Academic literature on the topic 'Lignocellulosic biomass valorization'

The most potential feedstock for industrial civilizations is lignin derived from biomass. The most prevalent aromatic polymer on earth and one of the most difficult materials for commercial application is lignin. Reducing sugars, which can be used to make biofuels and some other products, are among the many chemicals that lignocellulose biomass releases during pretreatment. Lignocellulosic material (LCMS) is a material that is easily accessible, renewable, recyclable, and plentiful. Sustainability has gained traction as a result of climate change and environmental harm. The need for a flexible strategy to meet rising global energy demands has led many academics to concentrate on renewable biofuel made from sustainable sources. Construction of industrial biorefineries using lignocellulose feedstock for biofuel production and other bioproducts. The effective and scalable valorization of lignin is one of the main issues. Its presence prevents the biochemical conversion of lignocelluloses into fuels and chemicals, which depends on the extraction of cellulose and hemicellulose. To produce sustainable energy, lignocellulosic biomass must undergo pretreatment to speed up fragmentation and reduce lignin content. Temperature, time, particle size, and solid loading are the controlling factors for lignin extraction. This study covers the working conditions, parameters, yield percentages, techno-economic evaluations, challenges, and recommended next steps for the direct conversion of biomass to hydrogen. It detailed how green pre-treatment techniques can be used to produce green biofuels, and prospects for the application of green pre-treatment technologies on an industrial scale are also provided. The sustainable lignocellulose biorefinery has a path forward thanks to effective lignin recovery and valorization techniques.

The booming demand for energy across the world, especially for petroleum-based fuels, has led to the search for a long-term solution as a perfect source of sustainable energy. Lignocellulosic biomass resolves this obstacle as it is a readily available, inexpensive, and renewable fuel source that fulfills the criteria of sustainability. Valorization of lignocellulosic biomass and its components into value-added products maximizes the energy output and promotes the approach of lignocellulosic biorefinery. However, disruption of the recalcitrant structure of lignocellulosic biomass (LCB) via pretreatment technologies is costly and power-/heat-consuming. Therefore, devising an effective pretreatment method is a challenge. Likewise, the thermochemical and biological lignocellulosic conversion poses problems of efficiency, operational costs, and energy consumption. The advent of integrated technologies would probably resolve this problem. However, it is yet to be explored how to make it applicable at a commercial scale. This article will concisely review basic concepts of lignocellulosic composition and the routes opted by them to produce bioenergy. Moreover, it will also discuss the pros and cons of the pretreatment and conversion methods of lignocellulosic biomass. This critical analysis will bring to light the solutions for efficient and cost-effective conversion of lignocellulosic biomass that would pave the way for the development of sustainable energy systems.

Development of an innovative lignocellulosic biorefinery: milling combined with electrostatic (EF-T) and turbo (TF-T) fractionation technologies of lignocellulose biomass. EF-T and TF-T appear to be interesting technologies for biofuel production from waste feedstocks (e.g. rice straw) without any chemical or water inputs and minimizing waste generation.

The urgent demand for alternative energy sources has been sparked by the tremendous burden on fossil fuels and the resulting acute energy crisis and climate change issues. Lignocellulosic biomass is a copious renewable and alternative bioresource for the generation of energy fuels and biochemicals in biorefineries. Different pretreatment strategies have been established to overcome biomass recalcitrance and face technological challenges, such as high energy consumption and operational costs and environmental hazards, among many. Biological pretreatment using microbial enzymes is an environmentally benign and low-cost method that holds promising features in the effective pretreatment of lignocellulosic biomass. Due to their versatility and eco-friendliness, cellulases, hemicellulases, and ligninolytic enzymes have been recognized as “green biocatalysts” with a myriad of industrial applications. The current review provides a detailed description of different types of lignocellulolytic enzymes, their mode of action, and their prospective applications in the valorization of lignocellulosic biomass. Solid state fermentation holds great promise in the microbial production of lignocellulolytic enzymes owing to its energy efficient, environment friendly, and higher product yielding features utilizing the lignocellulosic feedstocks. The recent trends in the application of enzyme immobilization strategies for improved enzymatic catalysis have been discussed. The major bottlenecks in the bioprocessing of lignocellulosic biomass using microbial enzymes and future prospects have also been summarized.

