Dissertations / Theses: 'Bioraffineries'

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Ba, Birome Holo. "Modélisation et optimisation de chaines d'approvisionnement en biomasses pour des bioraffineries." Thesis, Troyes, 2016. http://www.theses.fr/2016TROY0001/document.

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Abstract:

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

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Ben, Daya Bechir. "Planification soutenable des investissements bioénergétiques : intégration des bioraffineries aux pâtes et papiers." Doctoral thesis, Université Laval, 2018. http://hdl.handle.net/20.500.11794/30335.

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Abstract:

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.

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Tolod, Kristine. "Photocatalyseurs actifs dans le visible pour l'oxydation de l'eau : vers les bioraffineries solaires." Thesis, Lyon, 2019. http://www.theses.fr/2019LYSE1053.

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Abstract:

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

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Jourdier, Etienne. "Modélisation et optimisation de la production de cellulases par Trichoderma reesei pour les bioraffineries lignocellulosiques." Thesis, Clermont-Ferrand 2, 2012. http://www.theses.fr/2012CLF22264.

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Abstract:

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

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Stephan, Charlie. "Etude des équilibres de phases et des procédés de séparation de l'huile de pyrolyse pour l'optimisation des bioraffineries de 2ème génération." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018PSLEM087.

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Abstract:

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

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Tosi, Pierluigi. "Stratégies de valorisation des humines en tant que sous produits de bioraffineries grâce à l’éco conception de matériaux poreux et à leurs applications." Thesis, Université Côte d'Azur (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019AZUR4100.

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Abstract:

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

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Ba, Fatou. "Bioraffinerie de la microalgue Haematococcus pluvialis." Thesis, Clermont-Ferrand 2, 2016. http://www.theses.fr/2016CLF22766.

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Abstract:

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

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Espinosa, Pardo Faber Ariel. "Propriétés techno-fonctionnelles des fractions produites par bioraffinerie." Thesis, Bordeaux, 2020. http://www.theses.fr/2020BORD0205.

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Abstract:

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

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Bahry, Hajar. "Valorisation de la mélasse de caroube par une approche bioraffinerie." Thesis, Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020), 2017. http://www.theses.fr/2017CLFAC070.

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Abstract:

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

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Al-Bety, Salwa. "Bioraffinering av bark: En jämförelse mellan två extraktionsmetoder." Thesis, KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), 2021. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-299638.

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Abstract:

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.

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Belletante, Ségolène. "Méthode multi-échelle pour la conception optimale d'une bioraffinerie multi-produit." Thesis, Toulouse, INPT, 2016. http://www.theses.fr/2016INPT0072/document.

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Abstract:

De nos jours, de nouvelles technologies sont développées pour produire efficacement des produits dérivés de matières premières autresque le pétrole, comme par exemple la biomasse. En effet, la biomasse et plus spécifiquement la biomasse non alimentaire possède un fort potentielcomme substitut aux ressources fossiles pour des raisons environnementales, économiques et politiques. Dans ce contexte, l’étude des bioraffineries offre de nouvelles opportunités pour le Process System Engineering et plus particulièrement pour des activités de recherche quivisent la conception de systèmes constitués d’entités interconnectés. En effet, le verrou principal se concentre sur la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie qui permet l’intégration de plusieurs échelles spatiales allant de l’échelle moléculaire à celle de l’unité de production. Ces différentes échelles sont essentielles pour décrire correctement le système puisqu’elles interagissent en permanence. La forte dilution des courants est le meilleur exemple pour illustrer ces interactions. En effet, la présence d’eau induit de nombreux problèmes thermodynamiques (azéotropes, etc.) à l’échelle moléculaire, ce qui impacte fortement la topologie du procédé notamment sur les étapes de séparation, de purification et detraitement des purges (pour limiter les pertes en produits). Ainsi, la performance de la séquence d’opérations unitaires de l’étape de purification dépend entièrement de la concentration en eau. De plus dans la conception de bioraffinerie, il est fréquent de coupler fermentation et séparation afin d’améliorer les performances de la fermentation et de limiter la présence d’eau dans l’étapede purification. Par ailleurs, la grande quantité d’eau à chauffer ou refroidir entraine la nécessité de réaliser l’intégration énergétique du réseaud’échangeurs du procédé afin de minimiser le coût les dépenses énergétiques. L’objectif de ce travail est alors de proposer une méthodologie générique et les outils associés afin de lever certains verrous de la modélisation et l’optimisation multi-échelle de la bioraffinerie. Basée sur une approche par superstructure, la finalité de la méthodologie est d’évaluer les performances des alternatives étudiées en termes technico-économiques, environnementaux et d’efficacité énergétique en vue de son optimisation multi-objectifs pour trouver la voie de traitement optimale pour le(s) bioproduit(s) d’intérêt. Le cas d’application retenu se focalise sur la production de biobutanol à partir du système Acétone-Butanol-Ethanolet d’une biomasse d’origine forestière. La première étape de la méthodologie proposée concerne la création de la superstructure de la bioraffineriebasée sur une décomposition de cette dernière en 5 étapes principales : le prétraitement, la fermentation, la séparation, la purification et letraitement des purges. Ensuite, la seconde étape consiste à modéliser chaque alternative de procédé. Cette modélisation utilise un modèlethermodynamique à coefficients d’activité afin de décrire le comportement fortement non-idéal des molécules du milieu. De plus, l’intégration du traitement des purges et de l’intégration énergétique durant cette étape permet d’améliorer le procédé. Enfin, la dernière étape s’intéresse à l’optimisation multiobjectif qui se focalise sur différents aspects : maximisation de la production, minimisation des coûts, du prix minimal de vente des bioproduits, des pertes en produits et de l’impact environnemental. Cette dernière étape inclut également des études de sensibilité sur les différents paramètres de la méthodologie : opératoires, économiques, environnementaux... A l’issu de l’optimisation, un compromis seratrouvé afin d’obtenir une bioraffinerie durable
Nowadays, to replace chemical products derived from petrol, new technologies are developed to produce products derived from others feedstock than crude oil like biomass. Indeed, biomass and especially nonfood biomass has a high potential as substitute due to its environmental, economic and political interests. Inthis context, the study of biorefineries offers new opportunities in the Process System Engineering and especially in research activities which aim to design systems with interlinked compounds. Indeed, the main hurdle focuses on the modeling and the multiscale optimization of thebiorefinery that allows integratingseveral spatial scales from the molecular scale to the plant scale. These scales are essential to describe accurately the system because they interact. The large dilution of flows is the best example to show these interactions. Indeed, water induces many thermodynamic problems (azeotropes, etc.) at the moleculescale, that impact on the process design and mainly on the separation, the purification and the treatment of purges (to limit losses of products). In consequence, the sequence of unit operations of the purification step depends of the water concentration. Furthermore, in the design of the biorefinery, the fermentation and theseparation are usually combined in order to improve performances of the fermentation and limit the water concentration in the purification step. Moreover, the large amount of water that needs to be heated or cooled induces the need of the energy integration of the heat exchangers network to minimize energy consumption. The aim of this work is to propose a generic methodology with connected tools in order to overcome some hurdles caused by the modeling and the multiscaleoptimization of the biorefinery. Based on the superstructure approach, the purpose of the methodology is to estimate performances of considered alternatives in the technical, economic, environmental and energy efficient aspects in preparation for the multiobjective optimization which finds the optimal process for the productionof the interesting bioproduct. This work focuses especially on the production of biobutanol through the Acetone-Butanol-Ethanol system from forest biomass. The methodology begins with the creation of the superstructure of the biorefinery composed by 5 major steps: the pretreatment, the fermentation, the separation, the purification and the treatment of purges. Next, the methodology consists in modeling each alternative of process. It integrates a thermodynamic model with activity coefficients in order to describe accurately the greatly nonideal behavior of molecules. Moreover, the treatment of purges and the energy integration are integratedat this step in order to improve the process. Finally, the last step interests to the multiobjective optimization which focuses on different aspects: the maximization of production and the minimization of the costs, the minimal selling price of bioproducts, the losses of bioproducts and the environmental impact. This step includes also sensitivity analysis on different parameters of the methodology: operating, economic, environmental… After the optimization, a compromise is made in order to obtain sustainable biorefinery

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Espinoza, Pérez Andrea Teresa. "Optimisation de la conception de la chaîne d’approvisionnement pour une bioraffinerie durable." Thesis, Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0222/document.

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Abstract:

La croissance de la population mondiale et son effet sur la sécurité alimentaire et l'urgence du changement climatique, sont des facteurs qui favorisent des diverses innovations pour accroître l'efficacité de l'utilisation des ressources naturelles. Parmi lesquelles la biomasse est une ressource renouvelable d’une grande disponibilité. Une bioraffinerie peut transformer la biomasse en énergie durable, matériaux et des produits chimiques. Par contre, au début d'un projet de bioraffinerie, des décisions stratégiques doivent être prises. Et ainsi, le processus de décision doit tenir en compte diverses aspects, comme des conditions spécifiques du territoire où le projet est destiné à être déployé. Une étude récente montre que, bien que ce problème ait été traité par la communauté scientifique, l'accent est mis sur les facteurs de rentabilité économique. Cependant, considérer toutes les dimensions de la durabilité, «Économique», «Social», «Environnemental», «Technologique» et «Politique» est essentielle dans ce type de projets. Dans ces conditions, tous les outils d'optimisation disponibles ne conviennent pas. Par conséquent, une étude préliminaire sur les outils d'optimisation multi-objectifs est réalisée. Par la suite, une stratégie d'optimisation intégrant les dimensions de durabilité dans la phase amont du projet a été développée. En fin, le modèle développé a été appliqué à l'étude du déploiement de bioraffineries en Colombie. Ce modèle et son optimisation permettent une meilleure visibilité pour les décideurs, grâce à sa capacité de proposer des scénarios et d’évaluer les compromis de la durabilité en intégrant les préférences des parties prenantes
The growing global population and its effect on food security and the urgency for climate change mitigation, are issues that foster innovations to increase the efficiency of the use of natural resources. Among them, biomass is a renewable resource highly available. A biorefinery can transform biomass in source of energy, materials and chemical products. However, at the early stage of a biorefinery project, strategic decisions have to be made, including location, production capacity or technology to be used, determining the project’s feasibility. As a consequence, the decision process needs to consider several aspects, as the specific conditions of the territory where the project is supposed to be deployed. A recent study shows that despite this problem has been treated by the multiple objective programming community, the main focus has been centered on factors of economic profitability. However, consider the whole dimensions of sustainability, “Economical”, “Social”, “Environmental”, “Technological” and “Political” is essential in this kind of project. Under these conditions, not all available optimization tools are suitable. Hence, a preliminary study about multi-objective optimization tools is realized. Then, a general optimization modeling strategy integrating the sustainability dimensions at the early stage of a biorefinery project is developed. To finish, the developed model is applied to the case study of biorefinery deployment in Colombia. It will permit a better visibility for decision makers, because its capability to propose scenarios and evaluate sustainability trade-offs by integrating stakeholders preferences

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Boucher, Jérémy. "Etude des possibilités de production d'éthanol hémicellulosique dans le cadre d'une bioraffinerie papetière." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENI037/document.

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Abstract:

La réduction de la consommation des carburants fossiles est l’un des enjeux majeurs du XXIème siècle. Le bioéthanol représente une alternative durable à l’essence, mais sa production est limitée puisqu’il est produit à partir de ressources alimentaires. L’éthanol de seconde génération offre une alternative pour relancer son développement. Encore au stade expérimental, il serait produit à partir de biomasse lignocellulosique (bois, paille, plantes annuelles..) et donc ne concurrencerait pas l’alimentation humaine. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de production d’éthanol de 2nde génération dans une usine de pâte kraft. Dans ces usines, les hémicelluloses, qui représentent 20 à 30% du bois, ne sont pas valorisées. Cette étude porte sur l’extraction de ces hémicelluloses en amont du procédé et de leur fermentation en éthanol. Elle consiste à la mise au point et l’optimisation d’un procédé global allant du copeau de bois à l’éthanol
Decreasing the consumption of crude oil derivatives has become one of the main world issues of the 21st century. The only green substitute for gasoline potentially available in large quantities today is bioethanol, but its production has to be limited as it is produced from crops. It is therefore important to develop the production of second generation ethanol, which consists in using lignocellulosic biomass as raw material to avoid to compete with food resources. Second generation ethanol is still at experimental scale nowadays. This thesis deals with the specific case of the production of ethanol from hemicelluloses in a kraft pulp mill. In pulp mills, hemicelluloses, which make up 20 to 30% of the wood, are not value added. It is proposed to extract them from wood prior to the kraft treatment and to ferment them into ethanol. The study talks more specifically of the optimisation of the global process from the woodchip to the ethanol

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Jubeau, Sébastien. "Application du concept de bioraffinerie à la valorisation de la microalgue Porphyridium cruentum." Nantes, 2012. http://www.theses.fr/2012NANT2105.

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Abstract:

La bioraffinerie est similaire à la méthodologie utilisée en industrie pétrochimique qui consiste à séparer les constituants d’une biomasse pour les convertir en différents produits à forte valeur ajoutée. La microalgue Porphyridium cruentum est bien connue dans la littérature pour sa production de nombreux métabolites valorisables tels que des pigments (B-Phycoerythrine, zéaxanthine) ; des acides gras oméga 3 et oméga 6, des exopolysaccharides (EPS). A ce jour, il n’existe pas de schéma de procédés intégrés visant à aboutir à la valorisation totale de cette biomasse. C’est donc avec une approche de bioraffinerie, visant à rendre viable la production de microaglues, que le travail présenté ici a été réalisé. Un schéma de procédé global, constitué de 4 étapes, culture et récolte des microalgues, destruction cellulaire, fractionnement des différentes familles de molécules et purification, a été mis en place. La phase de culture a permis d’atteindre une concentration en biomasse de 2,7 g. L-1. Différentes méthodes de destruction cellulaire ont été testées telles que la congélation/décongélation, le broyage haute pression. Leur impact sur les différentes fractions extraites a été étudié. Un procédé d’extraction sélective en deux étapes, permettant d’aboutir à l’obtention d’un extrait prépurifié en B-phycoérythrine, a été développé. La purification de la B-phycoérythrine par deux méthodes, précipitation sélective et filtration tangentielle sur membrane, a été réalisée. De hauts degrés de pureté (IP = 3) ont été atteints par filtration sur membrane en polyethersulfone (30 kDa). 3 protocoles de valorisation de la biomasse dans son ensemble ont également été développés
Biorefinery is the same methodology used in oil industry to separate each component of a biomass and to transform them into high value products. The microalga Porphyridium curentum is well referenced in the literature as a producer of many metabolites of interest like pigments (B-Phycoerythrin, zeaxanthin), ω3 and ω6 fatty acids and exopolysaccharides (EPS). We propose to apply the concept of biorefinery to P. Cruentum in order to produce different extracts of interest and so to make the biomass production profitable. We experimentally developed a process to produce and to separate the different fractions of P. Cruentum made of 4 main steps: cultivation and harvesting of the algae, cell disruption, separation of each biochemical family and purification of the latter. The optimization of culture conditions leads to a production of microalgae at the concentration of 2. 7g. L-1. Different cell destruction techniques have been tested such as high pressure cell disruption and freezing/thawing. Their impact on the molecules extracted has also been studied. A selective two-steps process has been developed to obtain pre-purified B-phycoerythrin extract. The purification of the latter has been tested by two different methods: the selective precipitation using ammonium sulfate and the tangential filtration on membrane. High purity levels (IP=3) have been reached using a filtration on polyethersulfone membrane (30kDa). 3 protocols have been developed and tested to promote the whole biomass

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Guigon, Valentin. "Etude de procédés de dépolymérisation d’oligosaccharides d'hémicelluloses dans le cadre d'une bioraffinerie papetière." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019GREAI042.

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Abstract:

La biomasse lignocellulosique est composée d’hémicelluloses à hauteur de 30%. Les hémicelluloses sont elles-mêmes composées de saccharides, qui sont de véritables plateformes chimiques car ils peuvent être dérivés en de nombreux produits différents dont l’intérêt porté à leur égard est grandissant. Dans le cadre d’une bioraffinerie papetière, les hémicelluloses ont été solubilisées sous forme de monosaccharides et d’oligosaccharides via une étape d’autohydrolyse. Des traitements d’hydrolyse secondaire acide et enzymatique ont ensuite été appliqués à l’hydrolysat dans différentes conditions afin d’hydrolyser un maximum d’oligosaccharides en monosaccharides dans le premier cas, et un maximum de xylanes en xyloses dans le second cas. Ces traitements ont été optimisés pour permettre une application à un pilote industriel
Lignocellulosic biomass is made of 30% of hemicelluloses. Hemicelluloses are themselves made of saccharides that are true platform chemicals due to their ability to be transformed into many different products. Within the context of a biorefinery, hemicelluloses were solubilized as monosaccharides and oligosaccharides after a water pre-hydrolysis treatment. Secondary acid and enzymatic hydrolysis treatments were further applied to the obtained hydrolysate to depolymerize as much oligosaccharides as possible to monosaccharides (acid hydrolysis) and to depolymerize as much as xylans as possible to xyloses (enzymatic hydrolysis). Treatments were optimized to pilot scale

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Steinbach, David [Verfasser], and J. [Akademischer Betreuer] Sauer. "Umsetzung von Lignocellulosen zu Hydroxymethylfurfural in einer hydrothermalen Bioraffinerie / David Steinbach ; Betreuer: J. Sauer." Karlsruhe : KIT-Bibliothek, 2020. http://d-nb.info/1221186981/34.

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Hundt, Martin [Verfasser], and Klaus [Akademischer Betreuer] Schnitzlein. "Der AlkaPolP-Prozess als Ausgangspunkt für eine lignocellulosebasierte Bioraffinerie / Martin Hundt ; Betreuer: Klaus Schnitzlein." Cottbus : BTU Cottbus - Senftenberg, 2015. http://d-nb.info/1114283878/34.

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Aoude, Christa. "Concentration of the microalgae Arthrospira Platensis and Chlorella vulgaris by electrofiltration." Electronic Thesis or Diss., Compiègne, 2022. http://www.theses.fr/2022COMP2702.

