure the specific rates of T. reesei at high induction of cellulase production. The resulting model was used to optimize the industrial production protocol. Finally the integration of this step in a lignocellulosic biorefinery was studied by determining the impacts on the metabolism of i) available sugar mixtures, ii) inhibitory compounds from lignocellulosic biomass degradation, and iii) scale-up. These results significantly contributed to improve the knowledge of T. reesei metabolism on cellulase production. The developed models are rational tools for the optimization of a cellulase production protocol suited to lignocellulosic biorefineries

La pyrolyse de la biomasse lignocellulosique produit de nombreuses espèces valorisables. L’huile de pyrolyse est un liquide présentant un grand potentiel de valorisation en tant que carburant et en tant que produits chimiques. L’objectif général de la thèse est l’étude du fractionnement des huiles de pyrolyse avec une approche thermodynamique, afin de fournir des outils pour la conception de bioraffineries. Le développement d’une méthodologie et l’étude d’une biohuile type ont été menés, afin que ce travail soit extrapolable à des biohuiles réelles. Un mélange représentatif des huiles de pyrolyse a été synthétisé en regroupant les composés par familles chimiques. Deux nouveaux schémas de procédés de bioraffinage des huiles de pyrolyse ont été proposés pour la valorisation de l’acétol, de l’acide acétique et du furfural.Une méthode de sélection de solvants a été développée. Elle repose sur des critères physicochimiques, sur des critères de dangerosité, sur des critères économiques et sur des critères d’efficacité. Les paramètres du modèle thermodynamique NRTL ont été régressés sur des données expérimentales mesurées dans le cadre de cette thèse, ainsi que sur des données de la littérature afin de représenter les équilibres de phases des systèmes biohuile+solvantLes procédés de bioraffinage proposés ont été simulés sur Aspen PlusTM en utilisant les modèles thermodynamiques développés. Ils ont été comparés sur des aspects de performance économique
Lignocellulosic biomass pyrolysis produces a large number of valuable products. Pyrolysis oil is a liquid with a great valorization potential as fuel and as chemicals. The general objective of this PhD is to study the fractionation of pyrolysis oil with a thermodynamic approach, in order to provide tools for the conception of bioraffineries. The development of a methodology and the study of a typical bio-oil were carried out, so that this work can be extrapolated to real biooils. A representative mixture of the pyrolysis oils was synthesized by grouping the compounds by chemical families. Two new pyrolysis oils biorefining flowsheets were proposed for acetol, acetic acid and furfural valorization. A solvent screening method was developed. It is based on physicochemical criteria, on dangerousness, economic and efficiency criteria. NRTL thermodynamic model parameters were regressed on experimental data measured during this thesis, together with literature data, in order to represent the phases equilibria of biooil+solvent systems.The proposed biorefinery processes were simulated with Aspen PlusTM using the developed thermodynamic models. Their economic performances were compared

Développer une recherche appliquée pour soutenir les marchés autour des sous-produits & déchets est devenu indispensable, non seulement du point de vue de l'environnement mais aussi pour une économie circulaire des processus industriels durables. Dans ce contexte, les humines constituent l'un des sousproduits les plus prometteurs. Les humines se forment lors de la conversion par le bioraffinage de sucres dérivés de la biomasse lignocellulosique en composés furaniques. Ils sont constitués d’un mélange d'oligomères de couleur foncée et très visqueux, dérivés de condensations aléatoires entre les différents intermédiaires (principalement le HMF et dérivés) formés au cours du processus catalysé par un acide. Notre groupe, ainsi que de nombreuses recherches récentes, a prouvé le potentiel de ce mélange riche en furanes par les propriétés intéressantes induites par les humines. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs études réalisées afin de valoriser ce matériau, avec un accent particulier sur les mousses d’humines, nouveaux matériaux poreux polymères à base de carbone dérivés d’humines industrielles de manière simple et économique. Les mousses d'humines peuvent être préparées par des traitements de chauffage direct d'humines industrielles sans aucune étape préalable de préparation (purification, séparation, modification). Nous montrons dans ce manuscrit qu'il est possible de contrôler les propriétés des mousses (dimension des pores, degré d'ouverture des cellules, morphologie, teneur en carbone, etc.) en contrôlant les paramètres de préparation tels que les températures appliquées, les rampes de chauffage, le débit du gaz, la quantité d'humines ou nature du creuset. Le mécanisme de moussage a été étudié, plusieurs criblages des paramètres de préparation ont été réalisés. Les mousses ainsi obtenues ont été caractérisées du point de vue chimique, physico-chimique et structural. En outre, pour la première fois, des études sur les risques thermiques, indispensables pour leur transport et commercialisation, ont été réalisées tant pour les humines que pour les mousses d’humines. Les propriétés des mousses d’humines ont été étudiées en soulignant leur potentiel d’applications. Parmi celles-ci, les humines ont été testées pour la préparation de matériaux poreux à base d’alumine par « sacrificial templating », ce qui ouvre la voie à de futures recherches concernant la préparation d’autres matériaux poreux. Un autre potentiel d’utilisation d’humines est celui de « dye sensitizing » dans des cellules solaires. Des études préliminaires sur cette utilisation ont conduit à des résultats très prometteurs. Cette thèse prouve non seulement combien les matériaux d’humines sont prometteurs, en soulignant leurs principaux avantages, mais vise également à accroître l’intérêt suscité par ces matériaux
Developing research and markets around by-products has become indispensable not only from the environmental point of view but also for the circular economy of the industrial processes. In this context, humins constitute one of the most promising by-products. Humins are formed during the biorefinery conversion of lignocellulosic biomass derived sugars into furanic compounds. They consist in a dark-colored, highly viscous, mixture of oligomers derived from random condensations between the several intermediates (mainly HMF and derivatives) formed during the acid catalyzed process. Our group, along with many recent researches, have proven the many hidden possibilities of this furan-rich mixture, which might in turn be attractive for the interesting properties that humins can offer. In this thesis we report several studies performed in order to valorize this material, with a particular focus on humins foams, new polymeric carbon-based porous materials derived from industrial humins in a straightforward and economic attractive way. Humins foams can be prepared by direct heating treatments of humins industrially obtained without any preliminary step such as purification, separation or modification. We show in this manuscript that is possible to control the foams properties (pores dimension, degree of cells opening, morphology, carbon content, etc.) by controlling the preparation parameters such as temperatures applied, heating ramps, gas flow, amount of humins or kind of crucible. The mechanism of foaming has been revealed, several preparation conditions screening carried out, and the material characterized from the chemical, physico-chemical and structural point of view. Furthermore, for the first time, thermal hazard studies for both humins and humins foams have been carried out, which are indispensable for their transport and commercialization in support of entire Biorefinery. Humins foams properties have been deeply studied and tested in several fields, highlighting their most promising applications. Among these, humins foams has been successfully used in the preparation of alumina porous materials by sacrificial templating, which opens the path to future investigations involving further porous materials preparation. Along humins foams, also preliminary studies of crude humins application as dyes for sensitized solar cells and for further materials and composites preparations were carried out. This thesis not only proves how promising humins materials are, highlighting their major advantages and the points of s trength that would be competitive on the market, but also aims to increase the interest around these materials. This thesis offers a good starting point for further and future valorizations, with advantages that will involve the environment along with the entire Biorefinery