Lignocellulosic biomass represents the most abundant renewable carbon source on earth and is already used for energy and biofuel production. The pivotal step in the conversion process involving lignocellulosic biomass is pretreatment, which aims to disrupt the lignocellulose matrix. For effective pretreatment, a comprehensive understanding of the intricate structure of lignocellulose and its compositional properties during component disintegration and subsequent conversion is essential. The presence of lignin-carbohydrate complexes and covalent interactions between them within the lignocellulosic matrix confers a distinctively labile nature to hemicellulose. Meanwhile, the recalcitrant characteristics of lignin pose challenges in the fractionation process, particularly during delignification. Delignification is a critical step that directly impacts the purity of lignin and facilitates the breakdown of bonds involving lignin and lignin-carbohydrate complexes surrounding cellulose. This article discusses a two-step fractionation approach for efficient lignin extraction, providing viable paths for lignin-based valorization described in the literature. This approach allows for the creation of individual process streams for each component, tailored to extract their corresponding compounds.

With the increase in population, large amounts of food waste are produced worldwide every day. These leftovers can be used as a source of lignocellulosic waste, oils, and polysaccharides for renewable fuels. In a fixed bed reactor, low-temperature catalytic pyrolysis was investigated using biomass gathered from domestic garbage. Thermogravimetry, under N2 flow, was used to assess the pyrolysis behavior of tea and coffee grounds, white potato, sweet potato, banana peels, walnut, almonds, and hazelnut shells. A mixture of biomass was also evaluated by thermogravimetry. Waste inorganic materials (marble, limestone, dolomite, bauxite, and spent Fluid Catalytic Cracking (FCC) catalyst) were used as catalysts (16.7% wt.) in the pyrolysis studies at 400 °C in a fixed bed reactor. Yields of bio-oil in the 22–36% wt. range were attained. All of the catalysts promoted gasification and a decrease in the bio-oil carboxylic acids content. The marble dust catalyst increased the bio-oil volatility. The results show that it is possible to valorize lignocellulosic household waste by pyrolysis using inorganic waste materials as catalysts.

Le monde, et en particulier l'Europe, fait face aux effets du changement climatique dus à sa longue dépendance aux combustibles fossiles en reconnaissant la nécessité vitale de s'orienter vers des ressources énergétiques renouvelables. Parmi les énergies renouvelables, la biomasse alimente non seulement la production de bioénergie, mais constitue également une source vitale de biocarbone, utilisé pour créer des molécules à haute valeur ajoutée, en remplacement des produits d'origine fossile. Les lévulinates d'alkyle, dérivés de la biomasse, se distinguent particulièrement par leur potentiel en tant que bio-additifs et biocarburants. La solvolyse acide des sucres hexagonaux de la biomasse semble être une voie de production prometteuse et rentable. Le potentiel du lévulinate d'alkyle s'étend à sa conversion en γ-valérolactone (GVL), un biosolvant prometteur, généralement obtenu par hydrogénation avec hydrogène moléculaire. En plus d'être un réactif clé, l'hydrogène est également un vecteur énergétique prometteur, facilitant l'intégration des sources d'énergie renouvelables sur le marché. Les systèmes de stockage d'énergie à base d'hydrogène soutiennent cette intégration et favorisent la transformation industrielle "verte". Cette thèse porte sur l'étude technologique et l'évaluation de la durabilité d'un système de biotransformation, intégrant la valorisation de la biomasse lignocellulosique, la production d'énergie et la génération d'hydrogène. L'étude comprend des investigations expérimentales, optimisant les technologies pour la production de lévulinate de butyle et son hydrogénation en GVL, ainsi que la simulation et l'évaluation de la durabilité de l'ensemble du procédé. Afin de répondre à la question de la durabilité, la recherche présente une première section axée sur l'étude expérimentale de la technologie optimale pour la production de lévulinate de butyle. La solvolyse de l'hexose Fructose en lévulinate de butyle a été étudiée en termes de conditions optimales de procédé et de modélisation cinétique. Sélectionné le catalyseur hétérogène, l'effet du solvant a été étudié, montrant les avantages de l'utilisation du GVL comme co-solvant, avec le butanol, sur la cinétique de conversion et de dissolution du fructose. Dans ces conditions, la solvolyse en lévulinate de butyle a été étudiée d'un point de vue cinétique, d'abord en proposant un modèle pour la solvolyse du 5-HMF, un intermédiaire dans la voie du fructose, puis en étendant la modélisation à partir du fructose lui-même. Un modèle cinétique robuste, décrivant le mécanisme réactionnel de la solvolyse, a été défini et validé, en particulier dans des conditions de concentration élevée en fructose, et en incluant dans la modélisation la cinétique de dissolution et