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Abstract:

Les microalgues sont des organismes microscopiques qui présentent de nombreuses propriétés avantageuses et peuvent être utilisées dans différentes applications industrielles. L'un des problèmes principaux rencontrés dans les bioraffineries de microalgues est le coût associé à l'étape de récolte, cela est lié à la consommation énergétique élevée des processus les plus couramment utilisés pour la récolte des microalgues. En fonction de l'application, les microalgues peuvent subir un traitement supplémentaire après les étapes de récolte pour l'extraction de leurs composés intercellulaires. Chlorella vulgaris et Arthrospira platensis sont deux types de microalgues commercialisés et utilisés dans un large éventail d'industries. Compte tenu de leur pertinence industrielle, ce sont les souches de microalgues qui sont étudiées dans le cadre de cette thèse. L'objectif de cette thèse est d'optimiser l'utilisation de la filtration frontale comme technique de récolte des microalgues, en étudiant l'utilisation de la filtration frontale sous pression ainsi que la filtration frontale sous pression avec l’application d’un champ électrique externe (appelée électrofiltration). Dans ce contexte, ce travail étudie les effets de la pression, de l'intensité du champ électrique, et de la combinaison des deux sur la cinétique de filtration et les propriétés du gâteau de filtration et des filtrats. Ce travail également évalue la possibilité d'utiliser la filtration frontale comme technique d'extraction « in-situ » ainsi que l'utilisation du lavage des gâteaux pour récupérer les biocomposés résiduels présents dans les pores d'un gâteau de microalgues. Trois configurations différentes de lavage du gâteau de filtration ont été évaluées : sous pression, sous un champ électrique (électrolavage), et sous pression assistée par un champ électrique (électrolavage sous pression)
Microalgae are microscopic organisms that present many beneficial properties and can be used in a wide range of industrial applications. One of the main issues encountered in microalgae biorefineries are the costs associated with the harvesting step, this is due to the energy intensive nature of the most commonly used processes for microalgae harvesting. Depending on the application, the microalgae can undergo further processing after the harvesting steps for the extraction of its intercellular compounds. Chlorella vulgaris and Arthrospira platensis are two types of microalgae that are commercially used in a wide range of applications. Given their industrial relevance, they are the microalgae strains that are studied in the context of this thesis. The aim of this thesis is to optimize the use of dead-end filtration as a microalgae harvesting technique, this is achieved by studying the use of pressure driven dead-end filtration as well as electrically assisted dead-end filtration (hereby referred to as electrofiltration). In this context, the present work investigates the effects of the operating pressure, the electric current density, and the combination of the two on the filtration kinetics and the properties of the filter cake and filtrates. This work also assesses the possibility of using dead-end filtration as an in-situ extraction technique as well as the use of cake washing to recover biocompounds trapped in the pores of a microalgal cake. Three different cake washing configurations were assessed: pressure driven (pressure washing), electrically driven (electrowashing), and electrically enhanced pressure washing (pressure electrowashing)

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Murolo, Alessandro. "Bioraffineria di vinacce per la produzione ed il recupero di acidi grassi volatili." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2014. http://amslaurea.unibo.it/6826/.

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Abstract:

Obiettivo della presente ricerca è stato la valutazione dell’utilizzo degli scarti derivanti dal processo di vinificazione come substrato per la digestione anerobica finalizzata alla produzione di VFA (“Volatile Fatty Acids”). I VFA sono acidi grassi a corta catena, convenzionalmente fino a 6 atomi di carbonio, che possono essere utilizzati industrialmente nell’ambito della “Carboxilation Platfrorm” per produrre energia, prodotti chimici, o biomateriali. La sperimentazione si è articolata in due fasi principali: 1) Produzione di VFA in processi batch alimentati con vinacce e fecce come substrato; 2) Recupero dei VFA prodotti dall’effluente anaerobico (digestato) mediante processi di adsorbimento con resine a scambio anionico. Nella prima fase sono stati studiati i profili di concentrazione dei principali VFA nel brodo di fermentazione al variare della tipologia di substrato (vinacce e fecce, bianche e rosse) e della temperatura di incubazione (35 °C e 55 °C). La condizione ottimale rilevata per la produzione di VFA è stata la digestione anaerobica di vinacce rosse disidratate e defenolizzate alla temperatura di 35 °C (mesofilia), che ha permesso di raggiungere una concentrazione di VFA totali nel digestato di circa 30 g/L in 16 giorni di monitoraggio. Nella seconda fase è stato analizzato il processo di estrazione in fase solida (Solid Phase Extraction, SPE) con resine a scambio anionico per il recupero dei VFA dal digestato di vinacce rosse. Sono state messe a confronto le prestazioni di quattro diverse resine a scambio anionico: Sepra SAX, Sepra SAX-ZT, Sepra NH2, Amberlyst A21. I parametri operativi ottimali per l’adsorbimento sono risultati essere condizioni di pH acido pari al valore naturale delle soluzioni indicate sopra (~2.5) e tempo di contatto di 2 ore. Tra le quattro resine quella che ha fornito i migliori risultati è stata la Amberlyst A21, una resina polimerica a scambio anionico debolmente basica il cui gruppo funzionale caratteristico è un’ammina terziaria. Infine è stato valutato il processo di desorbimento dei VFA adsorbiti dalla resina con tre diverse soluzioni desorbenti: acqua demineralizzata, etanolo (EtOH) ed acqua basificata con NaOH (1 mol/L). I risultati migliori sono stati conseguiti nel caso dell’EtOH, ottenendo un recupero finale del 9,1% dei VFA inizialmente presenti nel digestato di vinacce rosse incubate in termofilia.

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Rey, Candice. "Conditions hydrodynamiques et organisation structurale dans le dépôt formé lors de l'ultrafiltration tangentielle : application à la bioraffinerie." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAI124/document.

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Abstract:

Les procédés de séparation membranaire, utilisés couramment dans de nombreux domaines industriels, comme l’agro-alimentaire, le traitement des eaux ou les biotechnologies, sont de plus en plus mis en œuvre dans le domaine des bioraffineries. L’ultrafiltration tangentielle, par exemple, montre un fort potentiel dans l’étape de séparation des matières premières comme les nanocristaux de cellulose pour les transformer en biomasse. Cependant, l’augmentation de la concentration en particules à la surface de la membrane limite ce procédé, entrainant la formation des phénomènes de polarisation de concentration et de colmatage, réduisant les performances de filtration. Ces travaux de thèse ont pour objectif d’améliorer la compréhension des mécanismes de formation de ces phénomènes. Deux méthodes de caractérisation couvrant les échelles nanométriques à micrométiques ont été mises au point, grâce au développement de cellules de filtration couplant l’ultrafiltration à la diffusion de rayons X aux petits angles d’une part, et à la micro vélocimétrie par images de particules d’autre part. Ces mesures effectuées in-situ lors de la filtration tangentielle de suspensions de nanocristaux de cellulose et d’argile de Laponite, ont permis de caractériser l’organisation structurale et le champ hydrodynamique au sein des couches de polarisation. La corrélation de ces résultats avec les lois de comportement rhéologique des suspensions ont permis d’accéder pour la première fois aux champs de contraintes dans les couches de polarisation de concentration et de colmatage lors du procédé
Membrane separation processes commonly used in several industrial applications, like bio and agro industries, waste water and clean water treatments, are more and more exploited in biorefinery. As an example, cross-flow ultrafiltration process shows a high potential in separation protocol of raw feed components like cellulose nanocrystals to produce biomass. This process is limited by the increase of particles concentration at the membrane surface, which conducts to phenomena named concentration polarization and fouling, which decrease the filtration performance. The PhD work objective is to bring a better understanding of the mechanisms involved in the formation of these phenomena. Two characterization methods covering length scales from nanometer to micrometer have been developed thanks to new designed tangential ultrafiltration cells allowing to link the ultrafiltration process to small angle X rays scattering and to micro particle image velocimetry. These measurement performed in-situ during ultrafiltration of nanocrystal celluloses and Laponite clay suspensions have allowed characterizing the structural organization and the velocity field within the concentration polarization layers. The correlation of these results with the rheological behavior properties of the suspensions, have permitted to access for the first time to the stress field within the concentration polarization and fouling layer during the tangential ultrafiltration process

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Hébert, Mathieu. "Nouvelles approches pour la valorisation des graines de moutarde riches en glucosinolates dans un concept de bioraffinerie." Thesis, Compiègne, 2020. http://www.theses.fr/2020COMP2552.

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Abstract:

Ce travail de thèse est dédié à la mise en place d’une stratégie de valorisation optimale et raisonnée des cultures intermédiaires piège à nitrates de B. juncea (moutarde brune) dans un concept de bioraffinerie et de développement durable. Les graines de moutarde sont riches en huile (>35%) mais également en glucosinolates (≈ 120 µmol/g), facteurs antinutritionnels produisant de ce fait des tourteaux impropres à l’alimentation du bétail alors qu’ils sont riches en protéines de qualité. Ce travail de thèse a pour ambition de lever ce verrou en extrayant ces facteurs antinutritionnels de la graine pour exploiter leur activité biologique comme agent de contrôle des ennemis de cultures. Le schéma de bioraffinage proposé intègre les acteurs en amont et en aval de la chaîne de transformation. La première partie de travail a porté sur l’inactivation de la myrosinase, enzyme endogène responsable de l’hydrolyse des glucosinolates (sinigrine and gluconapine). Trois procédés d’inactivation ont été testés : (1) le chauffage conventionnel (2) le chauffage micro-ondes (MO) et (3) l’inactivation par CO2 supercritique (SC-CO2). Les trois procédés se sont montrés efficaces. Un chauffage à 80°C pendant 70 min a été retenu pour inactiver l’enzyme (98%) sans dégrader les composés d’intérêt (glucosinolates, protéines) tout en améliorant l’extractibilité de l’huile. Les graines ont ensuite subi un double pressage à 80 bars pendant 60 min à l’aide d’une presse hydraulique du laboratoire pour en extraire 84% d’huile et obtenir un tourteau enrichi en protéines (35.8-40.8%) et en glucosinolates intacts (144-158 µmol/g). La récupération des GSL a été entreprise en couplant une extraction hydro-alcoolique avec différents prétraitements (broyage, décharges électriques de haute tension, ultrasons) pour intensifier l’extraction des GSL tout en limitant la co-extraction des protéines. Une optimisation préliminaire d’extraction chimique a montré que 90% des GSL pouvaient être récupérés via une solution hydro-alcoolique d’éthanol (40% v:v) à 40°C sans altérer la qualité protéique du tourteau résiduel (36-40% protéines). Ces conditions viennent ainsi contrebalancer le procédé classique d’extraction/élimination des GSL par méthanol à haute température (75°C), contestable sur le plan environnemental, énergétique et sanitaire. L’extraction assistée par DEHT (U = 40 kV, tDEHT = 3.5 ms) a permis d’extraire dans des conditions douces (T = 30°C, eau et à faible coût énergétique (233 kJ/kg)) la quasi-totalité des GSL (98 %) dans leur état intact tout en minimisant la co-extraction des protéines qui sont préservées dans le résidu solide. Enfin, la purification du jus riche en GSL a été étudiée selon deux voies : chromatographie d’échange d’ions (IEC) et ultrafiltration (UF). La récupération des glucosinolates par IEC a été optimisée en batch via l’utilisation d’une résine fortement basique (PA312LOH) qui a permis de séparer les GSL des protéines. 72.9% de la sinigrine a été récupérée après élution avec une solution de NaCl (1.0 M, 30°C, 300 rpm, 40 mL/g résine) avec une pureté 79.6%. Les expériences réalisées en dynamique (purification sur colonne) ont permis la récupération de 28% de la gluconapine (2.6 BV/h, pH 4.0). Le procédé membranaire (UF) a présenté de meilleures performances avec 98% et 60% de sinigrine et gluconapine récupérés respectivement dans un perméat à 90% de pureté (membrane PES 10 kDa, 5 bars, 500 rpm). L’extrait purifié obtenu par UF (90 %) riche en sinigrine (3.36 mg/ml) et en gluconapine (0.16 mg/ml) sera utilisée pour développer une formule phytobiotique qui sera utilisée en biofumigation. Le résidu solide détoxifié (<20 µmol GSL/g MS) et riche en protéines (~40%) pourra être valorisé en alimentation animale
This thesis is specifically dedicated to the valorization of B. juncea (brown mustard) as catch-crops in order to develop innovative ways of valorization for the different components of mustard seeds (oil, meal, glucosinolates) for industrial and/or food applications according to the principles of biorefinery and in a sustainable development concept. The rich-erucic acid mustard oil could be valorized in oleochemistry for many applications (cosmetics, lubricants, biofuels etc.), the defatted cake could be an alternative and new source of high quality proteins for animal food and the extracted glucosinolates (sinigrin and gluconapin) could be very suitable for the development of a natural bio-pesticide instead of chemical pesticides. Applications of different pretreatments were firstly applied on seeds in order to perform the intern inactivation of myrosinase, an enzyme that degrades glucosinolates by hydrolysis: conventional heating in bath-water, micro-waves (MW) and supercritical CO2 (SC-CO2). Heating seeds at 80°C for 70 min allowed efficient myrosinase inactivation (98%) without impact on other molecules (glucosinolates, proteins). The treatment resulted also in better oil expression performances. Oil expression from treated seeds was then performed by carring out two successive pressing (80 bar, 60 min) with an hydraulic press to express 84% of oil and obtain a rich in proteins (35.8-40.8%) and intact glucosinolates (144-158 µmol/g) defatted cake. Intensification of the extraction of glucosinolates was investigated meaning different pretreaments and processes: grinding, high-voltage electric discharges (HVED) and ultrasounds (US). Only green solvents were used for the extraction (water, ethanol). Preliminar optimization of chemical extraction resulted in selective extraction of 90% of GSL using an aqueous ethanol solution (40% v:v) at 40°C without affecting protein content from residual cake (36-40%). These conditions could be claimed as an effective alternative to the conventionel extraction protocol (75% methanol, 75°C). The assisted-extraction of GSL by HVED (U = 40 kV, tDEHT = 3.5 ms) has performed the recovery of 98% of intact GSL in milder conditions (T = 30°C, water, QDEHT = 233 kJ/kg) by minimizing the co-extraction of proteins from meal. Purification of crude juice was investigated meaning two different techniques: ion-exchange chromatography (IEC) and ultrafiltration (UF). GSL purification by IEC was preliminarly optimized in batch and proteins and GSL were separated meaning a strong basic resin (PA312LOH). 72.9% of sinigrine recovery was performed bu eluting with a NaCl solution (1.0 M, 30°C, 300 rpm, 40 mL/g resin) with a juice purity of 79.6%. Dynamic experiments allowed recovery of 28% of gluconapin (2.6 BV/h, pH 4.0). Membrane process (UF) showed better performances with the recovery of 98% and 60% of sinigrin and gluconapin respectively with a permeate purity of 90% by using PES membranes of 10 kDa (5 bars, 500 rpm). The purified juice (90%) rich in sinigrin (3.36 mg/ml) and gluconapin (0.16 mg/ml) could be used to develop a phytosanitory product for crop protection. The residual detoxified (<20 µmol GSL/g DM) and rich in proteins meal could be very suitable for animal feeding

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Almohammed, Fouad. "Application des électrotechnologies pour une valorisation optimisée de la betterave à sucre dans un concept de bioraffinerie." Thesis, Compiègne, 2017. http://www.theses.fr/2017COMP2328/document.

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Abstract:

Ce travail de thèse concerne l’utilisation des électrotechnologies pour une valorisation optimisée de la betterave à sucre conformément au concept de bioraffinerie. Les électro-technologies appliquées sont les champs électriques pulsés (CEP) et les décharges électriques de haute tension (DEHT). L’étude s’attache d’une part à l’optimisation d’un procédé alternatif pour l’extraction du sucre par pressage alcalin à froid assisté par CEP. D’autre part, elle propose des nouvelles voies pour la valorisation de deux coproduits de l’industrie betteravière qui sont les radicelles et la pulpe de betterave. Dans la première partie, le traitement électrique par CEP couplé au chaulage permet une meilleure désintégration du tissu betteravier. Il permet d’accélérer les cinétiques du pressage, d’améliorer le rendement ainsi que la qualité du jus et d’alléger la procédure de purification en aval de l’extraction. Une étude paramétrique d’optimisation a permis d’identifier le meilleur itinéraire d’application de ce nouveau procédé d’extraction. Les cossettes fraîches de betterave sont prétraitées par CEP à 600 V/cm pour 10 ms (Q = 2,7 Wh/kg). Les cossettes électroporées sont ensuite pressées à froid pour extraire 75 % du jus. Les cossettes pressées subissent un pressage alcalin avec 10 % du lait de chaux. Afin d’extraire le sucre résiduel dans le gâteau de pressage obtenu, deux étapes de pressage supplémentaires avec une étape intermédiaire d’hydratation sont nécessaires. Ce procédé optimisé permet de bien épuiser les cossettes en sucre (perte en sucre de 0,23 % et matière sèche de pulpes de 39 %) pendant une courte durée d’extraction (30 min) avec un faible soutirage (108 %) par rapport au procédé de diffusion. Il permet ainsi des économies significatives de matière et d’énergie surtout pour les étapes d’extraction du jus et de séchage de pulpes. Par rapport au procédé conventionnel, le gain énergétique s’élève à 91,96 × 106 kWh pour une usine traitant 10 000 t/j de betteraves pendant une campagne de 110 jours. De plus, le procédé proposé permet de simplifier la procédure de purification et de réduire de 50 à 60 % la quantité de chaux utilisée. Dans la deuxième partie de cette étude, deux procédés de transformation ont été proposés et optimisés à l’échelle laboratoire pour la valorisation des radicelles et de la pulpe de betterave à sucre. Les radicelles ont été utilisées pour produire du bioéthanol. Le jus brut de radicelles a été extrait par pressage à froid assisté par CEP. La production du bioéthanol a été achevée par fermentation alcoolique. Le prétraitement par CEP (450 V/cm, 10 ms) a permis d’accélérer la cinétique de pressage, d’augmenter le rendement en solutés (79,85 % vs. 16,8 %) et d’obtenir un jus plus concentré (10 % vs. 5,2 %). Le procédé optimisé permet de produire environ 41,75 L de bioéthanol par tonne de radicelles lorsque l’on applique un prétraitement par CEP contre seulement 8,2 L de bioéthanol sans prétraitement électrique confirmant ainsi le potentiel de ce nouveau schéma de valorisation. La pulpe de betterave déshydratée ayant une matière sèche de 92,8 % a été utilisée pour l’extraction de pectines. L’étude réalisée a montré que l’application d’un prétraitement par DEHT permet d’intensifier l’extraction des pectines. Le gain relatif de rendement en pectines est de 25,3 % pour une énergie consommée de 76,2 kJ/kg. Le schéma de bioraffinage proposé pourra aider au maintien de la filière betteravière en France après la suppression de système de quotas sucriers dans l’Union européen qui entrera en vigueur le 1er octobre 2017
This work discusses the use of electrotechnologies for an optimized valorization of sugar beet according to the concept of biorefinery. The applied electrotechnologies are pulsed electric fields (PEF) and high-voltage electrical discharges (HVED). The study firstly aims at optimizing an alternative method for sugar extraction by PEF assisted cold alkaline pressing. On the other hand, it proposes new ways for valorizing two by-products of sugar beet industry, which are sugar beet tails and pulps. In the first part, PEF treatment combined with liming leads to a better disintegration of beet tissue. It permits accelerating of pressing kinetics, improvement of juice yield and quality, and reduction of subsequent purification procedure. A parametric optimization study identified the best application itinerary of the proposed extraction process. Fresh sugar beet cossettes are pretreated by PEF at 600 V/cm for 10 ms (Q = 2.7 Wh/kg). The electroporated cossettes are then pressed to extract 75% of intracellular juice. Compressed cossettes are subjected to an alkaline pressing with 10% lime milk. In order to extract the residual sucrose in the obtained press-cake, two additional steps of pressing with an intermediate hydration are required. This optimized process allows well exhausting the sugar cossettes (sugar loss of 0.23% and pulp dry matter of 39%) for a short extraction (30 min) and with low draft (108%) compared to diffusion method. Thus, it allows substantial saving in materials and energy especially for juice extraction and pulp drying. Compared to the conventional method, the energy saving amounted to 91.96 × 106 kWh for a sugar beet factory treating 10 000 tons per day for a campaign of 110 days. In addition, the proposed method simplifies the purification procedure of raw juice and reduces the used amount of lime from 50 to 60%. In the second part of this study, two processing methods were proposed and optimized at lab-scale for valorization of sugar beet tails and pulps. Sugar beet tails were used to produce bioethanol. Raw juice of beet tails was extracted by PEF assisted cold pressing. Bioethanol production was then done by alcoholic fermentation. Pretreatment of beet tails with PEF (450 V/cm, 10 ms) permits accelerating the pressing kinetics, increasing the yield of solutes (79.85% vs. 16.8%), and leads to a more concentrated juice (10% vs. 5.2%). The optimized process permits the production of about 41.75 L of bioethanol per ton of beet tails when PEF pretreatment is applied against only 8.2 L of bioethanol without PEF confirming the potential of this new valorization scheme. Dried beet pulp having a dry matter of 92.8% was used for pectin recovery. The present study showed that the application of HVED pretreatment leads to intensify pectin extraction. The relative gain of pectin yield is 25.3% with an energy consumption of 76.2 kJ/kg. The proposed biorefinery scheme could protect the sugar beet industry in France after the suppression of the sugar quota system in the European Union, which will take effect on 1st October 2017

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Colas, Dorothée. "Etude de la bioraffinerie des plantes vertes : Application au fractionnement des protéines de luzerne par extrusion bi-vis et chromatographie hydrophobe." Thesis, Toulouse, INPT, 2012. http://www.theses.fr/2012INPT0019/document.