Le concept de Raffinerie de microalgues consiste à mettre au point des méthodes extrapolables à l’échelle industrielle permettant d’extraire, de séparer et de valoriser l’ensemble du contenu intracellulaire des microalgues. La mise en oeuvre d’un tel concept nécessite d’avoir des données sur la composition, sur la possibilité de séparation, et sur les fonctionnalités des différentes fractions de la biomasse. Dans le cadre de ce travail, Haematococcus pluvialis, qui produit un pigment à forte valeur ajoutée (l’astaxanthine) mais pour laquelle peu d’information n’est disponible sur les autres composés de sa biomasse, a été choisie comme modèle de microalgue. L’objectif est de quantifier et d’étudier la possibilité de valorisation des différentes fractions de la biomasse à différents stades de culture. Après une étape de lyse cellulaire par broyage haute pression, plusieurs fractions sont obtenues. Les protéines présentes dans le surnageant de broyage ont fait l’objet d’une caractérisation en terme de répartition des masses molaires et plusieurs méthodes de purification / concentration ont été mises en oeuvre. Les propriétés émulsifiantes (capacité émulsifiante, stabilité d’émulsion et index d’activité émulsifiante) ont été déterminées et comparées à celles d’un ingrédient commercial (caséinate de sodium). Cette étude a permis de montrer que les protéinesd’H. pluvialis possèdent un fort potentiel en tant qu’agent émulsifiant. Le surnageant de broyage, en plus des protéines, contient également des sucres, et une quantité importante de lipides et de pigments. Afin de séparer les composés hydrosolubles de ceux liposolubles dans le surnageant, une méthode basée sur l’utilisation du polyethyleneimine (PEI) a été mise en oeuvre. Ainsi il a été possible de définir des conditions permettant la floculation de 96 % des lipides et pigments en conservant 100 % des sucres et 89 % des protéines dans la phase aqueuse. Dans la suite du travail, la chromatographie de partage centrifuge (CPC) a été testée afin de séparer les lipides et les pigments. L’utilisation d’un système heptane : méthanol (+ 2 % eau) a ainsi montré que cette méthode permet le fractionnement des composés liposolubles, principal verrou technologique de la bioraffinerie d’H. pluvialis. Un schéma intégré de bioraffinage d’Haematococcus pluvialis a ainsi pu être proposé
The concept of Refinery of microalgae consists in finding experimental procedure allowing the separation / valorization of the intracellular components of microalgae with the aim of the scale-up at industrial level. However the implementation of such a concept requires the acquisition of data on the composition, component separation efficiencies, and their valorization ability. For this study, Haematococcus pluvialis, a known producer of a high value-added pigment (astaxanthin) was chosen as a model of microalgae. If the characteristic of the pigment of this microalga is indeed well defined, there is still a lack of knowledge on the other compounds of its biomass. The aim of this work is to quantify and to study the valorization potential of various fractions of the biomass at different stages of the culture. After quantification and characterization of the various fractions of the biomass, cell lysis was achieved to obtain supernatant that contains beside pigment, proteins, sugars and important quantity of lipids. Proteins in the supernatant were characterized in term of molecular masses distribution. Several methods based on combined effect of high pressure disruption / pH shifting and ultrafiltration were implemented for concentration/fractionation of protein matrix. The emulsifying properties (emulsifying capacity and stability) were determined and compared to those of a commercial ingredient (sodium caseinate). It has been shown that the proteins from H. pluvialis possess a high potential as emulsifying agent. Using polyethyleneimine (PEI) an experimental procedure was tested to separate the hydrosoluble and liposoluble compounds from the supernatant. Thanks to this procedure, it was then possible to define experimental conditions permitting the flocculation of 96 % of lipids and pigments while 100 % of sugars and 89 % of proteins remained in the aqueous phase. Afterward, the centrifugal partition chromatography (CPC) was tested to separate lipids and pigments. The use of a heptane : méthanol (+ 2 % water) system highlighted that this method induced the separation of the liposoluble compounds, the main technological deadlock in the biorefinery of H. pluvialis. Finally, an integrated flow-sheet for Haematococcus pluvialis biorefinery has been advised