de dégradation du fructose. Dans la deuxième partie de la recherche, la perspective technologique a été étendue à l'hydrogénation du lévulinate de butyle en GVL. À partir d'une phase de conception, le schéma global du procédé de transformation du fructose en GVL a été défini, simulé et optimisé sur la base du concept d'intensification du procédé. Le procédé a ensuite été intégré dans une étude de cas réelle en Normandie, France, en adaptant l'analyse à la disponibilité locale de la biomasse lignocellulosique et de l'énergie éolienne. L'étude définit une méthodologie pour la conception et l'intégration du système d'approvisionnement en énergie, en évaluant différents scénarios. L'évaluation de la durabilité, basée sur des indicateurs de performance couvrant les dimensions économiques, environnementales et sociales, aboutit à un indice global de durabilité. Les résultats montrent que les scénarios intégrant le système de GVL, l'énergie éolienne et le stockage de l'énergie sous forme d'hydrogène sont prometteurs, car ils démontrent une rentabilité économique élevée et un impact environnemental réduit. Enfin, des analyses de sensibilité valident la robustesse et la fiabilité de la méthodologie
The world is facing the impacts of climate change due to its long dependence on fossil fuels, and specifically Europe, which is facing an energy crisis, has recognized the fragility of its fossil fuel-dependent energy system and has moved strongly towards renewable energy resources. Among renewables, biomass not only powers bio-energy production but also serves as a vital source of bio-carbon, used to create high-value molecules, replacing fossil-based products. Alkyl levulinates, derived from biomass, particularly stand out for their potential as bio-additives and bio-fuels. Acid solvolysis of hexose sugars from biomass appears to be a promising and cost-effective production route, which requires further investigation not yet found in the literature. The potential of alkyl levulinate extends to its conversion into γ-valerolactone (GVL), a promising bio-solvent, commonly obtained by hydrogenation through molecular-hydrogen. Besides being a key reagent, hydrogen is also a promising energy carrier, facilitating the integration of renewable energy sources into the market. Hydrogen energy storage systems support this integration, promoting 'green' industrial transformation. This thesis focuses on technological investigation and sustainability assessment of a potential biorefinery system, integrating lignocellulosic biomass valorization, energy production, and hydrogen generation. The study encompasses experimental investigations, optimizing technologies for the production of butyl levulinate and its subsequent hydrogenation to GVL. Sustainability considerations are fundamental to the process configuration, aligning with the global shift towards renewable and carbon bio-resources. In order to answer the question of sustainability, the research presents a first section focused on the experimental investigation of the optimal technology for the production of butyl levulinate. The solvolysis of the biomass-derived hexose Fructose to butyl levulinate was investigated, in terms of optimal process conditions and kinetic modelling. Selected an effective heterogeneous catalyst, the effect of the solvent was investigated, showing the benefits of using GVL as co-solvent, together with butanol, on the conversion and dissolution kinetics of fructose. In these conditions, the solvolysis to butyl levulinate was studied in depth from a kinetic point of view, first by proposing a model for the solvolysis of 5-HMF, an intermediate in the fructose pathway, and then extending the modelling from fructose itself. A robust kinetic model, describing the reaction mechanism of solvolysis, was defined and validated, particularly under conditions of high initial fructose concentration (applying the concept of High-gravity), and including in the modelling the kinetics of dissolution, and degradation of fructose, under acidic conditions.In the second part of the research, the technological perspective was extended to the hydrogenation of butyl levulinate to GVL. Starting from a conceptual design phase, the overall fructose-to-GVL process scheme was defined, simulated, and optimized on the basis of the process intensification concept. In the third part, the process was then dropped into a real case study in Normandy, France, adapting the analysis to the local availability of lignocellulosic biomass and wind energy. The study defines a methodology for designing and integrating the energy-supply system, evaluating different scenarios. The sustainability assessment, based on key performance indicators spanning economic, environmental, and social dimensions, culminates in an aggregated overall sustainability index. The results highlight scenarios integrating the GVL biorefinery system with wind power and hydrogen energy storage as promising, demonstrating high economic profitability and reduced environmental impact. Finally, sensitivity analyses validate the robustness and reliability of the methodology, generally extendable also to other technological systems