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Abstract:

La luzerne est une plante fourragère, de la famille des Fabacées, largement cultivée en France du fait de sa richesse en protéines. Industriellement, cette plante est pressée, puis séchée sur tambour rotatif. L’étape de pressage conduit à l’obtention de grandes quantités de jus, lui aussi riche en protéines. L’objectif de cette thèse a été de développer un procédé de bioraffinerie de la luzerne, applicable aux autres plantes fourragères, permettant la valorisation des toutes les fractions de la plante. La première étape consiste en un fractionnement thermo-mécanique de la luzerne entière par extrusion bi-vis. Deux fractions sont obtenues : un résidu fibreux solide en partie déshydraté, pouvant être utilisé dans la filière agro-matériaux, et un filtrat vert, riche en protéines. L’extrusion bi-vis est une alternative intéressante aux procédés classiques de déshydratation, car l’étude de l’optimisation des paramètres d’extrusion a permis de montrer qu’il est possible de récupérer la grande majorité des protéines de la plante dans le filtrat. Ce filtrat subit par la suite une séparation liquide/solide par centrifugation, permettant la récupération d’un culot vert, dont on peut extraire la chlorophylle. Le jus clarifié est ultrafiltré, puis traité par chromatographie hydrophobe, avec l’huile de tournesol comme solvant extracteur, de manière à séparer différentes protéines. L’étude plus fondamentale de la fixation des protéines sur résine a permis de modéliser le fractionnement des protéines par interactions hydrophobes
Alfalfa is a common Legume, cultivated as a forage crop, thanks to its high protein content. In the green crop industry, alfalfa is pressed and dried on a rotative cylinder. The pressing step leads to the production of large amounts of green juice, rich in proteins. The aim of this work was to develop a biorefinery process for alfalfa, which could be adapted to other green crops, allowing the valorization of each fraction. The first step is the whole plant thermo-mechanical fractionation in the twin-screw extruder. Two fractions are obtained: a solid fibrous residue, partly dehydrated which could be valorized as an agro-material, and a green filtrate, rich in proteins. Twin-screw extrusion is an interesting alternative to usual industrial dehydration processes. Indeed, the study of the extruder parameters optimization showed that most of the alfalfa proteins can be recovered in the filtrate. This green extract is then centrifuged, in order to separate the solid particles. Chlorophyll can be extracted from the centrifugation pellet. The clarified juice is treated by ultrafiltration, and lastly fractionated thanks to hydrophobic chromatography, with sunflower oil as the solvent, in order to separate the proteins. The more fundamental study of proteins fixation on resins allowed us to modelize proteins fractionation using hydrophobic interactions

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MALETTI, LAURA. "Strategie di recupero valorizzativo per la sostenibilità in ambito agrifood e metodologie di caratterizzazione dei prodotti da bioraffineria." Doctoral thesis, Università degli studi di Modena e Reggio Emilia, 2022. http://hdl.handle.net/11380/1278301.

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Abstract:

Questo lavoro di ricerca si pone obiettivi che coniugano i principi di economia circolare, bioeconomia e sostenibilità in ambito agrifood, per individuare percorsi di recupero valorizzativo di scarti agroindustriali mediante un approccio tipico delle applicazioni di bioraffineria. Il focus principale è dedicato alle grandi produzioni massive di Cucurbitaceae, con particolare riferimento alle cultivar di Citrullus Lanatus (cocomero) e Cucumis Melo (melone), poiché il comparto agroalimentare rappresentato da queste colture primarie genera immense quantità di materiali di scarto lungo tutta la filiera ‘from farm to fork’. L’idea cardine del progetto di dottorato consiste nella possibilità di estendere la catena del valore, che attualmente sembra interrompersi con l’abbandono in pieno campo dei prodotti di scarto, o di quelli genericamente devalorizzati per non conformità morfologica, per sovraproduzione o sovramaturazione, ripristinandone la continuità mediante trasformazioni dei cascami recuperati. Le sfide dell’innovazione tecnologica di prodotto e di processo per l’agroalimentare, consentirebbero di utilizzare questi materiali per trasformazioni in ogni direzione, comunque tutte orientate secondo i target di programma dell’Agenda 2030. Pur riconoscendo la valenza strategica dell’intero contesto di cambiamento identificato dal programma ONU, abbiamo scelto di cogliere alcune delle maggiori sfide per convertirle in grandi opportunità operando sempre lungo le direttrici di contesto food&feed, trascurando gli aspetti direttamente connessi col recupero energetico da biomasse residuali e la valorizzazione mediante processi di compostaggio. Pertanto, mediante efficace frazionamento a partire dalle matrici selezionate, è stato possibile ricavare: ● fibre alimentari di origine cellulosica, sia naturali tal quali, sia sbiancate per trattamenti con H2O2, fibre rosse ad alto contenuto di licopene; ● licopene da fibre rosse, ed altri pigmenti-coloranti naturali da altre frazioni e sottoprodotti da esocarpo; ● olio da germoplasma dei semi di Citrullus, e ● farina amido-proteica residuale post-estrazione dell’olio dai semi medesimi; ● prodotti di acetificazione del succo zuccherino estratto dall’endocarpo del cocomero; ● prodotti della canditura a partire dalla frazione mesocarpo (albedo) del cocomero. Per la caratterizzazione estesa delle diverse frazioni, abbiamo applicato una varietà di tecniche strumentali, metodologie analitiche e chimico-fisiche, compresa la preparativa adeguata dei campioni, che si possono così riassumere:  spettroscopia UV-Vis sia su campioni in stato solido che in soluzione, anche per la valutazione del punto colore con metodo CIELab;  tecniche cromatografiche GC-MS, SPME-GC-MS, HPLC-DAD, HPLC-MS;  analisi elementare (CHNS);  metodi termici di analisi (TG/DTG/DTA/DSC);  Water Holding Capacity (WHC);  analisi ICP-OES per la valutazione del contenuto di metalli;  analisi morfologica con tecniche di superficie (SEM). A chiusura delle attività di dottorato, possiamo rivolgere uno sguardo critico ai target conseguiti. Estendere la catena del valore ai materiali di scarto può consentire di acquisire competitività per il sistema agrifood, ma solo a fronte di sforzi adeguati per investimenti in ricerca ed innovazione. L’analisi riportata descrive alcune caratteristiche strutturali di un comparto produttivo che, in ambito regionale e nazionale, è correlato alle performance del sistema agroalimentare sovradimensionato, poiché tende a sprecare risorse pre-waste ancora facilmente recuperabili. Proiettare questi risultati, che esprimono potenzialità competitive, in un orizzonte produttivo grintoso e di consumo ragionato, potrà garantire anche solo un piccolo contributo fattivo alla sostenibilità alimentare globale.
This research work sets objectives that combine the principles of circular economy, bioeconomy and sustainability in the agrifood field, to identify strategies for the enhancement of agro-industrial waste through a typical approach of biorefinery applications The main focus is dedicated to the large productions of Cucurbitaceae, with particular reference to the cultivars of Citrullus Lanatus (watermelon) and Cucumis Melo (melon), since the agri-food sector represented by these primary crops generates huge quantities of waste materials along the entire supply chain “from farm to fork”. The key idea of the PhD project consists in the possibility of extending the value chain, which currently seems to be interrupted with the abandonment of waste products in the open field, or those generically devalued due to morphological non-compliance, for over-production or over-ripening, restoring its continuity through the transformation of recovered material. The challenges of product and process technological innovation for the agrifood sector, would allow the use of these materials for transformations in any direction, anyhow all oriented according to the program targets of the 2030 Agenda. While recognizing the strategic value of the whole context of change identified by the ONU program, we have chosen to seize some of the major challenges to turn them into great opportunities, always operating along the guidelines of the food&feed context, neglecting the aspects directly related to energy recovery from residual biomass and the enhancement through composting processes. Therefore, through effective fractionation steps starting from the selected matrices, it was possible to obtain: ● dietary fibers of cellulosic origin, either natural “as it is”, or bleached through treatments with H2O2, red fibers with a high lycopene content; ● lycopene from red fibers, and other natural pigments-dyes from other fractions and by-products from the exocarp; ● germplasm oil from Citrullus seeds, and ● proteic-starchy flour (residue of the oil extraction) from the kernel of the same seeds; ● acetification products of the sugary juice extracted from the endocarp of the watermelon; ● candying products starting from the watermelon mesocarp (albedo). For the extended characterization of the different fractions, we have applied several instrumental techniques, analytical and chemical-physical methodologies, including the proper preparation of the samples, which can be summarized as follows:  UV-Vis spectroscopy both on samples in solid state and in solution, also for the evaluation of the color point with the CIELab method;  chromatographic techniques GC-MS, SPME-GC-MS, HPLC-DAD, HPLC-MS;  elemental analysis (CHNS);  thermal analysis (TG/DTG/DTA/DSC);  Water Holding Capacity (WHC);  ICP-OES analysis for the evaluation of the metal content;  morphological analysis using surface techniques (SEM). At the end of the PhD activities, we can take a critical look at the targets achieved. Extending the value chain to waste materials can make it possible to acquire competitiveness for the agrifood system, but only if adequate efforts are made for investments in research and innovation. The reported analysis describes some structural features of a production sector that, at a regional and national level, is related to the performance of an oversized agrifood system, since it tends to reject pre-waste resources that are still easily recoverable. Projecting these results, which express competitive potential, in a gritty productive horizon and of reasoned consumption, can guarantee even only a small effective contribution to global food sustainability.

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Deloule, Vivien. "Study on extraction and characterization of softwoods hemicelluloses oligomers and their influence on gut microbiota." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAI107.

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Boiron, Lucie. "Etude de l'impact de l'extraction des hémicelluloses du bois sur les procédés d'obtention de cellulose et d'éthanol dans le cadre d'une bioraffinerie lignocellulosique." Thesis, Grenoble, 2012. http://www.theses.fr/2012GRENI107/document.

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Abstract:

Le renouveau des biocarburants pourrait être aussi celui de l’industrie chimique de la pâte àpapier, en diversifiant l’éventail des produits fabriqués à partir de bois. Cette étude porte surl’intégration d’une extraction des hémicelluloses du bois au procédé Kraft dans le cadre d’une coproductionde fibres cellulosiques et de bioéthanol.Le travail expérimental de cette étude balaie l’ensemble du procédé depuis l’extraction de plus dela moitié des hémicelluloses de bois de résineux, par autohydrolyse ou par hydrolyse à l’acidedilué, jusqu’à la production de fibres cellulosiques blanchies et d’éthanol obtenu par la fermentationdes hydrolysats.Les pâtes de bois préhydrolysé se sont distinguées par de très bonnes aptitudes à ladélignification lors de la cuisson Kraft et lors du blanchiment à l’oxygène. Une analyse desconstituants des pâtes de bois préhydrolysé a permis de comprendre pourquoi la préhydrolyseconduit à une diminution du rendement de cuisson (perte de lignine et de la totalité deshémicelluloses dont les xylanes). L’analyse des lignines de pâtes écrues de bois préhydrolysé apermis d’émettre une hypothèse quant à l’excellente aptitude de ces pâtes à la délignification lorsdu blanchiment à l’oxygène.En définitive, l’intégration d’une extraction des hémicelluloses à une usine Kraft telle qu’elle estproposée par cette étude permet d’obtenir à partir de 100 kg de bois de résineux, 27 à 36kilogrammes de fibres cellulosiques blanchies et jusqu’à 6 litres de bioéthanol. Ces fibrescellulosiques blanchies présentent des caractéristiques attrayantes pour la production de cellulose àusage chimique ou de nanocristaux de cellulose
Biofuel revival could be a great opportunity for the chemical pulp industry to widen the range ofits products made from wood. This thesis deals with the integration of a softwood hemicelluloseextraction step prior to the Kraft pulping process in order to produce both cellulose fibres andbioethanol.In this study the experimental work covers the entirety of the process: from the extraction ofmore than half of the hemicelluloses from wood either by autohydrolysis or dilute acid hydrolysis tothe production of bleached cellulosic fibres as well as ethanol from fermentated wood hydrolyzates.Prehydrolyzed wood and their subsequent pulps stood out by their excellent delignification abilityduring Kraft cooking and oxygen bleaching. Quantitative analysis of the main constituants of thepulps showed why prehydrolysis leads to decreased Kraft pulp yields (extra lignin loss andhemicelluloses loss including xylans). A range of hypotheses to explain the good delignificationability of prehydrolyzed wood Kraft pulps during oxygen bleaching was narrowed to one by Kraftlignin analysis.The overall results of the hemicellulose extraction prior to Kraft pulping as it has been defined inthis study showed that from 100 kg of softwood, 27 to 36 kg of bleached cellulosic fibres and 6litres of ethanol could be produced. The bleached cellulosic fibres are of great interest for dissolvingpulp or cellulose nanocrystals production

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Pessiot, Jérémy. "Développement d'une unité pilote de bioraffinerie permettant la mixogenèse en continu à partir de la biomasse non alimentaire via la fermentation anaérobie mésophile." Thesis, Clermont-Ferrand 2, 2014. http://www.theses.fr/2014CLF22524.

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Abstract:

Les réserves de pétrole sont sur le déclin, les prix des ressources fossiles fluctuent et le CO 2 dégagé par leur consommation contribue inéluctablement au réchauffement climatique. Ce phénomène, conduit notre société vers l'utilisation accrue de biomasse pour la génération d'énergie, de composés chimiques et de matériaux. La réduction des déchets est considérée comme indissociable de cette transition énergétique et en opposition aux préjugés, l’accroissement des déchets organiques peut être bénéfique dans cette recherche de solutions alternatives. En effet, cela conduit à la génération de grandes quantités de matières qui peuvent représenter de potentielles ressources. De plus, changer le statut des déchets en coproduits pour la production de bioénergies n’entre pas en concurrence avec les filières alimentaires et cela constitue un des principaux enjeux des biotechnologies. Sous certaines conditions, les bioconversions anaérobies représentent des procédés d’ingénierie prometteurs pour accomplir le double enjeu de la valorisation des coproduits et de la production de molécules d’intérêt énergétique et chimique (biocarburants, chimie verte...). En revanche, l’innovation dans les biotechnologies blanches est nécessaire pour la production robuste, performante, rentable et environnementalement acceptable de biomolécules à partir de ressources renouvelables. Dans ce contexte, la société AFYREN a été pensée et créée pour répondre à ce défi mondial via sa technologie « tout en un », AFYNERIE, qui s’inspire de la nature et des sciences. L’objectif premier de ce travail de thèse, cœur du procédé AFYNERIE, était d’étudier les performances de microorganismes anaérobies, sous forme de souches pures ou de consortia pour la valorisation de substrats plus ou moins complexes via un processus de méthanogenèse avortée. Pour cela, il était nécessaire de considérer, déjà à l’échelle du laboratoire, une projection dans le monde industriel. Nous avons alors démontré les capacités de la diversité microbienne à produire des molécules plateformes à partir de coproduits agro-industriels réels en mode stérile puis non stérile. Cette étude s’est appuyée en parallèle sur la caractérisation et la dynamique des populations microbiennes mises en jeu. Ensuite, l’accumulation des métabolites, à la fois inhibiteurs et d’intérêt, dans les milieux fermentaires en mode discontinu et avec des rendements compétitifs, a débouché sur la nécessité de surpasser ces limitations par le passage à un mode continu. Pour ce faire, un procédé d’extraction biocompatible des synthons issus de l’opération de fermentation a été mise en œuvre selon différents mode de réalisations. Ce couplage des opérations unitaires, sous forme de fermentation extractive, a livré des résultats prometteurs tout en étant bâtit dans un cadre de bioraffinerie et d’écologie industrielle qui tend vers le « zéro déchet ». Enfin, à l’inverse des autres technologies émergentes, pour se placer dans une approche de drop-in, la biologie et la chimie ont été associées. Le but a été d’illustrer la multipotence des acides gras volatils (AGVs) en termes d’applications industrielles et de réaliser la preuve de concept de la transformation de la biomasse non alimentaire en biomolécules d’intérêt énergétique et chimique. Ces travaux ont permis de soulever les points clés du changement d’échelle du procédé AFYNERIE et d’entrevoir des perspectives tant fondamentales qu’appliquées. Cette brique technologique, de par sa philosophie multi-intrants/multi-produits, couplant fermentation-extraction-synthèse, permet d’initier la transition au stade pilote d’un procédé innovant compatible avec une future économie biosourcée
Fossil oil reserves are decreasing, oil prices are fluctuating, and the CO 2 released by oil consumption contributes to global warming. These are driving our society towards increased use of biomass for energy, chemical compounds and other materials. Minimizing waste has been seen as a concern associated with alternative energy efforts. Contrary to expectation, increasing organic waste can be beneficial for alternative energy efforts, because it would result in large amounts of organic resources that can be potential raw materials. Moreover, using waste as a resource for bioenergy production does not compete with human or animal food or agricultural surfaces, and that is one of the greatest challenges facing biotechnology. Using waste as a resource for biomolecule production would thus be an interesting approach to reducing waste in the environment and producing renewable materials. Under specific conditions, detrital biomass can be converted into biomolecules of interest by microorganisms. Anaerobic fermentation techniques represent promising engineering processes for accomplishing the dual goals of waste reduction and renewable biomolecule production for biofuel and green chemistry markets. On the other hand, innovative fermentation processes are necessary for the strong, successful, cost-effective and eco-friendly production of bulk chemicals from renewable resources. In this context, AFYREN company was thought and founded to answer this world challenge through its “all in one” technology, AFYNERIE, which is inspired from the nature and sciences. The first objective of this thesis, heart of the AFYNERIE process, was to study the performances of anaerobic microorganisms, in the form of pure strains or of consortia for the valorization of more or less complex substrata via a process of failed methanogenesis. For that purpose, it was necessary to consider, already at the laboratory scale, a projection in the industrial world. Then, we demonstrated the capacities of the microbial diversity to produce platform molecules from real agro-industrial by-products in sterile and then non sterile mode. This study leaned in parallel on the characterization and the dynamics of involved microbial populations. Then, the accumulation of metabolites, which are at the same time inhibitory and of interest, in fermentative media in batch mode and with competitive yields, resulted in the necessity of surpassing these limitations by the passage in a continuous mode. To do this, a process consisted of a biocompatible extraction of synthons stemming from the operation of fermentation was implemented according to different mode of realizations. This coupling of single operations, in the form of extractive fermentation, delivered promising results while builds in a frame of biorefinery and industrial ecology which tightens towards a “zero waste”. Finally, contrary to the other emergent technologies, to take place in a drop-in approach, biology and chemistry were associated. The purpose was to illustrate the versatility of volatile fatty acids (VFAs) in terms of industrial applications and to realize the proof of concept of the transformation of the non-food biomass in biomolecules of energy and chemical interest. These works allowed to underline key points of the scale-up of AFYNERIE process and to glimpse perspectives fundamental as well as applied perspectives. This technological brick, due to its multi-inputs / multi-products philosophy, coupling fermentation-extraction-synthesis, allows to introduce the transition to the pilot stage of an innovative process compatible with a future biobased economy