Le concept de bioraffinerie désigne le procédé de transformation de la biomasse en divers produits commercialisables et en énergie, l’accumulation d’agro-résidus étant ainsi significativement réduite. Ce travail propose un processus de bioraffinerie du germe de maïs et du tourteau de pressage de noix. Pour le germe de maïs, le procédé comporte une première étape d’extraction d’huile pour laquelle différentes méthodes ont été mises en œuvre, suivie de l’extraction des protéines et de l’évaluation du potentiel stabilisant des résidus solides (émulsions de Pickering). Il a été montré que la méthode d’extraction d’huile influençait les fonctionnalités (solubilité, capacité d’absorption d’eau, propriétés moussantes et émulsifiantes) des protéines et que les farines de germe de maïs étaient des agents stabilisants d’émulsions huile dans eau (H/E) performants. Pour le tourteau de noix, source d’huile et de composés phénoliques antioxydants, le travail s’est focalisé sur l’extraction assistée par ultrasons de composés phénoliques du tourteau deshuilé et l’évaluation des capacités émulsifiantes des résidus solides. Les extraits ont montré une forte capacité à piéger les radicaux libres et les résidus solides ont permis de fabriquer des émulsions H/E fines très stables. L’extraction assistée par ultrasons a également été appliquée à l’extraction des composés phénoliques d’un troisième co-produit, le marc de raisin. Les paramètres statistiquement influents ont été identifiés pour les deux matrices
The concept of biorefinery has emerged as an industrial facility where biomass is transformed into a wide range of marketable products and energy, and the accumulation of agro-residues is significantly reduced. This work proposed a biorefinery scheme from corn germ and walnut press-cake as by-products. For corn germ, the scheme involved a first step of oil recovery by different methods followed by protein extraction while solid residues were assessed for stabilizing emulsions (Pickering emulsions). It was demonstrated that protein functionalities (such as solubility, water absorption, foaming and emulsifying capacities) were influenced by oil extraction method, and that corn germ meals showed high capacity to stabilize oil-in-water emulsions. For walnut press-cake, a source of oil and phenolic antioxidants, the scheme focused on ultrasound assisted extraction of phenolics from the defatted cake, and the stabilizing ability of the residue particles. Extracts exhibited a high capacity of scavenging free radicals (DPPH) and walnut cake particles allowed to fabricate highly stable oil-in-water emulsions with fine droplets (1-2 µm). Ultrasound assisted extraction was also applied to recover phenolics from a third by-product that was a grape pomace. Influent parameters of extraction were statistically identified for both matrices with trends positively modeled by second-order polynomial equations

Cette thèse de doctorat porte sur la valorisation du déchet solide issu de la préparation de la mélasse de caroube libanaise pour la production de bioénergie et de molécules à valeur ajoutée. L’analyse de la composition de ce déchet a montré qu’il contient 45 % (g/g) de sucres, substrats exploitables pour la fermentation alcoolique ou lactique, la production de biohydrogène, ou comme source de carbone pour la croissance d’une algue dans un procédé de phycoremédiation (traitement des eaux par les algues) pour l’élimination de micropolluants pharmaceutiques. Les résultats obtenus ont montré que la fermentation alcoolique en phase liquide à partir d’extraits de déchet de caroube peut conduire à des rendements élevés en bioéthanol sous réserve d’enrichir le milieu de culture par les éléments nécessaires pour la croissance de la levure Saccharomyces cerevisiae (en particulier l’azote), tandis qu’il est possible de produire directement le bioéthanol sur le déchet par fermentation en milieu solide sous réserve de contrôler précisément l’humidité. Nous avons également démontré que la fermentation lactique par immobilisation de Lactobacillus rhamnosus sur des billes d’alginate constitue une alternative possible au bioéthanol pour les sucres extraits du déchet. Cependant, un enrichissement du milieu de culture, ainsi que l’utilisation d’une invertase en prétraitement sont nécessaires afin de maximiser le rendement et la productivité de l’acide lactique. L’immobilisation des microorganismes a permis de réutiliser les mêmes billes d’alginate au cours de cinq cycles successifs de production. Une autre alternative potentielle aux voies précédentes est la fermentation sombre pour la production de biohydrogène directement à partir du déchet. Si des rendements intéressants ont été atteints, il faut noter que comme précédemment dans le cas de la fermentation solide du déchet, une forte dépendance aux conditions initiales de broyage a été mise en évidence ; de plus, à la carence en azote qui obligeait à supplémenter les milieux en fermentation en phase liquide s’ajoutent des besoins en fer. Enfin, l’utilisation du déchet comme substrat carboné dans un procédé de phycoremédiation avec l’algue Ankistrodesmus braunii a montré que l’élimination de 90% du diclofénac initial pouvait être atteinte en conditions de mixotrophie, même si seulement un tiers du diclofénac éliminé est effectivement métabolisé par l’algue