Come previsto, il mondo sta affrontando gli effetti tangibili del cambiamento climatico come conseguenza di un'economia basata sui combustibili fossili per centinaia di anni. Oltre a dover affrontare e adottare misure correttive per limitare gli effetti del riscaldamento globale, l'Europa sta affrontando una grave crisi energetica, che rivela la fragilità del sistema energetico europeo, prevalentemente dipendente dalle importazioni di combustibili fossili. La geopolitica delle risorse fossili ha innescato la necessaria rimodulazione dell'economia energetica europea, che si sta spostando "forzatamente" verso le risorse energetiche rinnovabili per diventare un'economia fossile e a zero emissioni di carbonio. Nel panorama delle rinnovabili, le risorse più sfruttate sono l'energia solare, eolica e da biomassa. Oltre alla produzione di bioenergia, la biomassa è una fonte inestimabile di biocarbonio, che può essere sfruttata e valorizzata per la produzione di molecole ad alto valore aggiunto che possono essere utilizzate in vari settori industriali, per la produzione di carburanti, prodotti chimici, materiali e sostituendo i corrispondenti prodotti di origine fossile. In questo contesto, sono stati sviluppati sistemi innovativi di bioraffinazione della biomassa di seconda generazione per trasformare e decostruire la complessa struttura della biomassa in molecole piattaforma più semplici, che possono poi essere trasformate in molecole ad alto potenziale. Tra queste, gli alchil levulinati sono stati identificati per il loro notevole potenziale come bioadditivi e biocarburanti. Esteri dell'acido levulinico, questi composti possono essere ottenuti da derivati della biomassa, come i monosaccaridi dello zucchero, secondo diverse vie di reazione; tra queste, la solvolisi acida degli zuccheri esosi può essere una via di produzione promettente ed economicamente vantaggiosa, che richiede ulteriori indagini non ancora presenti in letteratura. Il potenziale degli alchil levulinati risiede anche nella possibilità di un ulteriore trasformazione mediante idrogenazione per produrre γ-valerolattone (GVL), una molecola con un mercato promettente come bio-solvente, grazie alle sue proprietà di stabilità, ecotossicità e biodegradabilità. L'uso dell'idrogeno gassoso è la via più comune per l'idrogenazione del GVL, ma, oltre a essere un reagente chimico fondamentale, l'idrogeno è anche uno dei principali protagonisti della transizione energetica. Infatti, come vettore energetico, l'idrogeno può portare alla piena penetrazione delle fonti energetiche rinnovabili nel mercato dell'energia, costituendo un complemento-tampone per lo stoccaggio delle energie rinnovabili intermittenti, attraverso la progettazione di sistemi di stoccaggio dell'energia dell'idrogeno (HydESS). L'accumulo di energia a idrogeno a lungo termine può consentire l'autosufficienza dei sistemi di energia rinnovabile, in quanto agisce da ponte tra le funzionalità dei sistemi Power-to-Hydrogen, in grado di assorbire i surplus energetici delle energie rinnovabili e di immagazzinarli, e quelle dei sistemi Hydrogen-to-Power, che restituiscono energia rinnovabile quando le fonti di energia primaria non sono disponibili. In quest'ottica, lo sviluppo di tali sistemi può portare all'integrazione completa e stabile delle fonti di energia rinnovabile in asset industriali già esistenti, così come in nuovi mercati industriali, come le bioraffinerie di biomassa lignocellulosica, promuovendo lo sviluppo di realtà industriali "verdi" in termini di trasformazione di materiali ed energia. Il mercato industriale globale si sta evolvendo verso la decarbonizzazione e la riqualificazione di diversi asset, attraverso investimenti in efficienza energetica e l'introduzione di processi green per la valorizzazione delle fonti rinnovabili, ma l'implementazione su larga scala di queste iniziative richiede un'analisi completa e approfondita della loro sostenibilità

Dans un contexte du développement durable, la bioproduction de synthons (molécules plateformes, ou building blocks) de façon biosourcée à partir de biomasse végétale, constitue une voie de remplacement des actuelles molécules prétrosourcées. Ce travail de thèse concerne spécifiquement l’utilisation de la biomasse lignocellulosique, renouvelable et abondante, pour la production de deux acides organiques d’intérêt : l’acide itaconique et l’acide fumarique. Ces molécules ont été choisies notamment car elles peuvent générer des polymères aux propriétés intéressantes. Les travaux expérimentaux ont consisté à utiliser le son de blé et les rafles de maïs, déchets agricoles, comme substrats pour la fermentation de quatre souches de champignons filamenteux du genre Aspergillus. Des criblages des meilleures conditions fermentaires montrent que les rafles de maïs permettent d’atteindre des rendements plus élevés, surtout en fermentation en milieu solide. Parmi d’autres résultats marquants, nous avons montré pour la première fois la capacité d’Aspergillus oryzae à produire l’acide itaconique. L’ensemble de nos résultats montrent que l’utilisation de la biomasse lignocellulosique est une alternative prometteuse pour la production de ces deux synthons d’intérêt industriel