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Menana, Zahra. "Étude de faisabilité de la valorisation en bioraffinerie de biomasses issues de phytotechnologies : cas d’une plante hyperaccumulatrice (noccaea caerulescens) et d’un ligneux (salix viminalis)." Thesis, Université de Lorraine, 2018. http://www.theses.fr/2018LORR0225/document.

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Abstract:

La phytoremédiation est un concept pour la dépollution et de réhabilitation des sols et/ou de friches industrielles contaminés par des éléments traces métalliques (ETMs), utilisant les végétaux pour absorber ou immobiliser les contaminants en présence des organismes microbiens de la rhizosphère. Cette technique a pour conséquence une production de biomasse plus ou moins contaminée qu’il est nécessaire de traiter et également de valoriser. Cependant, la présence d’ETMs peut être problématique dans une approche de conversion en bioraffinerie. Pour répondre à cette question, deux espèces ont été étudiées : une plante herbacée hyperaccumulatrice (Noccaea caerulescens) et un ligneux (Salix viminalis). Deux prétraitements ont été sélectionnés pour cette étude : les prétraitements par explosion vapeur et organosolv, en appliquant différentes conditions opératoires, afin (1) de suivre la distribution des ETMs au cours du traitement, (2) de purifier la matière lignocellulosique et (3) d’évaluer l’effet des ETMs sur les étapes ultérieures d’hydrolyse enzymatique et de fermentation. Pour le prétraitement organosolv la majeure partie des ETMs est récupérée dans le résidu solide cellulosique alors que par explosion à la vapeur, les ETMs sont extraits en grande partie dans les effluents aqueux du traitement. La présence d’ETMs dans les pâtes cellulosiques et les hydrolysats ne montre pas d’effet significatif sur la cinétique d’hydrolyse enzymatique et de fermentation. Concernant spécifiquement Noccaea caerulescens des teneurs relativement importantes en pectines ont été observées, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour la valorisation de cette plante par la production d’un biopolymère d’intérêt industriel. Finalement, les résultats obtenus montrent qu’il serait possible de combiner réhabilitation des sols et valorisation en bioraffinerie de biomasses issues de phytotechnologies soit pour la production du bioéthanol ou la production de molécules plateforme
Phytoremediation is a concept for the depollution and rehabilitation of soils and/or industrial wastelands contaminated by metal trace elements (MTEs), using plants to absorb or immobilize contaminants in the presence of microbial organisms in the rhizosphere. This technique results in a more or less contaminated biomass production that must be treated and also recovered. However, the presence of MTEs can be an issue in a biorefinery conversion approach. To address this question, two species were studied: an hyperaccumulator herbaceous plant (Noccaea caerulescens) and a woody plant (Salix viminalis). Two pre-treatments were selected for this study: steam explosion and organosolv pre-treatments, applying different operating conditions, in order to (1) monitor the distribution of MTEs during the process, (2) purify lignocellulosic material and (3) evaluate the effect of MTEs on subsequent enzymatic hydrolysis and fermentation steps. For organosolv pretreatment, most of the MTEs are recovered in the solid cellulosic residue while by steam explosion, MTEs are mostly extracted in the aqueous effluents of the treatment. The presence of MTEs in cellulosic pastes and hydrolysates does not show a significant effect on the kinetics of enzymatic hydrolysis and fermentation. Concerning specifically Noccaea caerulescens, the plant contains relatively high levels of pectins, which opens up interesting prospects for the valorization of this plant through the production of a biopolymer of industrial interest. Finally, the results obtained show that it would be possible to combine soil rehabilitation and biorefinery valorization of biomasses from phytotechnologies for either bioethanol production or the production of platform molecules

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Sialve, Bruno. "Couplage des cultures de microalgues avec la méthanisation : Traitement et valorisation de la matière et de l’énergie dans le cadre de la bioraffinerie environnementale." Thesis, Lyon, INSA, 2013. http://www.theses.fr/2013ISAL0062.

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Abstract:

L’utilisation des microalgues dans les filières bioénergies est une thématique qui connait un développement remarquable ces dernières années. Si dans une perspective d’exploitation de masse, elles permettent de répondre plus favorablement aux contraintes qui pèsent sur l’exploitation des biocarburants de première et de deuxième génération, elles se heurtent également à la question de la demande en éléments nutritifs mais aussi à un bilan énergétique défavorable. En conséquence, il apparait difficile de répondre à une exigence de durabilité attendue pour ce nouveau gisement. Ce travail de thèse s’est intéressé à une solution permettant à la fois de recycler les éléments nutritifs présents dans la biomasse et de fournir de l’énergie au système de production voire de transformation : la digestion anaérobie. Les travaux se sont particulièrement focalisés sur l’intégration de la production de microalgues et de la méthanisation au travers de la conversion énergétique de cette biomasse et de la mobilisation des éléments nutritifs vers la culture à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Après avoir identifié les contraintes associées à la biodégradabilité anaérobie des microalgues et les stratégies d’optimisation, nous avons mis en évidence que le potentiel énergétique est contraint par la qualité propre des cellules et une capacité de résistance à la dégradation biologique. L’application de stratégies d’optimisation de cette étape de conversion via l’utilisation de prétraitement thermique a montré qu’il est possible d’augmenter les rendements de production d’énergie et d’éléments minéraux mobilisables vers la culture. L’utilisation d’un écosystème naturel microalgue-bactérie destiné à la production en milieu ouvert et qui utilise un digestat synthétique comme milieu de culture a révélé le rôle déterminant de la flore bactérienne associée en interaction avec les microalgues. Ces résultats ont été évalués dans un système de production à l’échelle pilote préindustrielle en conditions extérieures, conçu et opéré spécifiquement pour répondre à cette problématique. Les caractéristiques propres du bassin de culture déterminent le comportement hydrodynamique du milieu et le comportement physique et écologique de la population phytoplanctonique mobilisée. L’étude de la dynamique des communautés microbiennes, eucaryotes et procaryotes, confirme le potentiel de résilience et de production d’un écosystème complexe soumis aux contraintes de son environnement. Les résultats de ces travaux ouvrent des perspectives de gestion et d’optimisation des procédés intégrant l’algoculture et la méthanisation qui peuvent répondre plus largement à des problématiques environnementales et de production de molécules d’intérêt au-delà des filières énergétiques
In recent years, there has been an explosion of interest in the use of microalgae as a source of bioenergy. Mass cultivation of microalgae for bioenergy production promises several advantages compared to first and second generation biofuels. However, similar difficulties in terms of nutrient requirements and an unfavourable energy balance are faced. As a consequence, achieving the sustainable levels of microalgal culture required to implement this strategy in the longer term appears problematic. The work presented in this thesis focuses on anaerobic digestion; a solution which allows both recycling of nutrients and supply of energy to the production and downstream processes. In particular, the studies presented here have been directed towards the integration of microalgal culture and methanisation, at both the laboratory and pilot scale. The guiding principle used is conversion of biomass and provision of nutrients to the culture. We first identified the constraints and potential strategies associated with the aerobic biodegradability of microalgae. Next, we demonstrated that the energetic potential of cells is limited by their quality as well as their level of resistance to biological degradation. We have shown that it is possible to optimise the conversion step, increasing energy yields and nutrient mineralisation via a strategy of thermal pretreatment The use of a natural microalgae-bacteria ecosystem which uses a synthetic digestate as culture media, revealed a key role for bacterial flora interacting with microalgae. These results were further tested in a pilot-level production system specifically designed to address these questions. The evidence suggests that the characteristics of the culture pond determine both the hydrodynamic behaviour of the culture and the physical and ecological behaviour of the phytoplanktonic population. A study of the dynamics of the microbial, eukaryotic and prokaryotic communities suggests the presence of a resilient and complex ecosystem, which is influenced by variations in its environment. The results of this work provide opportunities for management and optimisation of processes integrating microalgae cultivation and methanisation beyond bioenergy production, for example liquid wastes treatment and production of high-value byproducts

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Heise, Katja. "Chemical modification of lignocelluloses - their accessibility in selected reaction systems for the preparation of hydrogels." Doctoral thesis, Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden, 2018. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-233951.

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Abstract:

The world population is growing exponentially. At the same time, the availability of natural resources decreases dramatically – an alarming trend which demands for a sustainable use of our resources in a circular economic framework and hence, for the valorization of wastes and by-products. Owing to its high annual abundance, lignocellulosic biomass has a promising potential as renewable resource for the development of high-value products, covering fuels, platform chemicals, and specialty polymers. Besides, lignocelluloses offer an attractive basis for material applications, considering their peculiarity as natural composites and their inherent modifiability. Therefore, targeted chemical modifications have been widely used to exploit this potential and to further increase their spectrum of characteristics and application prospects. The objective of this study was to fabricate lignocellulose-based hydrogels, with the prospect to be used as soil conditioners in agriculture. Considering this application, this study was striving for the development of a simple synthetic pathway that ideally guarantees non-toxic and biodegradable products. Besides, two key factors were involved in the development of the synthetic route and constitute the center of this study: the accessibility of lignocelluloses towards chemical modifications – in view of their inherent recalcitrance – and the envisaged properties of the hydrogel, including high swelling rates and structural stability. To comply with both key factors, three basic processing steps were carried out: (1) feedstock activation by chemical or mechanical pretreatments, (2) introduction of ionic groups to induce swelling properties and (3) gel network formation via chemical crosslinking. Furthermore, to elucidate the behavior of different biomass types, wheat straw and beech sawdust were exemplarily surveyed. In the first step, different chemical (ozonolysis, alkaline and sulfite pulping) or mechanical (short-time ball milling) pretreatment approaches were used to activate the feedstocks by inducing compositional and/or structural alterations. In the second processing step, two modification reactions – carboxymethylation and phosphorylation (with phosphoric acid/molten urea) – were examined with emphasis on their ability to access lignocellulosic matrices and to realize high contents of ionic groups. In the final step, covalently crosslinked gel networks were formed using either citric acid or electron beam irradiation. Both crosslinking approaches were evaluated in detail with respect to yield and properties of the resulting hydrogels. In view of the two key factors proposed for this study – the accessibility of lignocelluloses and the final hydrogel properties – and amongst the approaches examined, the following synthetic pathway delivered the most promising results: ball milling ⟶ carboxymethylation ⟶ citric acid crosslinking. In this process, the promoting effect of ball milling can be attributed to particle size reduction, a breakdown of plant cell structures, and a decline of the cellulose crystallinity. The effectivity of carboxymethylation was particularly based on its alcoholic-alkaline media. Therefore, the uptake of alkali induced a partial disintegration of the lignocellulosic matrix, facilitating both the introduction of ionic groups and high swelling rates of the final gels. Overall, this path delivered promising results for straw-based gels, whereas beech sawdust was hardly accessible.

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Monot, Claire. "Contribution à l’étude des complexes lignine-hydrates de carbone (LCC) dans le bois : étude de l’impact des différentes étapes d’un procédé de bioraffinerie sans soufre sur les LCC." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAI116/document.

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Abstract:

La valorisation de la biomasse lignocellulosique est aujourd’hui un enjeu majeur du fait de la réduction des ressources fossiles. Séparer chaque constituant pour les valoriser de la meilleure façon possible est l’objectif des bioraffineries papetières. L’effluent papetier, la liqueur noire, est actuellement brûlé pour produire de l’énergie, mais sa gazéification permettrait d’augmenter ces rendements énergétiques. Mais pour cela une cuisson sans soufre du bois est nécessaire, le soufre inhibant la gazéification.Cette étude a donc porté en premier lieu sur la faisabilité d’un fractionnement sans soufre du bois, plus ardu qu’un procédé kraft traditionnel contenant du soufre. Le travail a été effectué sur les bois résineux, ceux-ci étant plus difficiles à délignifier que les bois feuillus. Une étape d’autohydrolyse du bois, préalable au fractionnement à la soude, a été effectuée afin d’extraire les hémicelluloses pour une valorisation ultérieure. Les travaux ont montré que ce prétraitement permettait de délignifier le bois plus facilement et ainsi d’envisager un fractionnement sans soufre. La cellulose obtenue par ce procédé présente une pureté et un degré de polymérisation suffisants pour envisager son utilisation pour de la viscose ou pour des applications chimiques.La lignine ne présentant pas de différences structurelles majeures entre du bois préhydrolysé ou non, les complexes entre la lignine et les hydrates de carbone (LCC) ont été analysés. Il a été montré que la préhydrolyse modifie significativement la quantité et la composition de ces complexes, permettant d’expliquer par là les résultats obtenus
The valorization of lignocellulosic biomass is nowadays a major issue due to the reduction of fossil resources. Separating each component to valorize them the best way as possible is the goal of the pulp and paper biorefineries. The effluent of the mill, called the black liquor, is currently burnt to produce energy, but gasification would increase the energy efficiency. For this, a sulfur-free cooking of wood is necessary, as sulfur inhibits gasification.Therefore this study first focused on the feasibility of cooking without sulfur, which is more difficult than a conventional kraft cooking containing sulfur. The work was done on softwood which is more difficult to delignify than hardwood. The wood was first pretreated with an autohydrolysis to remove hemicelluloses for further valorization.The results were conclusive for the production of cellulose pulp for chemical applications. To explain the differences obtained, structural differences of wood components were looked for. Lignin did not show major differences whether the wood was prehydrolyzed or not, whereas the complexes between lignin and carbohydrates (LCCs) showed significant differences, which would explain the results obtained

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Baroncini, Federica. "Nuovi prodotti da scarti di Punica granatum per formulazioni biocosmetiche." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2019. http://amslaurea.unibo.it/18719/.

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Abstract:

In this graduate work two biorefinery approaches are studied for the valorisation of an agri–food waste of italian Punica granatum (pomegranate). The aim of this study is to produce a high value–added ingredient to functionalize a biocosmetic. The mesocarp, the non–edible part of the fruit, is an important source of bioactive substances such as polyphenols, flavonoids, phenolic acid and polysaccharides with antioxidant, antimicrobical, antibacterial, anti– inflammatory and anticancer properties. In this study the polysaccharide structure of the mesocarp cell wall is broken down to make these compounds bioavailable using molecular bioliquefaction, a biotechnological method with a low environmental impact that exploits enzymatic hydrolisis. The molecular bioliquefaction tests are conducted with two different commercial enzyme preparations. In conclusion, the most suitable extraction method to obtain a cosmetic emulsion with the highest antioxidant power is identified.

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Imbert, Aurélia. "Vers une voie de valorisation du hêtre : synthèse de monomères furaniques biosourcés et furfurylation." Thesis, Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0333/document.