This PhD thesis deals with the valorization of the solid waste generated by the Lebanese carob molasse process with the aim to produce bioenergy or high added-value platform molecules. The chemical analysis of this waste has highlighted that it contains 45% (w/w) sugars, which can be used as a substrate for alcoholic or lactic fermentation, the production of biohydrogen by dark fermentation, or as a carbon source for the growth of microalgae in a phycoremediation process (water treatment process based on algae/microalgae) for the removal of pharmaceutical micropollutants. Experimental results have shown that high ethanol yield and productivity could be achieved through alcoholic fermentation in the liquid phase using extracts from carob waste as the substrate, provided the culture medium was enriched by complementary nutrients (especially a nitro-gen source) to enhance the growth of the yeast Saccharomyces cerevisiae; in parallel, the direct production of ethanol from the solid waste based on solid-state fermentation was also proved to be efficient, provided humidity was accurately controlled. In addition, lactic fermentation per-formed with immobilized Lactobacillus rhamnosus on alginate beads was shown to constitute a potential alternative to bioethanol for the extracts from carob waste. An enriched culture medium was, however, necessary, together with the use of an invertase enzyme as a pretreatment so as to maximize the yield and the productivity of lactic acid. Using microorganism immobilization lead to the opportunity to recycle at least five times alginate beads in successive culture cycles. Another potential alternative to the above-mentioned valorization pathways was proved to lie in the dark fermentation process for biohydrogen production, directly using the solid waste. While attractive yields were reached, a strong dependence on the particle size from grinding pretreatment was emphasized, as in solid-state fermentation; moreover, iron supplementation in the culture medium was compulsory, in addition to nitrogen supplementation already described when fermentation was carried out in the liquid phase. Finally, when the carob waste was used as a substrate for the growth of the algae Ankistrodesmus braunii in a phycoremediation process, a removal yield of the initial diclofenac content about 90% could be reached under mixotrophic conditions, even though only one third of the diclofenac removed was effectively metabolized

Intresset för användningen av material från förnybara råvaror ökar. Produktionen av vedmassa och material i skogsindustrin genererar dagligen stora mängder biprodukter, särskilt bark. Barken innehåller många värdefulla komponenter som kan förädlas och öka värdet för barken, men först måste de separeras. Målet med denna undersökning var att separera dessa genom att jämföra två olika typer av extraktionsmetoder. Den första metoden använde programmerbar utrustning som namnges accelerated solvent extraction (ASE) och den andra använde manuell teknik som namnges Soxhlet extraktion. Syftet med undersökningen var att avgöra vilken extraktionsmetod som kan användas till att utvinna bark komponenter mest effektivt. Metoden ASE omfattar acetonextraktion och varmvattenextraktion där trycket var 100 bar, temperaturen 100oC och tiden drygt en timme. Soxhletextraktion omfattade enbart acetonextraktion under atmosfäriskt tryck, kontinuerlig värme och tiden 90 minuter. ASE-metoden gav fyra extrakt; acetonextrakt vid 100oC samt varmvattenextrakt vid 100oC, 140oC och 160oC.  Barken som studerades var uppdelad i två fraktioner, fuktig bark och torr bark. En beräkning av utbyte % utfördes efter varje extraktion. Extrakten från fuktig bark hade mörkare färg än extrakten från torr bark. Det uppmätes pH-värden för alla vattenextrakt och den som gav lägst pH var vattenextrakt som erhölls vid 160oC. Slutligen visade utbyteresultaten inga stora skillnader mellan de utförda ASE vattenextraktionerna exklusive extraktfärgen som kan vara en indikation till skillnad i extraherade molekyler. Användningen av sand under varmvattenextraktionerna gav inga förbättringar i extraktionsmetoden.