In the context of sustainable development, the bioproduction of building blocks (chemical platforms) from biomass is way to substitute the current fossil-based chemical molecules. This thesis is focused on the use of lignocellulosic biomass, renewable and abundant, towards the production of two organic acids (potential building blocks): itaconic acid and fumaric acid. These molecules have been chosen especially because they can generated polymers with interesting properties. The experimental work consisted in using wheat bran and corn cobs, agricultural wastes, as substrates for fermentation by four strains of filamentous fungi from Aspergillus genus. Screenings of the best fermentation conditions show that enzymatically pretreated corn cobs, especially in solid state fermentation achieve higher yields, especially in solid state fermentation. Among other notable results, we have shown for the first time the ability of Aspergillus oryzae to produce itaconic acid. Overall, our results show that the use of lignocellulosic biomass is a promising alternative for the production of these two building blocks of industrial interest

L’objectif de la recherche proposée dans cette thèse est d’apporter une meilleure compréhension au mécanisme de la torréfaction de la biomasse et de proposer des méthodes pratiques afin d’améliorer l’efficacité de ce processus. Quant au mécanisme, la torréfaction de deux échantillons de biomasse lignocellulosique des forêts du Québec (le faux-tremble et le bouleau) et leurs constituants principaux tels que la lignine, la cellulose et l’hémicellulose est étudiée en détail en utilisant différentes techniques expérimentales et un modèle cinétique a été développé pour décrire la cinétique de leur torréfaction. Notre étude sur le mécanisme et la cinétique de torréfaction de la biomasse révèle également une faible vitesse de torréfaction de la biomasse, ce qui nous a motivés à proposer et développer une nouvelle méthode de torréfaction impliquant des liquides ioniques dans le but de stimuler la vitesse de torréfaction de la biomasse. Bien que la torréfaction améliore les propriétés physicochimiques de la biomasse en tant que combustible, la production d’hydrocarbures oxygénés (sous forme de volatils) de la biomasse lors de la torréfaction réduit son énergie globale. Dans le but de récupérer l’énergie des volatils, une nouvelle combinaison de la torréfaction de la biomasse et de la combustion des volatils dans une boucle chimique de combustion (Chemical Looping Combustion) a été étudiée dans cette thèse. À cet effet, les minéraux ultramafiques abondants et préalablement broyés, largement disponibles dans la province de Québec, ont été testés en tant que transporteurs solides d’oxygène conduisant à près de 96% de conversion des volatils à 700°C dans un réacteur CLC. Comme travail supplémentaire, nous étions également intéressé à explorer l’application potentielle des résidus miniers contenant une quantité considérable de fer pour le craquage catalytique de goudrons produits pendant les processus de gazéification de la biomasse. À cet effet, le potentiel de deux résidus miniers et des minéraux renfermant du fer obtenus de diverses activités minières au Québec a été comparé à celui de l’olivine (connu comme minéral actif pour le craquage du goudron).
The aim of the proposed research was to provide a better understanding of the mechanisms of biomass torrefaction and to propose practical methods to improve the efficiency of this process. As for the mechanism, torrefaction of two woody biomass samples from Quebec forests (aspen and birch) and their main constituents, i.e., lignin, cellulose and hemicellulose is studied in details using different experimental techniques and a kinetic model is developed for their torrefaction. Our studies on the mechanism and kinetics of biomass torrefaction also revealed the slow rate of biomass torrefaction which motivated us to propose and develop a new ionic-liquid assisted torrefaction process with the aim of increasing the rate of biomass torrefaction. Although torrefaction improves the physicochemical properties of biomass fuel, release of oxygenated hydrocarbons (in the form of volatiles) from biomass reduces its overall energy. To recover volatiles energy, a new combination of biomass torrefaction and chemical looping volatiles combustion was studied. In this regard, the already comminuted, abundant and cheap iron and magnesium bearing silicate minerals found widely in the form of mining residues in the province of Quebec were tested as solid oxygen carrier and up to 96% of volatiles conversion at 700°C was achieved in CLC reactor. As a supplementary work, we were also interested to explore the potential of mining residues containing sizeable quantities of iron for catalytic cracking of tar released during the gasification of biomass. For this purpose, iron-bearing mining residues and minerals obtained from the mining activities in Quebec were evaluated comparatively to olivine (known as an active mineral for tar cracking) for benzene cracking in simulated syngas. It was found that chrysotile showed up to four-fold increase in benzene and methane conversion than olivine.