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Abstract:

Le hêtre est une essence très répandue sur le territoire français et plus particulièrement dans la région Grand-Est. Toutefois, son bois est peu exploité, notamment pour des utilisations en conditions extérieures en raison de sa faible durabilité et son instabilité dimensionnelle. Pour favoriser et développer son utilisation, il est nécessaire de le traiter afin de limiter sa reprise en humidité et de le protéger contre les champignons de pourriture. Par ailleurs, la réglementation actuelle sur les produits de traitement du bois impose la mise au point de solutions alternatives respectueuses de l’environnement et de la santé. Dans ce cadre, les travaux développés durant cette thèse visent la valorisation du hêtre en tant que matériau via sa protection par un traitement « non-biocide », la furfurylation. Cette méthode consiste à polymériser in situ de l’alcool furfurylique dans le bois de hêtre. La mise au point du procédé a permis d’aboutir à du hêtre composite dont la durabilité et la stabilité dimensionnelle sont nettement améliorées. D’autre part, le hêtre est une essence feuillue pour laquelle la fraction hémicellulosique est riche en pentoses et plus précisément en xylose, précurseur de furfural. Des travaux ont donc été menés pour produire du furfural par hydrodistillation acide à partir de connexes issus de l’industrie de la première transformation du hêtre. Le furfural a ensuite été réduit en alcool furfurylique par transfert d’hydrogène. Les résultats prometteurs obtenus montrent qu’il est possible de mettre en place une filière locale alliant le hêtre comme source de molécules furaniques et le bois de hêtre comme matériau
Beech is a wood species present in the French territory, particularly in the Grand-Est region. However, beech is a under used wood, especially for outdoor uses, because it is non durability and it is dimensional unstability. To promote and develop its use, it is necessary to limit its recovery in moisture and treat to protect it against fungi decay. Futhermore, current regulation on wood treatment products imposes the development of alternative wood treatments more respectful of the environment and health. In this context, the work developed during this thesis is focused on valorisation of beech as a material through its protection by a “non-biocide” treatment, furfurylation. This method consists in an polymerisation in situ by heating a furfuryl alcohol solution into beech solid wood. The development of process led to a bio-based beech composite with significantly improved durability and dimensional stability.On the other hand, beech is a hardwood species in which the hemicellulosic fraction is rich in pentoses, and more precisely in xylose, precursor of furfural. Work has been done to produce furfural by acidic steam distillation, from beech primary wood processing by products. This molecule is then chemically reduced to furfuryl alcohol by hydrogen transfer.These promising results to show that it is possible to set up a local production combining beech as a local source of furanic molecules and beech wood as a solid material

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Roßberg, Christine. "Impact of type and pretreatment of lignocellulosics on lignin and pulp properties." Doctoral thesis, Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden, 2016. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-201345.

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Abstract:

The depletion of fossil fuels and the need to deal with climate change lead to an increasing interest in renewable resources. Lignocellulosic biomass in general, and agricultural residues in particular, could serve as an excellent starting material for the production of cellulose, basic chemicals, lignin and bioethanol in a biorefinery framework as they are abundant, do not compete with food production and are distributed worldwide. Two factors considerably influence the composition and properties of biorefinery products: biomass feedstock and pretreatment process. Their influence on the separability of raw material into a carbohydrate and lignin fraction as well as the composition and properties of these products are objectives of this study. Hereby, the focus is on lignin, as its structure is particularly dependent on the aforementioned factors complicating its further utilisation. Different agricultural biomass namely barley straw, coconut shell powder, hemp shives, horse manure, maize straw, miscanthus, oat husk, pretreated alfalfa, rape straw, sunflower stalks, tomato stalks and wheat straw were investigated regarding their suitability for lignocellulose separation using alkaline soda pulping. Best separation into a carbohydrate and lignin fraction was achieved for pretreated alfalfa, miscanthus, wheat and barley straw. The purity of the obtained lignin fractions varied in the wide range of 57% klason-lignin content for sunflower stalks and 81% for pretreated alfalfa prior to further purification by dialysis. Lignin fractions were characterised by means of FTIR spectroscopy, elementary analysis, thioacidolysis, size-exclusion-chromatography, thermodesorption, differential scanning calorimetry and different wet chemical methods for determination of functional groups. Lignins could be classified into groups, within which they show similar characteristics: (A) horse manure, rape straw, (B) sunflower stalks, tomato stalks, (C) barley-, maize- and wheat straw and (D) hemp shives, miscanthus. In addition, promising lignin candidates were found for several applications. Thus, by screening different agricultural residues, it is possible to choose a specific raw material, in order to produce lignin with desired properties and functionalities. The effect of the pretreatment process was studied based on wheat straw. It was subjected to conventional alkaline pulping, microwave-assisted alkaline pulping and organosolv pulping using formic acid and hydrogen peroxide. Pulping parameters were varied in order to attain best possible separation into a carbohydrate and lignin fraction. Of the varied parameters the concentration of both sodium hydroxide and formic acid has the highest impact on yield and purity of the products for alkaline and organosolv pulping, respectively. It additionally influences the content of functional groups of the lignin fraction and is hence, an important parameter for lignin customisation for subsequent utilisation. Furthermore, the possibility of reducing pulping time by using microwave-assisted pulping instead of conventional alkaline pulping is promising, as the obtained carbohydrate fraction has a low intrinsic viscosity, which may enhance enzymatic hydrolysis.

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Pogrebnyakova, Evgeniya. "Indagine e valutazione mediante indici di sistemi di trasformazione delle biomasse in bio-prodotti e bio-energia in Europa." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2015. http://amslaurea.unibo.it/8069/.

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Abstract:

Per poter far fronte al continuo aumento della popolazione mondiale, al rapido esaurimento di molte risorse, alle sempre maggiori pressioni sull’ambiente ed ai cambiamenti climatici, l’Europa deve optare per un approccio radicalmente diverso nei confronti di produzione, consumo, trasformazione, stoccaggio, riciclaggio e smaltimento delle risorse biologiche. Al riguardo la strategia “Europa 2020” auspica lo sviluppo della bioeconomia in quanto elemento chiave per consentire una crescita intelligente e verde in Europa (Commissione Europea, 2012). Tuttavia il successo di questo settore è strettamente legato alla capacità di scegliere la strategia ottimale e le azioni efficienti in modo da creare un ambiente favorevole allo sviluppo di nuove idee ed iniziative imprenditoriali (Fucci, 2014). Questo è proprio uno degli obiettivi della tesi svolta, che descrive il progetto Biohorizons, rivolto non solo a mappare l’attuale panorama europeo nell’ambito della bioeconomia ma anche ad identificare eventuali ostacoli alla crescita e a comprendere le modalità più opportune a sostenere questo settore. Si è deciso inoltre di effettuare alcune interviste al fine di integrare le informazioni ottenute durante la realizzazione del progetto. In aggiunta, un altro obiettivo della tesi consiste nello sviluppo di una serie di indici finalizzati ad aiutare la classificazione delle bioraffinerie sulla base della loro complessità, così da offrire uno strumento utile a sostenere certe scelte dei decisori pubblici e privati.

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Buendia-Kandia, Felipe. "Cellulose valorization in biorefinery : synergies between thermochemical and biological processes." Thesis, Université de Lorraine, 2018. http://www.theses.fr/2018LORR0082/document.

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Parce que les ressources fossiles sont épuisables par définition, le carbone nécessaire à la production d'énergie et de matériaux pourrait provenir en grande partie de la biomasse lignocellulosique. Les procédés de fermentation sont capables de fournir une grande variété de produits d'intérêts capables de remplacer les synthons d'origine pétrolière. Cependant, en raison (i) de son caractère insoluble, (ii) de sa structure plus ou moins cristalline et (iii) de la nature des liaisons entre les maillons du polymère, la cellulose est un substrat carboné difficile à valoriser par voie biochimique/fermentaire seule. La pyrolyse rapide ou la liquéfaction de la cellulose sont principalement étudiées pour produire une bio-huile, qui serait valorisée par hydrotraitement catalytique en carburant ou en building blocks. Dans l'état de l'art actuel, les travaux à l'interface de ces deux domaines portant sur une conversion biochimique ou microbiologique de ces bio-huiles sont encore rares. L’objectif de cette thèse est de coupler un procédé de conversion thermochimique de la cellulose, pour la dépolymériser, à un procédé de transformation microbienne pour produire des solvants, des acides et des gaz (butanol, éthanol, acétone, acide acétique, acide butyrique, acide lactique, hydrogène) qui suscitent un fort intérêt dans l’industrie des carburants ou de la chimie verte. Pour ce faire, le bois de hêtre a été fractionné par les méthodes organosolv et chlorite/acide (SC/AA) afin de récupérer une pâte riche en cellulose. Des procédés de liquéfaction hydrothermale et de pyrolyse rapide ont été utilisés pour obtenir des sucres qui ont été finalement transformés par fermentation en synthons. De nombreuses méthodes analytiques ont été développées pour la caractérisation des produits issus de chaque étape du procédé. Enfin, un modèle du procédé utilisant le logiciel commercial Aspen Plus® a été développé pour établir les bilans de matière et énergie du procédé intégré : du fractionnement du bois, puis la liquéfaction de la fraction cellulosique et à la fermentation des bio-huiles
Because fossil resources are exhaustible by definition, the carbon needed for energy and materials production could be obtained from lignocellulosic biomass. Fermentation processes are able to provide a wide variety of interesting products that can replace the crude oil based "building blocks". However, the abundance of lignocellulosic biomass in the environment contrasts with its very low bioavailability. Indeed, because of (i) its insoluble nature, (ii) its more or less crystalline structure and (iii) the nature of the bonds between the polymer fibers, cellulose is a carbon substrate difficult to valorize by biochemical/fermentation processes alone. Fast pyrolysis or liquefaction of cellulose are mainly studied to produce a bio-oil, which would be upgraded by catalytic hydrotreatment into fuels or building blocks. In the current state of the art, studies at the interface of these two fields involving a biochemical or microbiological conversion of these bio-oils are still rare. The aim of this thesis is the coupling of a thermochemical conversion process of cellulose, to depolymerize it, to a microbial transformation process to produce solvents, acids and gases (butanol, ethanol, acetone, acetic acid, butyric acid, lactic acid, hydrogen) that are of great interest for the fuel or green chemistry industry. To do this, beech wood was fractionated by organosolv and chlorite / acid (SC / AA) methods in order to recover a cellulose-rich pulp. Hydrothermal liquefaction and fast pyrolysis processes were used to obtain sugars that were transformed into building blocks by fermentation. Many analytical methods have been developed for the characterization of products from each step of the process. Finally, a model of the process using the commercial software Aspen Plus® was developed to establish mass and energy balances of the integrated process including: the fractionation of the wood, then the liquefaction of the cellulosic fraction and the fermentation of bio-oils

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Oriez, Vincent. "Production of biopolymers and synthons from lignocellulosic wastes." Thesis, Toulouse, INPT, 2019. http://www.theses.fr/2019INPT0016/document.

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Les résidus forestiers et agricoles, également appelés résidus lignocellulosiques, constituent de par leur quantité et leur structure un potentiel unique pour la production d’énergie et de molécules d’origine renouvelable, afin de pallier à la raréfaction des hydrocarbures fossiles ainsi qu’aux problèmes environnementaux liés à l’utilisation de ceux-ci. Les biomasses lignocellulosiques sont constituées principalement de cellulose, hémicelluloses et lignines. Le fractionnement et la purification de ces trois constituants est nécessaire à leur valorisation comme produits de substitution des hydrocarbures fossiles. Cette étude s’est tout d’abord attachée à la description et la compréhension des fractionnements chimiques acides et alcalins de la lignocellulose et aux voies de purification qui leur sont actuellement associées. Les travaux expérimentaux ont été réalisés à partir de deux matières premières : la bagasse de canne à sucre et le tourteau de tournesol. Une caractérisation fine de ces matières premières ainsi que des extraits acides et alcalins obtenus à partir de ces matières a été réalisée. Les étapes de purification se sont focalisées sur l’extrait alcalin de bagasse obtenu en conditions douces. En effet, la bagasse de canne à sucre peut être considérée comme un bon modèle de biomasse lignocellulosique, et la purification d’extraits alcalins lignocellulosiques obtenus en conditions douces a été peu étudiée malgré l’intérêt de ce procédé de fractionnement. La filtration membranaire et la chromatographie d'élution sur résine échangeuse de cation ont été évaluées séparément puis en association, afin de séparer les cinq grandes familles de molécules constitutives de l’extrait : des oligomères de lignines, des oligomères de sucres, des monomères phénoliques, de l’acide acétique et des sels inorganiques. Des essais d’ultrafiltration sur plusieurs membranes en faisant varier divers paramètres de filtration ont permis de déterminer que les oligomères de lignine et de sucres, récupérés dans le rétentat, sont séparés des monomères phénoliques, de l’acide acétique et des sels inorganiques, récupérés dans le perméat. Une membrane en fibres creuses de 10 kDa en polysulfone a présenté les meilleures performances de séparation et a été retenue pour les essais suivant en mode concentration et diafiltration. Des essais de chromatographie d'élution avec de l’eau pour éluant en testant plusieurs résines cationiques fortement acides ont montré qu’une fraction très pure d’oligomères de lignines et de sucres peut être obtenue avec une résine de type macroporeuse, alors qu’une résine de type gel a permis la séparation de monomères phénoliques entre eux en fonction de la présence ou non dans leur structure d’une fonction carboxyle. A partir d’extrait alcalin de bagasse, un procédé intégré de purification a été développé combinant de la filtration membranaire puis de la chromatographie sur le perméat et de la précipitation par ajout d’acide sur le rétentat. Il en a résulté l'obtention de quatre fractions purifiées : les monomères phénoliques avec fonction carboxyle, les sels inorganiques et les monomères phénoliques sans fonction carboxyle, les oligomères de lignine, et les oligomères de sucres
Agricultural and forestry residues, also known as lignocellulosic residues, have a unique potential based on their quantity and structure for the production of renewable energy and molecules, inorder to solve the issues raised by the increasing scarcity of fossil hydrocarbons and the environmental disorder caused by their use. Lignocellulosic biomasses are essentially made ofcellulose, hemicelluloses and lignin. Fractionation and purification of these three compounds are necessary for their valorization as substitutes of fossil hydrocarbons. In the first place, this studydescribed the chemical fractionation of lignocellulose under acidic and alkaline conditions, and their related purification pathways. The experimental work was carried out on two raw materials:sugarcane bagasse and sunflower oil cake. A thorough characterization of the raw materials as well as the acid and alkaline extracts produced from these materials was performed. The purification steps focused on the sugarcane bagasse mild alkaline extract. Indeed, sugarcane bagasse can be considered a model lignocellulosic biomass and the purification of lignocellulosicmild alkaline extract has not been widely studied despite the numerous assets of this fractionation process. Membrane filtration and elution chromatography on strong acid cationic exchange resins were assessed individually then combined, for the separation of the five main pools of molecules that constitute the extract: lignin oligomers, sugar oligomers, phenolic monomers, acetic acid and inorganic salts. Ultrafiltration trials run on several membranes under various filtration conditions showed that lignin and sugar oligomers, recovered in the retentate, were separated from phenolicmonomers, acetic acid and inorganic salts, recovered in the permeate. A hollow fiber membrane of 10 kDa in polysulfone exhibited the best separation performance and was selected for further trials in concentration and diafiltration modes. Elution chromatography tests using water as eluent and various strong acid cationic exchange resins resulted in the production of a very pure lignin andsugar oligomers fraction with a macroporous-type resin, whereas a gel-type resin led to the separation of phenolic monomers from each other depending on the presence or absence in their structure of a carboxyl group. From a sugarcane bagasse mild alkaline extract, an integrated purification process was developed combining membrane filtration then chromatography on the permeate and precipitation by acid addition on the retentate. It resulted in the production of four purified fractions: phenolic monomers with a carboxyl group, inorganic salts and phenolicmonomers without carboxyl group, lignin oligomers, and sugar oligomers

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Bali, Amine. "Reformage des huiles pyrolytiques sur un catalyseur fait d'un résidu minier fonctionnalisé au nickel." Mémoire, Université de Sherbrooke, 2017. http://hdl.handle.net/11143/11583.

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Abstract:

Actuellement la production d’huile pyrolytique (ou bio-huile) est destinée à en faire un carburant pour les moyens de transport. Cependant, le liquide issu de la pyrolyse est de piètre qualité, il est nécessaire de faire une opération d’hydrodéoxygénation (HDO), très coûteuse et énergivore, pour aboutir à un produit ayant les spécificités d’un carburant. Une des idées proposées, plus économique, consiste à faire de la bio-huile une source de biosyngas (CO+H2) ou biohydrogène renouvelables via du vaporeformage (VR). Ce projet de maitrise étudie le reformage à la vapeur d’eau de deux bio-huiles (MemU et WOU) sans apport externe de vapeur sur un nouveau catalyseur à base de nickel, Ni-UGSO, développé par le GRTP-C à partir du résidu minier UGSO. Les expériences de reformage ont été réalisées à pression atmosphérique, dans un réacteur différentiel et pour une durée de 500 min en faisant varier la température (750-850 °C) et la vélocité spatiale (WHSV= 1.7-7.1 g/gcat/h) en plus d’un test longue durée à 105h. Des tests supplémentaires ont été réalisés aussi avec un catalyseur commercial à titre de comparaison en plus d’un test de régénérabilité. La caractérisation du catalyseur s’est faite par DRX, MEB-FEG, BET et TPR. Les résultats des tests de VR de l’huile MemU entre 750 et 850 °C à WHSV ~1.8 g/gcat/h montrent une bonne production de biosyngas avec une concentration entre 90-95% et une sélectivité en H2 entre 80-95%. Le VR de l’huile WOU dans les mêmes conditions a donné moins de biosyngas et de H2 en raison de la teneur élevée en eau de l’huile. Le catalyseur est resté actif pendant toute la durée des tests, la DRX et la MEB ne montrent aucune trace de carbone. Cependant à WHSV > 6 g/gcat/h du carbone filamenteux sur le catalyseur a été observé par MEB après le VR de l’huile MemU mais pas après le VR de l’huile WOU. La DRX a permis aussi de montrer qu’après le VR des huiles, les oxydes de Fe et Ni qui constituent le catalyseur se réduisent et se combinent pour donner du Ni métallique et des alliages Ni-Fe. Le test BET indique que le catalyseur a une surface spécifique, après activation, de 10 m2/g. La TPR montre qu’il y a plus d’espèces oxydées sur le Ni-UGSO après le VR de la bio-huile WOU qu’après le VR de la bio-huile MemU, d’où les faibles rendements en H2/biosyngas. Les tests de VR réalisés avec le catalyseur commercial montrent des résultats similaires que ceux réalisés avec Ni-UGSO à faible WHSV. Cependant à WHSV élevée le catalyseur commercial a été plus résiliant et plus performant du fait de sa grande surface spécifique. Le test de régénérabilité montre que Ni-UGSO ne peut que partiellement être régénéré et sa structure initiale n’est pas retrouvée Les résultats positifs confirment que la production de biosyngas/biohydrogène par VR de bio-huiles est viable techniquement dans une bioraffinerie. Le procédé est plus économique que l’HDO. De plus, l’huile pyrolytique se trouve être une bonne matière première pour le reformage car on a un bon rendement en biosyngas (ou H2). Le catalyseur Ni-UGSO développé par le GRTP-C a montré des performances similaires que celles de catalyseurs actuellement sur le marché mais nécessite d’être encore optimisé.
Abstract : Currently the production of pyrolysis oil (or bio-oil) is intended to be transformed to transportation fuel. However, the produced liquid is of bad quality and it needs a hydrodeoxygenation (HDO) process which is very expensive and lot of energy is consumed to obtain a final product with the right fuel specifications. One of the ideas proposed, more economical, consists on producing renewable biosyngas (CO+H2) or biohydrogen from biooil by steam reforming (SR). This master project study the steam reforming of two bio-oils (MemU and WOU) without external steam addition over a new nickel based catalyst, Ni-UGSO, developed by the GRTP-C from the mining residue UGSO. The reforming tests were carried out at atmospheric pressure in a differential reactor during 500 min varying the temperature (750- 850 °C) and the weigh hourly space velocity (WHSV= 1.7-7.1 g/gcat/h), a long term test of 105h was also performed. In addition, Supplementary tests were done with a commercial catalyst in order of comparison plus one regenerability test. The catalyst characterization was done by XRD, FEG-SEM, BET and TPR. Test results of bio-oil MemU SR at 750-850 °C and WHSV ~ 1.8 g/gcat/h show a good production of biosyngas with a concentration range of 90-95% and a H2 selectivity of 80- 95%. The SR of bio-oil WOU in the same conditions resulted in less biosyngas and H2 produced because of high water content in the bio-oil. The catalyst was active for the whole duration of tests, XRD and SEM indicate that no carbon deposit was formed. However at WHSV > 6 g/gcat/h filamentous carbon was observed on the catalyst by SEM after the SR of bio-oil MemU but not after the SR of bio-oil WOU. The XRD showed also that after biooils SR Fe and Ni oxides that constitute the catalyst are reduced to metallic Ni and Ni-Fe alloys. BET test indicate that after activation the catalyst has a specific area of 10 m2 /g. TPR shows that more oxidized species are present in Ni-UGSO after bio-oil WOU SR than after bio-oil MemU SR which explains low H2/biosyngas yield. The tests of SR performed with the commercial catalyst show similar results as those performed with Ni-UGSO at low WHSV. However, at high WHSV the commercial catalyst was more resilient and better due to its high specific area. Regenerability test shows that NiUGSO is partially regenerated but its initial structure is not recovered. The positive results confirm that the production of biosyngas/biohydrogen from SR of biooils is technically viable for a biorefinery. The process is economically better than the HDO. The pyrolysis oil is a good feedstock for the reforming, we obtain an appreciable yield of biosyngas (or H2). The catalyst Ni-UGSO developed by the GRTP-C exhibits similar performances than commercial catalysts actually available in the market but needs more optimisation.