Interest in the use of materials from renewable sources is increasing. The production of wood pulp and materials in the forest industry generates large amounts of by- products daily, especially tree bark. Bark contains many valuable components which if separated can be used in various types of applications. The aim of this study was to compare two extraction methods. The first method used programmable equipment and is named accelerated solvent extraction (ASE) and the second used manual technology and is named Soxhlet extraction.  The purpose of the study was to determine which extraction method can be used to extract bark components more efficiently. The ASE method included acetone extraction and hot water extraction where the pressure was 100 bar, the temperature 100oC and the time just over an hour. Soxhlet extraction involved only acetone extraction under atmospheric pressure, continuous heating, and a time of 90 minutes. The ASE method yielded four extracts: acetone extract at 100oC and hot water extract at 100oC, 140oC and 160oC.  The bark studied was divided into two parts, undried bark and dry bark. Total calculation of yield% was performed after each extraction. The extracts from undried bark had a darker color than the extracts from dry bark. The pH values were measured for all water extracts and the one that gave the lowest pH was obtained at 160oC. Finally, the extraction results did not show any major differences between the ASE water extractions performed excluding the extract color which may be an indication of difference in extracted molecules. The use of sand during the hot water extractions did not improve the extraction method.

Pour permettre la transition énergétique en Suisse, SCCER BIOSWEET (i) a évalué les potentiels actuels et futurs de l’énergie primaire provenant des différents types de biomasse ligneuse en Suisse ; (ii) a développé et mis en oeuvre des technologies innovantes pour l’utilisation de la biomasse dans les domaines de la chaleur, de l’électricité et des carburants ; et (iii) a étudié le rôle futur de la biomasse ligneuse dans le système énergétique. SCCER BIOSWEET a commencé avec l’objectif de 100 pétajoules (PJ) de consommation d’énergie primaire par an provenant de la bioénergie d’ici 2050, ce qui signifie un doublement de la consommation d’énergie actuelle provenant de la biomasse. Selon les résultats des analyses réalisées par SCCER BIOSWEET, cet objectif est réalisable et la biomasse ligneuse pourrait y contribuer à hauteur de 50 %. Néanmoins, en ce qui concerne l’efficacité des ressources et la décarbonisation de l’industrie et de la société, la priorité doit être accordée à l’utilisation matérielle du bois (utilisation en cascade), par exemple comme produits chimiques dans les bioraffineries. En Suisse, l’utilisation du bois à des fins énergétiques devrait idéalement inclure la production de chaleur à haute température pour le chauffage des processus industriels, ainsi que de carburants sous forme gazeuse et liquide pour les transports terrestres et aériens. Un autre point essentiel est la nécessité de compenser les fluctuations de la production d’autres sources d’énergie, notamment solaire.

Um die Energiewende in der Schweiz zu ermöglichen, hat SCCER BIOSWEET (i) die aktuellen und zukünftigen Potenziale an Primärenergie aus den verschiedenen verholzten Biomassearten in der Schweiz ermittelt; (ii) innovative Technologien für deren Nutzung in den Bereichen Wärme, Strom und Treibstoffe entwickelt und umgesetzt; sowie (iii) die zukünftige Rolle der verholzten Biomasse im Energiesystem untersucht. SCCER BIOSWEET startete mit der Vision von 100 Petajoule (PJ) Primärenergieverbrauch pro Jahr aus Bioenergie bis 2050, was einer Verdoppelung des heutigen Energieverbrauchs aus Biomasse entspricht. Nach den Ergebnissen der im Rahmen von SCCER BIOSWEET durchgeführten Analysen ist dieses Ziel erreichbar und die verholzte Biomasse könnte 50 % dazu beitragen. Im Hinblick auf die Ressourceneffizienz und die Dekarbonisierung von Industrie und Gesellschaft sollte jedoch die stoffliche Nutzung von Holz, zum Beispiel als Dämmstoffe oder als Chemikalien in Bioraffinerien, im Vordergrund stehen und der energetischen vorangehen (Kaskadennutzung). Die energetische Nutzung von Holz umfasst in der Schweiz idealerweise die Produktion von Hochtemperaturwärme für industrielle Prozesse sowie Treibstoffe in gasförmiger und flüssiger Form für den boden- und fluggebundenen Verkehr. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Ausgleich von Schwankungen in der Produktion anderer Energieträger, insbesondere der Solarenergie.