Cette thèse s’articule autour de la valorisation de la biomasse lignocellulosique pour la production d’un polymère biosourcé, le poly(acide lactique) PLA. Lors d’une première étude, deux prétraitements de la biomasse lignocellulosique ont été réalisés pour libérer les sucres fermentescibles. Puis plusieurs stratégies de fermentations ont été mises en place et un criblage microorganisme / biomasse a été réalisé en vue de sélectionner la meilleure stratégie de fermentation et le meilleur couple biomasse / microorganisme pour la production d’acide lactique. Les bactéries lactiques, Lactobacillus casei et Lactobacillus delbrueckii et le son de blé ont été retenus pour produire l’acide lactique lors d’une fermentation en milieu liquide sur l’hydrolysat produit par une hydrolyse à l’acide dilué du son de blé. Lors d’une seconde étude, la stratégie choisie a été optimisée et a subi un « scale-up » afin d’augmenter la concentration en acide lactique. Les fermentations en milieu liquide ont été effectuées au sein d’un bioréacteur afin de contrôler les paramètres de croissance bactérienne et de production d’acide lactique (pH, pO2, agitation, production d’acide lactique). Puis une purification de l’acide lactique a été menée par chromatographie échangeuse d’ions. Cette technique a été réalisée en deux étapes clés utilisant successivement une colonne cationique forte et une colonne anionique faible. L’acide lactique purifié a été polymérisé par ouverture de cycle (ROP). Durant toutes ces recherches, la chimie verte a été mise au premier plan d’une part par le sujet de l’étude (valorisation de la biomasse végétale) mais aussi d’autre part par le choix des méthodes employées (pas de solvants, peu de produits chimiques, méthodes propres, économiques et renouvelables)
This thesis is articulated around the lignocellulosic biomass valorization to develop a fully sustainable, green and cheap route of PLA production. During a first study, two pretreatments have been realized on the lignocellulosic biomass in order to release the fermentable sugars. Several fermentations strategies have been considered and a screening of the couples microorganisms / biomasses has been performed in order to select the best strategy and the best couple microorganism / biomass for lactic acid production. The lactic acid bacteria, Lactobacillus casei and Lactobacillus delbrueckii and wheat bran have been selected to produce lactic acid via a liquid state fermentation on the acid hydrolysate obtained thanks to a diluted acid pretreatment on the wheat bran. During a second study, the chosen strategy has been optimized and scaled-up in order to increase the lactic acid concentration. Liquid state fermentations have been made in a bioreactor in order to control parameter needed for the optimal growth and consequently the optimal lactic acid production (pH, pO2, agitation, acid lactic production). Then, the lactic acid purification has been performed by ion exchange chromatography. This technic was made in two key steps using a strong cationic column and a weak anionic column successively. Finally, the purified lactic acid was then polymerized by ring opening polymerization (ROP). During all the researches, the green chemistry has been placed in the first plan in one hand by the choice of the topic of the study (biomass valorization) and in a second hand by the choice of each employed method (no solvent; few chemical products; sustainable, cheap and green methods)

Une technologie prometteuse pour répondre à la demande croissante en énergie renouvelable est la gazéification de biomasse lignocellulosique pour la production de biocarburants de deuxième génération. Ce procédé nécessite une alimentation en biomasse sous forme de poudre. Les problèmes de convoyage et de manipulation liés à la faible coulabilité de la biomasse broyée sont un verrou pour l’industrialisation des procédés BtL. La torréfaction comme procédé de prétraitement, en plus d'augmenter densité énergétique de la biomasse, peut influencer également les propriétés des particules obtenues après broyage, et en conséquence, l’écoulement des poudres. L'évaluation de l'écoulement des poudres de biomasse sous différentes conditions de consolidation est essentielle pour concevoir des technologies de manipulation et de convoyage efficaces.L'objectif de ce travail est d'évaluer l'effet des conditions de torréfaction et de broyage sur l’écoulement de poudres de biomasse. Une première partie consiste en une étude expérimentale dans laquelle la coulabilité d'échantillons torréfiés sous différentes intensités a été évaluée à l'aide d'un appareil de cisaillement annulaire. La coulabilité est corrélée à l'intensité de la torréfaction (mesurée par la perte de masse globale) pour deux essences différentes. La forme des particules semble être le paramètre qui influence de manière prédominante la coulabilité des poudres à l'état consolidé. La caractérisation de la coulabilité à l’état non consolidée a été effectuée à l'aide d'un tambour rotatif par l’analyse des avalanches des poudres. Des corrélations entre les caractéristiques des particules et la coulabilité sont ainsi établies. La modélisation de l'écoulement de la biomasse à l'aide de la Méthode des Éléments Discrets (DEM) constitue une