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Azagoh, Christiane. "Contribution à l’émergence d’une filière insecte : mise au point d’un procédé de production de farine à l’échelle pilote et caractérisation de la fraction protéique." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLA018.

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Abstract:

Dans le contexte de pénurie des ressources, croissance démographique, dégradation de l’environnement, la production d’aliments riches en protéines (en particulier) pour l’homme et les animaux devrait augmenter pour répondre à la demande. De nouvelles ressources sont actuellement explorées : légumineuses, algues, insectes... Ces derniers représentent une source de protéines plus durable comparée aux sources conventionnelles. Bien qu’ils soient consommés par de nombreuses populations en Asie, en Afrique et en Amérique du Sud, ce n’est pas le cas en Europe. Ainsi, pour faciliter leur utilisation dans l’alimentation européenne, les insectes peuvent être transformés en ingrédients afin de les incorporer dans des formulations d’aliments. Cependant, il existe très peu de données sur les méthodes de transformation à l’échelle pilote ou industrielle et sur l’impact du procédé sur la qualité des produits finis. Ce travail avait pour objectifs de mettre au point à l’échelle pilote un procédé de production de farine d’insecte pour l’alimentation, de caractériser cette farine et les autres produits obtenus, de caractériser les propriétés de la fraction protéique soluble et d’étudier l’impact du procédé sur les propriétés de celle-ci. Le Tenebrio molitor, candidat à l’élevage industriel, a été sélectionné pour cette étude. Un procédé thermomécanique de production de farine a été mis au point à l’échelle pilote. Il a permis la production d’une farine d’insecte riche en protéines de 72% (bs) avec 14% (bs) de lipides et 4% (bh) d’eau. Le profil en acides aminés des protéines de cette farine répond aux besoins de la nutrition animale et de l’alimentation humaine avec une bonne efficacité protéique (estimée à 2,5). Le rendement de la production de 20% (bh) (64% bs) est semblable à celui de la production de farine de poisson (20% bh). Parallèlement, l’huile d’insecte, principale coproduit a également été produite. Elle est riche en acides palmitiques, et en acides gras essentiels ω9 et ω6. Elle peut être utilisée en alimentation ou dans d’autres domaines. Bien que le procédé ait un impact sur les propriétés physicochimiques des protéines solubles après la transformation des larves en farine, les fractions protéiques solubles de la farine et des larves ont les mêmes propriétés moussantes et émulsifiantes semblables à celles du lait et de ASB à 4 et 2% respectivement. Les protéines de la farine ou des larves peuvent être également utilisées pour leurs propriétés fonctionnelles. Ce travail contribue à la compréhension des protéines d’insectes et à l’extrapolation industrielle dans une perspective de conception de la bioraffinerie
In the context of resource scarcity, population growth, environmental degradation, and food supplies dependency, the production of protein-rich feed and food should increase in order to meet the demand. New resources are currently being explored as vegetal, algae, insects... This last one is environmentally friendly and represents a more sustainable protein source as compared to conventional livestock farming. Although insects are consumed by a lot of people in Asia, Africa and South-America, this is not the case in Europe. In order to meet European consumers' preferences, they need to be processed or transformed into ingredients to become a part of formulation products (i.e. powders). However, very little knowledge regarding processing methods at a pilot or industrial scale, and the composition and impact of process on the properties of insect-based ingredient exists and is available. The aim of this work was to design a process for the production of meal rich in proteins from insect at a pilot scale, to characterize it for feed and food applications, to characterize the properties of its soluble proteins, and to study the impact of the process on these properties. The Tenebrio molitor, candidate for rearing at an industrial scale, was chosen in the frame of this study. A thermo-mechanical process was designed at a pilot scale. It allowed the production of a protein-rich insect meal of 72% (bs) with 14% (bs) of lipids and 4% (bh) of water. The amino acid profile of this meal proteins meets the needs of animal nutrition and human nutrition with good protein efficiency (estimated at 2.5). The production yield of 20% (bh) (64% bs) is similar to that of fishmeal production (20% bh). In parallel, insect oil (co-product) were also produced. It is rich in acid palmitic, and essential fatty acids ω9 and ω6. It can be used in feed, food, cosmetic or bioenergy. Although the process has an impact on the physicochemical properties of soluble proteins after the transformation of larvae into flour, the soluble protein fractions of flour and of larvae have the same foaming and emulsifying properties similar to those of milk and BSA at 4 and 2% respectively. The meal proteins could be used in feed and food for their functional properties. This work contributes to insect protein understanding and the industrial extrapolation in a perspective of biorefinery designing

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Delvar, Alice. "Valorisation par bioraffinage des co-produits des fruits de la Passion et de Goyavier pour la mise en oeuvre de peintures écoconçues." Thesis, Toulouse, INPT, 2019. http://www.theses.fr/2019INPT0047.

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Abstract:

Les peintures naturelles, plus écologiques et plus saines, constituent une alternative intéressante aux peintures solvantées pour certaines applications. Les peintures naturelles de la gamme Natura,développée par la société DERIVERY, sont constituées d’un liant à base d’huile végétale mise en émulsion dans l’eau et répondent aux critères du label PURE. Afin de développer une nouvelle gamme de peintures écoconçues adaptées notamment au marché de l'Outre-Mer, de nouvelles sources locales d’approvisionnement en huile végétale tropicale sont nécessaires. Un biocide naturel est également recherché pour remplacer les biocides synthétiques actuellement utilisés dans les peintures en émulsion. Pour répondre à ces objectifs de sélection de nouveaux ingrédients naturels, les matières premières identifiées sont des co-produits issus de l’industrie agroalimentaire réunionnaise, notamment ceux en provenance de la production de jus des fruits de la passion et du goyavier rouge. Ces co-produits, ou ces écarts de production, sont composés de graines, de pulpes résiduelles et de peaux, non ou peu valorisés actuellement. Les travaux réalisés ont montré la faisabilité technique de procédés d'extraction d’ingrédients multifonctionnels limitant les impacts environnementaux. Ainsi, en fonction de la nature du co-produit, les extractions d’huile des graines ont été réalisées par pression à froid, par macération éthanolique et par fluide supercritique (SC-CO2) et, pour les pulpes et peaux, des extraits aqueux et éthanoliques ont été étudiés. Les huiles des graines de fruit de la passion et de goyavier rouge ont des compositions en acides gras les classant comme huiles semi-siccatives, avec plus de 70 % d’acide linoléique. L’huile de fruit de la passion est riche en caroténoïdes agissant pour une meilleure conservation. L’huile de goyavier comporte une teneur élevée en stérols végétaux, intéressants pour la formulation de peinture grâce à leurs propriétés émulsifiantes. Les fractions obtenues à partir des pulpes de ces deux fruits tropicaux présentent des teneurs élevées en polyphénols associées à des activités antioxydantes notables, en particulier pour le goyavier rouge. Les extraits éthanoliques montrent également une activité antimicrobienne vis-à-vis de plusieurs souches bactériennes et d’une souche fongique. Deux autres procédés alternatifs d’extraction basés sur une activation thermo-mécanique ont été mis en œuvre à partir du fruit de la passion, en accord avec une démarche de bioraffinerie. Ces procédés permettent de réaliser simultanément une étape d'extraction et de pré-formulation d’émulsions, avec une extraction combinée des différentes molécules actives, lipophiles et hydrophiles. Le rôle des polyphénols et des protéines dans la stabilisation des émulsions est mis en évidence par rhéologie et par le suivi cinétique du crémage. Des nouvelles émulsions ont été préparées avec les molécules actives obtenues et évaluées en tant que liants dans la fabrication des peintures naturelles de la gamme Natura. Les résultats ont permis de valider le concept d’utilisation de ces actifs végétaux pour l’écoconception de peintures naturelles dont les propriétés correspondent aux critères souhaités par l’industriel. Les tests microbiologiques réalisés sur les formulations ont montré la capacité des extraits éthanoliques des deux fruits à améliorer la résistance des peintures émulsionnées vis-àvis d’une contamination microbienne
Natural paints, with lower environmental and health impacts, are an interesting alternative to solvent-based paints for some applications. The company Derivery has developed a range ofnatural paints called Natura in agreement with the criteria of the Pure ecological label. The binder of these paints consists of an emulsion based on vegetable oils. In order to develop a new range of eco-designed paints adapted especially to the overseas market, new local sources of tropical vegetable oils are needed. A natural biocide is also sought to replace the synthetic biocides currently used in emulsion paints. To meet these objectives of selecting new natural ingredients, the raw materials identified are co-products from the Reunion food industry, especially the one resulting from the production of passion fruit and red strawberry guava juices. These co-products, or these output gaps, are composed of seeds, pulp and shells, which are currently not valued. In this work, we showed the technical feasibility of processes with limited environmental impacts for the extraction of multifunctional ingredients. Thus, depending on the the co-product nature, the oil extractions were carried out by cold pressing, by maceration in ethanol or by SC-CO2 from the seeds and aqueous or ethanolic extracts of the pulps were studied. Vegetable oils obtained from the seeds of these two fruits have fatty acid compositions classifying them as semi-drying oils, with more than 70% of linoleic acid. Passion fruit oil is rich in carotenoids acting for better preservation. The guava oil has a high content of sterols, with emulsifying properties interesting for the paint formulation. The fractions obtained from the pulps have high levels of polyphenols associated with significant antioxidant activities, especially for the red strawberry guava. The ethanolic extracts of the two fruits also show an antimicrobial activity against several bacterial strains and a fungal strain. Two alternative extraction methods based on a thermo-mechanical activation were implemented from the passion fruit, in accordance with a biorefinery approach. These methods make it possible to simultaneously carry out the extraction and the pre-formulation of emulsion, with a combined extraction of the different hydrophilic and lipophilic molecules. The role of polyphenols and proteins in the emulsions stabilization was assessed by rheological measurements and by kinetic monitoring of creaming. New emulsions were prepared with the active molecules obtained and were tested as natural paint binders. The properties of the obtained formulations correspond to the industrial specifications thus validating the use of these new ingredients for the eco-design of natural paints. The microbiological tests carried out on the formulations showed the ability of the ethanolic extracts of both fruits to improve the resistance of the emulsified paints against microbial contamination

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Corcodel, Laurent. "Influence de l’augmentation du taux de fibre de la canne à sucre sur les performances du complexe sucrerie – centrale thermique." Thesis, Paris, AgroParisTech, 2011. http://www.theses.fr/2011AGPT0055.

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Abstract:

La canne à sucre est cultivée pour la production de sucre et d’électricité exportée sur le réseau. Actuellement, les taux de fibre de la canne dans les chargements livrés à l’usine augmente. L’objectif est de définir les conséquences de la réception de chargements contenant plus de fibres (lié aux variétés et au non canne) sur l’analyse de la canne et la performance du complexe sucrerie centrale thermique (production de sucre, de mélasse et d’électricité).La comparaison des méthodes d’analyses de la canne a permis de sélectionner la méthode Berding et Pollock comme méthode de référence pour l’analyse du sucre, de la matière sèche soluble et de la fibre.Une méthodologie d’analyse de la canne au laboratoire utilisant un broyeur et une presse est proposée Des relations sont établies pour calculer, en fonction des analyses effectuées sur le jus de presse et la bagasse, le débit horaire de canne, l’énergie nécessaire au broyage de la canne, le taux d’extraction du sucre dans le jus et le pouvoir calorifique de la bagasse. Ces mesures sont ensuite utilisées dans des bilans massique et énergétique de la sucrerie et de la centrale thermique. Ce bilan aboutit à la production de sucre cristallisable, de mélasse et d’électricité sur le réseau.Les résultats indiquent que par rapport à la R579, la variété fibreuse R585 produit 8% de sucre en moins et 51% d’électricité en plus alors que la R570 produit 3,9% de sucre en plus et 27% d’électricité supplémentaire. Par rapport à de la canne propre, une coupe de la canne entière entraine une diminution de la production de sucre de 16% et une augmentation de la production d’électricité de 21%. La coupe de canne avec feuilles entraine une baisse de 4% de la production de sucre et une augmentation de 12% de la production d’électricité
Sugarcane is cultivated to produce sugar en electricity to the grind. Recently, the fibre content of cane delivered to the mill increase. Objective of this works is to determine the influence of cane delivered to the mill with more fibre (due to variety and trash) on cane analysis, sugar mills and energy plant complex performance (sugar, molasses and electricity production).Cane analysis method comparison show that Berding and Pollock method was the most appropriate for sugar, soluble dry matter and fibre in cane measurement.A laboratory cane analysis methodology using a grinder and a press is proposed. Relations are established to calculate according to juice and bagasse analysis, the cane capacity, energy for shredding cane, sugar extraction in juice and bagasse calorific value. Those analysis are used in mass and energy balance through the sugar and cogeneration plant. That balance conduct to crystallisable sugar, molasses and electricity exported.Results shows that compared to R579, the fibre variety R585 produce -8% of sugar and +51% of electricity, the R570 variety produce +3.9% of sugar and +27% of electricity. Compared to clean cane, whole crops harvesting decreased sugar (-16%) and electrical (-21%) production. Cane harvest with leaves conduct to a decrease of sugar (-4%) and increase of electrical (+12%) production

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Di, Pretoro Alessandro. "Optimal design of flexible, operable and sustainable processes under uncertainty : biorefinery applications." Thesis, Toulouse, INPT, 2020. http://www.theses.fr/2020INPT0073.

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La démarche conventionnelle pour le design des procédés est une procédure bien consolidée dans le domaine du génie des procédés et utilise des méthodes d’optimisation basées sur plusieurs objectifs pour satisfaire le différents degrés des liberté. Cependant, l’optimalité de la solution obtenue avec cette procédure est uniquement associée aux conditions opératoires nominales et néglige les perturbations externes. L’objectif de cette thèse est la prise en compte de la flexibilité à chaque étape de la démarche de conception des procédés. À ce propos un cas d’étude concernant une opération de séparation ABE/W dans une bioraffinerie a été choisi. Après une recherche bibliographique détaillée sur la flexibilité, des indices de flexibilité déterministes et stochastiques ont été trouvés et comparés sur la base d’un cas de distillation simple. Le problème concernant le nombre optimal d’étages dans les opérations unitaires multi-étage sous incertitude a été discuté. Les aspects économique et environnemental ont été couplés dans une procédure unifiée pour évaluer le meilleur compromis entre surdimensionnement des équipements (i.e. investissement) et demande d’utilités externes (i.e. coûts opératoires) nécessaires pour compenser les perturbations. À cause du comportement non-idéal de la mélange ABE/W, d’abord la flexibilité thermodynamique a été analysée en utilisant les courbes de résidu pour définir les limites physiques du domaine faisable. La procédure pour une seule colonne a été adaptée au cas d’un train des colonnes ainsi que aux configurations intensifiée équivalentes comme la colonne à paroi. Pour que le procédé soit rentable la récupération efficace du butanol et de l’acétone est nécessaire. À ce propos différentes configurations pour des trains de distillation ont été conçues et comparées en prenant en compte le perturbations de composition dans le courant d’alimentation. La configuration indirecte a été identifiée comme la meilleure solution à cause du contenu de butanol élevé dans l’alimentation. Cependant les trains de distillation sont considérés une solution obsolète pour la purification des mélanges multi-constituant. Ils ont en fait été remplacés par des procédés intensifiés qui permettent de réduire à la fois les coûts d’investissement et les coûts opératoires. Le design d’une colonne à paroi séparatrice (DWC) pour les mêmes spécifications a été donc mis en place avec une méthode à chemin réalisable. Une analyse de flexibilité a été ensuite réalisées sur la DWC pour mettre en évidence les bénéfices et les inconvénients de l’utilisation d’un procédé intensifié. Le design optimal de la DWC a été reformulé en prenant en compte les besoins associé à la flexibilité et les surcouts correspondants par rapport au train de colonnes conventionnel. De plus, pour avoir une vision d’ensemble, des indices de flexibilité concernants la dynamique des procédés ont été analysés. En dynamique les résultats de l’analyse de flexibilité et donc le surdimensionnement nécessaire dépend toujours de la configuration de contrôle. Un nouveau index de «switchabilité» a été défini grâce à la corrélation entre les prestations du système en régime permanent et dynamique dans un point de vue de flexibilité. La définition rigoureuse de cet index a été associé à une stratégie de contrôle prédictif (MPC) pour un système simple mais elle peut aussi être utilisé pour différentes boucles de contrôle pour les comparer. Pour décrire ce dernier cas le même exemple de distillation utilisé pour la comparaison des indices statiques a été simulé avec DynSim en utilisant des régulateurs PID pour mettre en évidence les effets l’influence du transitoire. Le résultat final de ce travail de thèse est donc la définition d’une approche globale pour une conception multiobjectif des opérations unitaires dans des conditions opératoires incertaines et l’analyse de criticités associées. Ces critères sont notamment analyse économique, flexibilité, contrôlabilité et durabilité
The conventional process design procedure is a well-established standard in process engineering and implies the fulfillment of the residual degrees of freedom by mean of optimizations based on several possible criteria. However, the optimality of the solution obtained by this procedure is strictly related to nominal operating conditions and doesn’t account for external perturbations. The purpose of this PhD thesis is then to include flexibility in every step of the process design procedure. An ABE biorefinery separation case study has been selected for this purpose. After a detailed literature research about flexibility, both deterministic and stochastic flexibility indexes have been found and compared on a simple distillation column case study. Then the optimal number of stages problem in equilibrium-staged operation under uncertain conditions has been discussed. The economic and environmental aspects were coupled in a unified procedure in order to assess the best compromise between units oversizing (i.e. investment costs) and external duty demand (OPerating EXpenses) to compensate operating conditions perturbations. Due to the highly non-ideal behaviour of the ABE/W mixture, the thermodynamic flexibility was assessed first by mean of Residue Curve Mapping in order to outline the uncertain domain physical boundaries where the separation is feasible. The procedure for a single column was extended to distillation trains as well as equivalent integrated configurations such as Dividing Wall Column. Since the successfully recovery of at least butanol and acetone is required for the profitability of the process, different configurations for the corresponding distillation column train have been designed and compared accounting for feed composition uncertainty. The indirect configuration was found as the best compromise due to the high butanol content in the feed. However distillation trains are considered an outdated solution for multicomponent mixtures purification. They have been indeed replaced by integrated solutions resulting in both lower investments and lower operating costs. A Dividing Wall Column was then designed with respect to the same process specifications by mean of a feasible path based methodology. It consists of the arrangement of a Petlyuk column into a single column shell. A flexibility assessment was then performed on the DWC as well highlighting both benefits and drawbacks of the employment of a process intensified design solution. The optimal DWC design was then discussed by considering flexibility needs and oversizing costs compared to the classical distillation train configuration. All calculations and simulations performed so far were nonetheless related to steady state conditions. In order to have a more complete overview of flexibility indexes process dynamics was investigated as well. When taking into account process dynamics the flexibility assessment results and thus the required equipment oversizing necessarily depend on the control configuration. A new “switchability” index has been defined by correlating the dynamic and steady state performances under a flexibility point of view. The proper definition of this index was referred to a Model Predictive Control configuration for a simple system but it can be used for any kind of control loop configurations in order to compare them. To describe this latter case study the same distillation column involved in the steady state indexes comparison was simulated in DynSim with PID controllers in order to highlight the influence of dynamics. The final outcome of this thesis work is then the definition of a comprehensive approach for multicriteria design of unit operations in general under uncertain operating conditions and investigate the associated criticalities. Those criteria are respectively economics, flexibility, controllability and sustainability

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BERTACCHI, STEFANO. "Microbial cell factories for biobased processes: the concept of cascading applied to different biomasses and bioproducts in the context of bioeconomy." Doctoral thesis, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2021. http://hdl.handle.net/10281/310476.

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Abstract:

La bioeconomia coinvolge processi basati su biomasse rinnovabili: lo sviluppo di processi di seconda generazione, basati su biomasse residuali quali sottoprodotti industriali (es. dal settore alimentare, agricolo, forestale), può incontrare i principi della sostenibilità. Poiché i microrganismi hanno il potenziale per trasformare queste biomasse in prodotti di interesse industriale, il lavoro si è concentrato sulla valorizzazione di biomasse residuali (es. panello di Camelina e scarto di cannella, letame), e sull'identificazione e possibile modificazione di cell factory microbiche (es. Rhodosporidium toruloides, Saccharomyces cerevisiae, consorzi anaerobici) per la sintesi di molecole di rilevanza industriale (es. carotenoidi, folati). Seguendo la logica del cascading, i composti ad alto valore aggiunto possono essere ottenuti in quantità relativamente basse usando materie prime sempre più costose, mentre prodotti chimici bulk (es. biogas) devono essere ottenuti da materie prime di basso valore (es. letame). Il primo substrato studiato come materia prima è stato il panello di Camelina sativa, che, nonostante le sue potenzialità, non è mai stato considerato per lo sviluppo di un bioprocesso. Diverse concentrazioni di panello di Camelina sono state testate per l'idrolisi enzimatica da varie concentrazioni del un cocktail industriale, per rilasciare zuccheri utili alla crescita microbica. Il processo è stato ottimizzato in termini di enzimi aggiunti e carichi solidi totali, individuando 9% p/v di panello di Camelina e dello 0,56% p/ppanello di Camelina di cocktail enzimatico come in grado di aumentare la produttività specifica dei carotenoidi in R. toruloides. L'idrolizzato di panello di Camelina è stato quindi fornito al microrganismo mediante un processo di idrolisi e fermentazione separate (SHF) o di saccarificazione e fermentazione simultanea (SSF). In tutti i casi R. toruloides è stato in grado di crescere e accumulare carotenoidi, a concentrazioni confrontabili con quelle riportate in letteratura da altre biomasse residuali. La produzione è stata testata anche in bioreattore per acquisire dati quantitativi in condizioni di rilevanza industriale. Nel complesso, abbiamo dimostrato il potenziale utilizzo del panello di Camelina come materia prima per bioprocessi basati su R. toruloides, lievito oleaginoso in grado di accumulare carotenoidi. Una seconda attività ha riguardato lo sfruttamento della cannella (Cinnamomum verum): dato il contenuto di cellulosa, abbiamo applicato i principi già esposti anche agli scarti derivanti dall'estrazione dei polifenoli dalla cannella. L'idrolisi enzimatica è stata testata a diversi pH operativi, ottenendo zuccheri disponibili per la crescita microbica. Poiché la cannella possiede proprietà antimicrobiche, è stato effettuato un test su piastra di diverse specie di lievito: in presenza di idrolizzato di scarto di cannella, tutte le specie testate hanno dimostrato di poter crescere. Nel caso di R. toruloides, è stato in grado di produrre carotenoidi sia su piastra che in terreni liquidi derivati dagli scarti di cannella. Un'altra classe di molecole ad alto valore aggiunto su cui ci siamo concentrati sono stati i folati: il lievito S. cerevisiae è stato ingegnerizzato per aumentare la produzione di queste molecole di rilevanza farmacologica. La modulazione della vie dello shikimato e del folato è stata proposta per valutare gli effetti sulle diverse forme di folati prodotti da glucosio. Infine, la produzione di biometano da letame da parte di consorzi microbici è stata valutata con un modello computazionale: abbiamo aggiornato le equazioni esistenti per descrivere meglio la conversione microbica degli zuccheri in biometano e modificato specifici parametri di processo per simulare possibili aumenti della produzione. Nel complesso, questo lavoro ha esplorato diversi aspetti del concetto di cascading applicato a diverse biomasse, cell factory microbiche e bioprodotti.
Bioeconomy involves processes based on renewable biomasses: in this scenario, the development of second-generation processes, based on residual biomasses such as industrial by-products (e.g. form the food, agriculture, forestry sectors), can accomplish all the principles of sustainability. Since microorganisms have the potential to transform these biomasses into products of industrial interest, the work focused on the valorization of residual biomasses (i.e. Camelina meal and cinnamon waste materials, manure), and on the identification and possible modification of microbial cell factories (i.e. Rhodosporidium toruloides, Saccharomyces cerevisiae, anaerobic consortia) for the synthesis of molecules of industrial relevance (i.e. carotenoids, folates). Following the logic of cascading, high added value compounds can be obtained in relatively low amounts and using increasingly expensive raw materials, whereas bulk chemicals (i.e. biogas) must be obtained from low value feedstocks (i.e. manure). The first substrate studied as feedstock was the Camelina sativa meal, which, despite its potential, had never been considered as a raw material for the development of a bioprocess. Different concentrations of Camelina sativa meal were tested for enzymatic hydrolysis by different concentrations of the industrial cocktail NS22119, to release sugars for the growth of the microorganism. The process was optimized in terms of enzymes added and total solid loadings, identifying the use of 9% w/v of Camelina meal and 0.56% w/wCamelina meal of enzymatic cocktail as able to increase the specific productivity of carotenoids by R. toruloides. The hydrolyzate of Camelina sativa meal was then provided to the microorganism by a separate hydrolysis and fermentation (SHF) or a simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process. In all the cases R. toruloides was able to grow and accumulate carotenoids, at a concentration comparable with those reported in the literature from other residual biomasses. SHF production was further tested in bioreactor to acquire quantitative data under industrially relevant conditions. Overall, we demonstrated the potential use of the Camelina sativa meal as raw material for bioprocesses based on R. toruloides, an oily yeast naturally able of accumulating carotenoids. A second activity concerned the exploitation of cinnamon (Cinnamomum verum): since its cellulose content, we applied the principles exposed for the Camelina meal to the waste deriving from the extraction of polyphenols from cinnamon as well. The hydrolysis via enzymatic cocktail was tested at different operating pH, successfully resulting in released sugars available for the growth of microorganisms. Since cinnamon possess antimicrobial properties, an on-plate testing of different yeast species was carried out: in the presence of cinnamon extract waste hydrolysate, all the tested species proved to be able to grow, meaning that the initial extraction diminishes the levels of antimicrobial species in the residues. In the case of R. toruloides, it was able to produce carotenoids both on plate and in liquid media derived from cinnamon waste. Another class of high added-value molecules we focused on were folates: the yeast S. cerevisiae was engineered in order to increase the production of these molecules of pharmacological relevance. Modulation of the shikimate and folate pathways were proposed to assess their effect on the different forms of folates produced from glucose. Finally, the production of biomethane from manure by microbial consortia was evaluated using a computational model: we updated existing equations to better describe microbial conversion of sugars into biomethane and modified specific process parameters to simulate and predict possible increases in production. Overall, this work explored different aspects of the concept of cascading applied to several biomasses, microbial cell factories and products.

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Vernes, Léa. "Mise au point d’un procédé innovant d’éco-extraction assisté par ultrasons d’ingrédients alimentaires à partir de spiruline et transposition à l’échelle industrielle." Electronic Thesis or Diss., Avignon, 2019. http://www.theses.fr/2019AVIG0273.

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Abstract:

Les microalgues sont l’une des ressources renouvelables les plus prometteuses pouvant constituer une alimentation durable future. Grâce à leur diversité de métabolisme, ces microorganismes sont capables de synthétiser une vaste gamme de composés d’intérêt à haute valeur nutritionnelle. Cependant, leur consommation reste limitée du fait de leurs caractéristiques organoleptiques intrinsèques peu attrayantes. Afin de répondre à cette problématique et de lever les verrous, les travaux de cette thèse ont porté sur la mise au point d’un procédé de production d’ingrédient alimentaire à partir de spiruline.Une méthode verte et innovante faisant intervenir la technologie ultrasonore pour l'extraction de protéines à partir d'Arthrospira platensis a été proposée dans une première partie. Il s’agit de la manothermosonication (MTS). Le recours à un plan d’expérience a permis d’optimiser les paramètres d’extraction ; et une modélisation mathématique ainsi que des investigations microscopiques ont mené à une compréhension des phénomènes de transfert de masse d’une part et des effets structurels des ultrasons sur les filaments de spiruline d’autre part. Selon les résultats expérimentaux, la MTS a permis d'obtenir 229 % de protéines en plus (28,42 ± 1,15 g / 100 g MS) par rapport au procédé classique sans ultrasons (8,63 ± 1,15 g / 100 g MS). Avec 28,42 g de protéines pour 100 g de spiruline dans l'extrait, un taux de récupération des protéines de 50 % a été atteint en 6 minutes effectives avec un procédé MTS continu. Partant de ces résultats prometteurs, des pistes d’extrapolation ont été étudiées afin de proposer des outils d’aide à la décision pour l’industrialisation du procédé. Ainsi une procédure d’analyse des risques (HACCP & HAZOP), une étude de coût ainsi que l’impact environnemental du procédé ont été développés dans une seconde partie de ces travaux. Enfin, des voies de valorisation des co-produits d’extraction ont été présentées dans une approche de bioraffinerie
Microalgae are one of the most promising renewable resource for future sustainable food. Thanks to their diversity of metabolism, these microorganisms can synthesize a wide range of compounds of interest with high nutritional value. However, their consumption remains limited because of their intrinsic organoleptic characteristics unattractive. To tackle this problem and to overcome these barriers, this thesis was focused on the development of a production process of food ingredient from spirulina.A green and innovative method using ultrasonic technology for the extraction of proteins from Arthrospira platensis was proposed in a first part. This is the manothermosonication (MTS). The use of an experimental plan made it possible to optimize extraction parameters; and mathematical modeling and microscopic investigations led to an understanding of the mass transfer phenomena on the one hand, and the structural effects of ultrasound on spirulina filaments on the other hand. According to the experimental results, MTS allowed to obtain 229 % more proteins (28.42 ± 1.15 g / 100 g DW) compared to the conventional method without ultrasound (8.63 ± 1.15 g / 100 g DW). With 28.42 g of protein per 100 g of spirulina in the extract, a protein recovery rate of 50% was achieved in 6 minutes with a continuous MTS process. Based on these promising results, extrapolation tracks have been studied in order to propose decision support tools for process industrialization. Thus, a risk analysis procedure (HACCP & HAZOP), a cost study as well as the environmental impact of the process were developed in a second part of this work. Lastly, ways of exploiting by-products have been presented in a biorefinery approach

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Jacquemin, Leslie. "Production d'hémicelluloses de pailles et de sons de blé à une échelle pilote. Etude des performances techniques et évaluation environnementale d'un agro-procédé." Thesis, Toulouse, INPT, 2012. http://www.theses.fr/2012INPT0140/document.

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Abstract:

L'objectif de ces travaux vise à évaluer les performances techniques et environnementales d'un procédé de fractionnement et de purification d'hémicelluloses de pailles et sons de blé. La démarche employée consiste dans un premier temps à évaluer la faisabilité du procédé à une échelle pilote. Celui-ci implique notamment une opération de fractionnement par extrusion bi-vis et des étapes de concentration-purification par une combinaison d'ultrafiltration et de chromatographie sur résine. Il est comparé à un procédé plus classique où l'extrait extrudé subit une évaporation et une précipitation éthanolique. L'étude des compositions chimiques des extraits et des poudres produites à chaque étape du procédé permet d'observer que l'extrusion bi-vis donne des rendements plus faibles que d'autres techniques d'extraction, mais présente des avantages en termes d'échelle, de continuité du procédé, et de faibles consommations d'eau. Par ailleurs, l'ultrafiltration est une technique intéressante car elle permet une purification et une concentration des extraits simultanées et la chromatographie sur résine s'est avérée être une solution attractive pour la décoloration des extraits. Dans un second temps, la méthodologie d'analyse du cycle de vie (ACV) a été appliquée au procédé. Celle-ci a mis en avant le fort impact environnemental généré par certaines opérations unitaires et a donné lieu à l'identification de priorités d'actions pour l'amélioration du procédé. Ainsi, le scénario mettant en jeu une combinaison de l'ultrafiltration avec une chromatographie sur résine semble plus avantageux que celui mettant en jeu une évaporation sous vide combinée à une précipitation éthanolique. La démarche employée apporte également des réponses méthodologiques sur la démarche d'ACV appliquée aux procédés : l'importance de prendre en compte différentes méthodes de caractérisation, de tester la sensibilité de l'étude à l'unité fonctionnelle et aux hypothèses initiales ont été mises en avant. Enfin, dans le but de démontrer sa forte potentialité dans le domaine des procédés, l'ACV a été appliquée à certaines opérations unitaires. L'intérêt d'étudier l'influence des conditions opératoires des procédés sur les impacts environnementaux a été démontré. Par ailleurs, la nécessité de développer des outils de modélisation des procédés qui pourront être couplés à ceux de l'ACV afin d'intégrer pleinement les critères environnementaux au dimensionnement des procédés a été mis en avant
The objective of this work was to evaluate the technical and environmental performance of a fractionation and purification process of hemicelluloses from wheat straw and bran. The approach used was first to assess the feasibility of the process on a pilot scale. This implied setting up twin-screw extrusion, concentration steps by ultrafiltration and a purification step by ion exchange chromatography. It was compared to a more traditional process where the extruded extract was treated by evaporation and ethanol precipitation. Study of the chemical composition of extracts and powders produced at each stage of the process, showed that the twin-screw extrusion gave lower yields than other extraction techniques, but had the advantage in terms of scale, continuity of the process and low water consumption. Furthermore, ultrafiltration is an interesting technique because it allows simultaneous purification and concentration of the extracts, and ion exchange chromatography proved to be an attractive solution for the removal of coloured compounds. In a second step, the life cycle assessment (LCA) methodology was applied to the process. This highlighted the strong environmental impact generated by some unit operations, and resulted in the identification of priorities to improve the process. Thus, the scenario involving a combination of ultrafiltration with ion exchange chromatography appears to be more advantageous than that involving vacuum evaporation combined with ethanol precipitation. The approach used also provides methodological answers for LCA applied to processes: the importance of taking into account different characterization methods, testing the sensitivity of the study to the functional unit, and reconsidering the initial assumptions, has been stressed. Finally, in order to demonstrate its high potential in the field of processes, LCA has been applied to some unit operations. The interest of studying the influence of process operating conditions on environmental impacts has been demonstrated. In addition, the need to develop tools for modelling processes that can be coupled to those of LCA in order to fully integrate environmental criteria into process design, has been highlighted

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Hedenfelt, Eva. "Mikroalgbaserad biogas - ett raffinerat bidrag till en hållbar stadsutveckling." Thesis, Malmö högskola, Fakulteten för kultur och samhälle (KS), 2011. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:mau:diva-21149.