deuxième partie de cette recherche. La taille submillimétrique des particules de biomasse, ainsi que leur faible densité, leur forme allongée et leur comportement cohésif sont des défis pour l’implémentation d’un modèle de réaliste d’écoulement particulaire en DEM. Un modèle DEM des particules de biomasse est mis en œuvre à l'aide d'une représentation simplifiée (assemblement de sphères) à gros grains de la forme des particules, ainsi que d'un modèle de force cohésif. Une procédure systématique de calibration des paramètres DEM permet d'obtenir un ensemble de paramètres ajustés. L'évolution expérimentale des contraintes de cisaillement d’une poudre dans un état consolidé peut alors être reproduite de façon réaliste. De même, le comportement d’avalanche des poudres dans un tambour tournant est également bien reproduit par les simulations, de façon qualitative et quantitative. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des simulations DEM pour étudier l'effet des caractéristiques des particules, qui sont influencées par la torréfaction et les conditions de broyage, sur le comportement d'écoulement de la biomasse en poudre
Gasification of lignocellulosic biomass for production of second-generation biofuels is a promising technology to meet renewable energy needs. However, feeding and handling problems related to the poor flowability of milled biomass considerably hinder the industrial implementation of Biomass-to-Liquid processes. Torrefaction as pretreatment step, in addition to improving energy density of biomass, also affects the properties of the milled particles (namely size and shape) that significantly influence flow behavior. The evaluation of biomass flow characteristics under different flow conditions is essential to design efficient and trouble-free handling solutions.The aim of this work is to assess the effect of the torrefaction and grinding conditions on the biomass flow behavior. A first part consists of an experimental study in which the flow properties of samples torrefied under different intensities were obtained using a ring shear tester. Flowability is correlated to the intensity of torrefaction, as measured by the global mass loss, for two different wood species. Particle shape seems to be the predominant parameter influencing flowability of powders in a consolidated state. Characterization of non-consolidated flowability through avalanching analysis using an in-house rotating drum was also conducted. Correlations between particle characteristics and flow behavior are thus established.The modelling of biomass flow using the Discrete Element Method (DEM) constitutes a second major part of this research. Challenging aspects of biomass particle modeling are their submillimetric size, low density, elongated shape and cohesive behavior. A material DEM model is implemented using a simplified (multisphere) upscaled representation of particle shape, along with a cohesive contact model. A systematic calibration procedure results in an optimal set of DEM parameters. The experimental shear stress evolution and yield locus can then be realistically reproduced. The avalanching behavior of the powders is also well captured by simulations, both qualitatively and quantitatively. These results highlight the potential of DEM simulations to investigate the effect of particle characteristics, which are driven by torrefaction and grinding conditions, on the flow behavior of powdered biomass

Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit fait partie intégrante d’un projet de recherche collaborative financé par l’Union-Européenne (Il s’agit d’un projet H2020 de type « Marie-Curie Action »), dénommé HUGS (pour « HUmins as Green and Sustainable precursors for eco-friendly building-blocks and materials »). Ce projet de recherche implique 5 partenaires (INERIS/UTC, France, Avantium, Pays-Bas, Université de Sophia Antipolis/CNRS, France, l’université de Cordoue, Espagne et le LIKAT de l’université de Rostock en Allemagne). La recherche menée dans ce projet est essentiellement structurée via la mise en place de 5 programmes sous-jacents de doctorat (intitulé « Doctorat industriel européen » dans l’appel d’offre H2020 (H2020-MSCA-ITN-2015) auquel a répondu le consortium de recherche), mis en place lors du lancement du projet « HUGS » en 2016. L’objectif premier du projet HUGS concerne l’étude de divers chemins de valorisation à haute valeur ajoutée des humines. Ces résidus de biomasse, à l’instar des lignines se présentent comme des sources de carbone renouvelable à faible coût, en émergence dans nombre de bioraffineries modernes. Les humines sont des résidus complexes résultant du procédé de déshydratation par catalyse acide des polysaccharides (sucres en C5 et C6) contenus dans la biomasse lignocellulosique, ayant des cycles furaniques dans sa structure polymère. Le travail présenté ici est centré essentiellement sur les questionnements de sécurité soulevés par la phase de développement du projet. De manière plus ciblée, des actions prioritaires ont été définies, à savoir l’obtention d’un premier profilage des risques à caractère physicochimique des humines, ainsi qu’une première évaluation des risques des composés furaniques, lesquels constituent une famille de composés potentiellement