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Abstract:

I detta arbete undersöks möjligheterna att använda mikroalger som råvara för produktion avbiogas, både genom en litteraturstudie och genom en förstudie för hur en pilotanläggning förhållbar odling av mikroalger för biogasproduktion skulle kunna initieras. Utgångspunkten ärhållbarhet, vilket innebär att odlingen av mikroalgerna baseras på befintliga, outnyttjadesamhällsflöden. Avloppsvatten och koldioxidutsläpp är exempel på flöden som kan orsakanegativ miljöpåverkan i form av klimatförändringar, övergödning och försurning. Om dessaresurser istället får utgöra närings- och kolkällor vid odling av mikroalger för produktion avbiogas utnyttjas dessa resurser istället till att generera hållbart producerad energi. Närbiogasen ersätter fossila bränslen ökar miljövinsten ytterligare. Det är dock grundläggande attproduktionen är ekonomiskt hållbar, och litteraturstudien visar att detta inte är fallet vidmikroalgbaserad produktion av endast biogas. Därför krävs tillämpning av ettbioraffineringskoncept, där inte bara biogas produceras av mikroalgerna utan även andraprodukter som till exempel vätgas, enzymer, värme och elektricitet. I förstudien beskrivs hurett projekt kan planeras för att utreda om ett sådant system kan bli hållbart. Det delas upp ifyra delprojekt: 1) systemdesign och hållbarhetsanalys; 2) en projektplan för delprojekt 3 och4; 3) laboratorietester; och 4) tester i pilotskala. Endast det första delprojektet, där systemetsom beskrivs i litteraturstudien definieras och hållbarhetsanalyseras, diskuteras i detalj iförstudien. Genomförandet av delprojekten ingår inte i detta arbete.
This paper examines the possibility of using microalgae as raw material for the production ofbiogas. This was achieved through studies of relevant literature as well as through a basicproject plan regarding the initiation of a pilot plant. The theory of sustainable microalgaecultivation is based on the utilization of existing resource flows that are currently unutilized insociety, such as waste water and flue gas emissions. These resources can cause environmentalissues such as climate change, eutrophication and acidification. However, they can alsoprovide the nutrients necessary for effective microalgal growth, and the microalgae can inturn be utilized as a sustainable energy source for production of biogas. Replacing fossil fuelswith microalgal biogas may lead to environmental benefits. A review of literature, however,shows that when biogas alone is produced from the microalgae the process is noteconomically sustainable. Hence, a biorefinery concept is suggested where products such ashydrogen, enzymes, heat and power make the system sustainable. A basic project plandiscribes one possible scenario for the initiation of sustainable cultivation of microalgae andthe subsequent biorefining process for the production of biogas. The project is divided intofour phases: 1) system design and sustainability analysis; 2) a feasibility study for phase 3 and4; 3) laboratory tests; and 4) pilot scale tests. Only the initial phase of the project, whichdefines the system design described in the literature study and provides a sustainabilityanalysis over the defined system, is discussed in detail. None of the project phases will beimplemented as part of this study.

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Beaufils, Nicolas. "Étude du bioraffinage de bois de feuillus en amont du procédé papetier kraft : influence des conditions d'extraction et de purification sur la production de molécules cibles." Thesis, Toulouse, INPT, 2019. http://www.theses.fr/2019INPT0126.

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Abstract:

Les procédés de production de pâte à papier, tels qu’ils ont été optimisés, visent à la valorisation du bois en éliminant toutes les impuretés qui sont rattachées aux fibres de la cellulose. Depuis quelques années la rentabilité de ces industries a fortement diminué. Elles recherchent donc de nouveaux débouchés pour leurs co-produits. Jusqu’à présent les fractions non cellulosiques ont été valorisées sous forme énergétique par combustion. Or, ces molécules peuvent trouver des débouchés dans divers secteurs, générant ainsi une nouvelle source de revenus pour ces sociétés. C’est dans ce contexte que la société Fibre Excellence lancé un projet visant à produire de la cellulose haute pureté conjointement à d’autres molécules pouvant être issues des bois de feuillus, notamment les sucres en C5 (Xylose) et C6 (glucose) et les fractions phénoliques coextraites. La thèse s’inscrit dans le projet et vise à étudier l’extraction et la purification des composés phénoliques extraits dans des conditions utilisant l’eau subcritique comme solvant d’extraction. Suite à la caractérisation physico-chimique des 4 essences de bois de feuillus du massif pyrénéen (peuplier, hêtre, chêne et châtaignier), leur extraction en conditions eau subcritique a été optimisée en fonction de différentes conditions opératoires (temps, température, ratio L/S) et pour différents procédés d’extraction allant de l’échelle laboratoire à l’échelle pilote. C’est sous l’action de l’eau chaude pressurisée que l’extraction des composés phénoliques (ex : tannins/lignines) et des polysaccharides (hémicelluloses) a été réalisée. Il a été montré que les rendements d’extraction différaient en fonction de la morphologie de l’essence de bois traitée quel que soit le procédé, avec la mise en évidence de limitations par des phénomènes de transfert de matière selon le procédé étudié. De plus, il a été démontré la possibilité d’extraire des composés phénoliques en amont des hémicelluloses. Enfin, la purification d’extraits riches en composés phénoliques a été étudiée en ultrafiltration et en chromatographie échangeuse d’ion ce qui a permis de séparer différentes fractions phénoliques mais aussi l’acide gallique et l’acide ellagique, molécules à haute valeur ajoutée
The pulp production processes, in their optimized form, aim to recover wood by removing all impurities that are attached to cellulose fibres. In recent years, the profitability of these industries has fallen sharply. They are therefore looking for new outlets for their co-products. Until now, noncellulosic fractions have been recovered in energy form by combustion. However, these molecules can find outlets in various sectors, generating a new source of revenue for these companies. It is in this context that Fibre Excellence launched a project to produce high-purity cellulose in association with other molecules that can be obtained from hardwoods, in particular C5 (Xylose) and C6 (glucose) sugars and co-extracted phenolic fractions. The thesis is part of the project and aims to study the extraction and purification of extracted phenolic compounds using subcritical water as an extraction solvent. Following the physico-chemical characterization of the four hardwood species of the Pyrenees (poplar, beech, oak and chestnut), their extraction under subcritical water conditions was optimized according to different operating conditions (time, temperature, L/S ratio) and for different extraction processes ranging from laboratory to pilot scale. It is under the action of pressurized hot water that the extraction of phenolic compounds (e.g. tannins/lignins) and polysaccharides (hemicelluloses) was carried out. It has been shown that extraction yields differ according to the morphology of the treated wood species regardless of the process, with limitations highlighted by mass transfer phenomena depending on the process under study. Furthermore, the possibility of extracting phenolic compounds prior to hemicelluloses has been demonstrated. Finally, the purification of extracts rich in phenolic compounds was studied in ultrafiltration and ion-exchange chromatography, which made it possible to separate different phenolic fractions but also gallic acid and ellagic acid, molecules with high added value

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MASTELLA, LUCA. "PROCESS AND METABOLIC ENGINEERING FOR THE PRODUCTION OF VITAMIN B9 IN YEASTS AS EXAMPLE OF INDUSTRIAL SYMBIOSIS AND CIRCULAR ECONOMY." Doctoral thesis, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2023. https://hdl.handle.net/10281/402373.

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Abstract:

La lignocellulosa è il principale componente strutturale delle piante legnose e non, e rappresenta una delle principali fonti potenziali di materia organica rinnovabile. La lignocellulosa è composta principalmente da due polimeri di carboidrati, cellulosa ed emicellulosa e dalla lignina (un polimero aromatico). Questi polimeri complessi da un lato costituiscono spesso una biomassa residua della filiera agroalimentare, ma allo stesso tempo contengono differenti monomeri zuccherini e precursori fenolici, aventi un enorme valore biotecnologico, poiché potenzialmente possono essere convertiti in differenti prodotti ad elevato valore aggiunto. In uno scenario in cui la popolazione mondiale è in aumento insieme alla generazione di rifiuti ed inquinamento a scapito delle risorse del pianeta e del benessere umano, questo progetto mira a proporre un esempio di bioeconomia circolare e simbiosi industriale. Più in dettaglio, il progetto parte dalla valutazione quali-quantitativa delle biomasse agricole residue fino alla valorizzazione di un sottoinsieme di interesse per il nostro territorio in folati, sfruttando i lieviti come cell factory microbiche. Il folato (Vitamina B9) è una vitamina B idrosolubile con ruoli importanti nella sintesi, riparazione e metilazione degli acidi nucleici, prodotta solo dalle piante verdi e da alcuni microrganismi: per questi motivi rappresenta una componente nutritiva essenziale per l'uomo. La vitamina B9 disponibile in commercio è sintetizzata chimicamente come acido folico, non ottimale in termini di bioattività per l'uomo; la produzione di folati naturali mediante fermentazione microbica sta quindi diventando un'alternativa sostenibile e desiderabile per l'integrazione umana. Nel corso del progetto è stata acquisita ed applicata la metodologia ENEA per l'analisi dei flussi di risorse e per la creazione di possibili sinergie tra le varie aziende presenti nella regione Lombardia. Grazie a questo lavoro è stato possibile identificare le principali biomasse di scarto prodotte nell'area nel settore agroalimentare e le vinacce non fermentate sono state quindi selezionate per ulteriori studi in laboratorio, e confrontate con biomasse residue precedentemente utilizzate, derivanti dal processo di produzione dello zucchero. Il lievito non convenzionale Scheffersomyces stipitis è stato sfruttato come ospite naturale per la produzione di vitamina B9, per la prima volta in questo lavoro. La crescita è stata ottimizzata e la produzione di folati è stata valutata prima in beuta e successivamente in bioreattore in terreni formulati che imitano gli idrolizzati di lignocellulosa. La produzione massima di folati è stata di 3,7 ± 0,07 mg/L, che ad oggi è la più alta riportata se si considerano i microrganismi di tipo selvatico. Inoltre, è stata valutata la produzione di folati in beuta a partire da tre diverse biomasse residue: melassa di barbabietola da zucchero (SBM), polpa di barbabietola da zucchero (SBP) e vinacce non fermentate (UGM). S. stipitis è stato in grado di metabolizzare queste biomasse, raggiungendo titoli di folati rispettivamente di 188,2 ± 24,86 μg/L, 130,6 ± 1,34 μg/L e 101,9 ± 6,62 μg/L. Parallelamente, il lievito Saccharomyces cerevisiae, suscettibile di manipolazione genetica, è stato ingegnerizzato nel percorso anabolico della produzione di folati per acquisire nuove conoscenze sui possibili bersagli per sbloccare i precursori che ne limitano la produzione. Otto geni diversi sono stati manipolati per la prima volta nello stesso background genetico e sfruttando diverse strategie ingegneristiche. Questo è stato fondamentale per testare il miglior ceppo nel bioreattore e per portare la produzione e la produttività di folati rispettivamente a 620,0 ± 12,30 μg/L e 41,33 μgfol/Lh, tra i più alti in letteratura. Nel complesso, questi risultati forniscono una solida evidenza di possibili processi di upcycling a base microbica di biomasse lignocellulosiche.
Lignocellulose is the major structural component of woody and non-woody plants, representing a major potential source of renewable organic matter. Lignocellulose is primarily composed by two carbohydrate polymers, cellulose and hemicellulose and by lignin (an aromatic polymer). These complex polymers on the one hand often constitute a residual biomass of agro-food production chain, but at the same time they contain different sugar monomers and phenolic precursors, harbouring an enormous biotechnological value, since they can potentially be converted into different value-added products. In a scenario where the world population is increasing together with the generation of waste and pollution at the expenses of planet resources and human wellbeing, this project aims at proposing an example of circular bioeconomy and industrial symbiosis. More in detail, the project starts from the quali-quantitative evaluation of residual agricultural biomasses to the valorization of a subset of interest for our territory into folates, exploiting yeasts as microbial cell factory. Folate (Vitamin B9) is a water-soluble B vitamin with important roles in nucleic acid synthesis, repair and methylation, produced only by green plants and some microorganisms: for these reasons it represents an essential nutritional component for humans. Vitamin B9 commercially available is chemically synthetized as folic acid, suboptimal in terms of bioactivity for humans; the production of natural folates by microbial fermentation is therefore becoming a sustainable and desirable alternative for human supplementation. During the project the ENEA methodology for the analysis of resource flows and for the creation of possible synergies between the various companies present in the Lombardy region was acquired and applied. Thanks to this work it was possible to identify the main waste biomasses produced in the area in the agro-food sector and unfermented grape marcs was then selected for further studies in laboratory, and compared with previously utilised residual biomasses, deriving from sugar process of production. The non-conventional yeast Scheffersomyces stipitis was exploited as natural but never investigated host for the production of vitamin B9. The growth was optimized and folate production was assessed first in shake flasks and then in bioreactor in formulated media mimicking lignocellulose hydrolysates. The maximum folate production was 3.7 ± 0.07 mg/L, which to date is the highest reported when considering wild type microorganisms. Moreover, folate production was evaluated in shake flasks starting from three different residual biomasses: sugar beet molasses (SBM), sugar beet pulp (SBP) and unfermented grape marcs (UGM). S. stipitis was able to metabolize these biomasses, reaching folate titers of 188.2 ± 24.86 μg/L, 130.6 ± 1.34 μg/L and 101.9 ± 6.62 μg/L respectively. In parallel, the yeast Saccharomyces cerevisiae, amenable for genetic manipulation, was engineered into the anabolic pathway of folate production to acquire novel knowledge on possible targets for unlocking bottlenecks of production. Eight different genes were manipulated for the first time in the same genetic background and exploiting different engineering strategies. This was pivotal for testing the best strain in bioreactor and in bringing folate production and productivity up to 620.0 ± 12.30 μg/L and 41.33 μgfol/Lh respectively, among the highest in the literature. Overall, these results provide solid evidence of possible up-cycling microbial-based processes of lignocellulosic biomasses that characterize specific territory. The value in terms of circularity of the resources, minimization of management costs of wastes and generation of values in the logic of industrial symbiosis was demonstrated, matching the initial scope of the PhD project.

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Huet, Marion. "Valorisation hydrothermales de la liqueur noire à des fins énergétiques et de chimie verte." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAI085/document.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse est d'étudier la valorisation de la liqueur noire non soufrée par deux procédés hydrothermaux : la gazéification en eau supercritique et la liquéfaction hydrothermale. Ceux-ci seront comparés au procédé actuel de valorisation (évaporation puis combustion dans chaudière Tomlinson) selon 3 critères : le rendement énergétique, la récupération du sodium et la production de molécules aromatiques biosourcées.Lors de la gazéification, il a été montré que la formation de gaz est compétitive à celle de char. Une chauffe rapide et des températures élevées vont favoriser le rendement gaz et donc le rendement énergétique. Cependant les rendements énergétiques sont plus faibles que le procédé actuel car la conversion des composés aromatiques provenant de la lignine est faible dans la gamme de température étudiée. Lors d'un procédé en continu, à plus haute température (700°C) avec une chauffe rapide, le rendement énergétique peut être le double au procédé actuel (simulé à l'équilibre thermodynamique). La préhydrolyse du bois et l'utilisation de bois de résineux vont défavoriser la conversion de la liqueur noire en gaz.La liquéfaction quant-à-elle permet la formation composés phénoliques et d'un biocrude dont la combustion permettant de meilleur rendements énergétique que le procédé actuel. En effet, la lignine de la liqueur noire est hydrolysée en fragments réactifs, pouvant être soit dégradés soit se recombiner pour former le biocrude. Cette dernière est favorisée par la présence des carbohydrates. L'utilisation de bois de feuillus et la préhydrolyse vont améliorer le rendement énergétique.La récupération du sodium est satisfaisante pour les deux procédés, validant la faisabilité de la substitution de la chaudière par ces procédés hydrothermaux
This thesis aims to study sulfur free black liquor valorization through two hydrothermal processes: supercritical water gasification and hydrothermal liquefaction. These processes will be compared to the industrial process (evaporation and Tomlinson boiler) with 3 mains criteria: energetic yield, sodium recovery and phenolic molecules production.In supercritical conditions, gas formation is competitive with char formation. Fast heating and high temperature permit to increase gas yield, thus energetic yield. However, conversion of phenolic compounds from lignin is low below 500°C, leading to a lower energetic yield than reference. In a continuous process, at high temperatures (700°C) and fast heating, energetic yield should be 2 times higher than industrial process (simulation at thermodynamic equilibrium). Wood prehydrolysis and softwood lead to a lower conversion of black liquor.Hydrothermal liquefaction produces a biocrude which can be burnt and phenolic platform compounds. Indeed, lignin is depolymerized into reactive fragments which can be degraded into platform phenolic molecules. Moreover, the recombination of these fragments, leading to biocrude formation, is favored by the carbohydrates derivatives in black liquor. Wood prehydrolysis and hardwood lead to better energetic and phenolic molecules yields.Sodium recovery is satisfactory for both processes. Substitution of Tomlinson recovery by a hydrothermal process is then possible

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De, rouffignac Aliénor. "Diversité des patrimoines et valorisation de la biomasse forestière : Quelles mutations des filières forêt-bois ?" Thesis, Reims, 2019. http://www.theses.fr/2019REIME006.

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Abstract:

Le changement climatique impose désormais de nouvelles perspectives ou contraintes de développement aux filières industrielles à fort impact environnemental telles que les filières forêt-bois. La transition écologique et la bioéconomie apparait alors comme la principale solution pour modifier ces filières basées sur un modèle économique productiviste, vers un développement industriel durable. Dans ce contexte de transition, cette thèse propose de comprendre les dynamiques et l'évolution de la filière forêt-bois, en particulier par rapport au développement de la bioraffinerie lignocellulosique. Cette filière particulière cristallise les enjeux énergétiques et environnementaux du contexte de changement climatique actuel et questionne également l’importance du territoire, dans la mesure où la valorisation de la biomasse forestière est dépendante de l'exploitation localisée de la ressource naturelle. Du point de vue méso-économique, l’analyse de la dynamique de cette filière complexe et territorialisée repose sur la co-construction des acteurs économiques, des firmes, des industries et des territoires dans lesquels elles s’inscrivent. L’objectif de la thèse est de déterminer les caractéristiques des interactions entre ces différentes parties prenantes ainsi que leurs dynamiques historiques et territoriales, constitutifs des patrimoines productifs de ces filières. Les dimensions de ces patrimoines mettent en lumière les possibles voies de valorisation de la biomasse forestière et permettent de questionner les visions du futur des différentes parties qui contextualisent les trajectoires de la filière forêt-bois
Climate change now imposes new development opportunities or constraints on industries with a high environmental impact, such as the forest industry. The ecological transition and Bioeconomy then appeared as the main solution to modify these sectors based on a productivist economic model, towards sustainable industrial development. In this context of transition, this thesis proposes to understand the dynamics and evolution of the forest-based sector, especially with regard to the development of lignocellulosic biorefinery. This particular sector crystallizes environmental and energy-related issues of the current climate change context and also questions the importance of territory, insofar as the forest biomass valorization is dependent on the localized exploitation of natural resources. From a mesoeconomic point of view, the analysis of the dynamics of this complex and territorialized sector is based on the co-construction of economic actors, firms, industries and territories in which they operate. The objective of the thesis is to determine the characteristics of the interactions between these different stakeholders as well as their historical and territorial dynamics, which constitute the productive heritage of these sectors. The dimensions of these heritages highlight the possible paths of forest biomass valorization and allow us to question the visions of the future of the different stakeholders that also contextualize the trajectories of the forest-based sector

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Dissertations / Theses on the topic 'Bioraffineries'

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