très grande et représentent une voie encourageante vers le développement de nouveaux synthons au service d’une économie biosourcée. Les humines étant des résidus fatals, leur réutilisation sure et durable constitue aussi une étape stratégique dans le contexte de l’économie circulaire. De manière opérationnelle, le travail a compris les principaux axes de recherche suivants : • Revue bibliographique continue tout au long du travail de thèse concernant les humines, les composés furaniques et les matériaux associés (polymères) en termes de données relatives à la sécurité et ayant conduit aux principales informations suivantes: o Rareté /absence d’études sur les dangers physiques des humines et nombres de composés furaniques, car ces produits sont souvent au premier stade de leur développement o Malgré une la disponibilité très limitée de données pertinentes sur la sécurité, le constat est fait que les aspects de toxicité (par ingestion) sont le plus souvent le point focal des études, au détriment de l’examen des dangers physiques.o Seuls quelques composés furaniques (ethers, esters) ont spécifiquement fait l’objet de l’étude de certaines caractérisations en lien avec la sécurité (par exemple en termes de stabilité thermique), dans le cas d’application comme composants biosourcés de carburants innovants o De nombreuses variables influent sur les caractéristiques des humines et notamment leur méthode de production : ce qui signifie que les résultats obtenus sur les humines dans le cadre de ce projet (une seule source d’approvisionnement) mériteraient des travaux de consolidation dans le futur • Développements analytiques intégrant un premier examen de la distribution des points d’éclair en fonction des chaleurs de combustion des composés furaniques et une analyse des chaleurs de combustion de ces mêmes composés furaniques
The present research work was integrated as part of the EU-funded project named HUGS (HUmins as Green and Sustainable precursors for eco-friendly building blocks and materials), involving 5 main partners (Institut national de l'environnement industriel et des risques - France, Avantium - the Netherlands, Institut de Chimie de Nice - France, Universidad De Cordoba- Spain and Leibniz - Institut Fur Katalyse Ev An Der Universitat Rostock- Germany). The project is essentially supported through five European Industrial Doctorate fellowships put in place when the HUGS-MSCA-ITN-2015 program was launched in 2016. The primary objective of the HUGS project was to explore several valorization pathways of so-called “humins” in order to add value and create better business cases. Humins (and similarly lignins) are the side products that may become low-cost feedstock resulting from a number of future biorefineries and sugar conversion processes. Humins are complex residues resulting from the Acid-Catalyzed Dehydration and condensation of sugars, having furan-rings in their polymeric structures. The work presented in this specific part of the HUGS project is essentially focusing on safety-related topics of all components and subsequent applications related to sugar dehydration technology. Priority actions were devoted to a first insight on the characterization of physicochemical safety profiles of the side-product humins and main (parent) furanic products. Some members of this large family of compounds (e.g. RMF and FDCA) have high volume potential which results in opening new doors towards the development of furanbased building blocks and a bio-based economy. Humins are residues or side products which can be burnt for energy. However, its safe and sustainable use in high-value applications could also become a key milestone in the so-called circular economy. In practice, the work has been developed in two main locations: primarily at the INERIS lab, located in Verneuil-en-Halatte and at Avantium, located in Amsterdam. Nearly all experimental research after the production of the components at Avantium was performed at INERIS. This involved the evaluation of physicochemical hazards of both humins (crude industrial humins and humin foams obtained by thermal curing) and a series of furanic compounds. Avantium is involved in the commercialization of humins, furanics and furanic polymers/materials as novel chemicals and materials. The work has encompassed: An extensive bibliographical review of humins, furanics, and their related products (polymers, composites) resulted in the following main conclusions o A lack of physicochemical safety-oriented studies for many furanic compounds and for humins was observed as these products are still in the early stage of development and only a few may be commercialized in the next 5 years.o Despite the limited availability of safety-related data, more studies on toxicity aspects have been conducted for a selected number of furanics than physicochemical safety-related aspects. o A few furanic family members that have been evaluated as biofuel components were found to have given better emphasis on addressing some physicochemical safety attributes. o Every modification of the process for acid-catalyzed sugar dehydration (such as solvent, temperature, residence time and sugar concentration) will result in different humins, which would certainly demand further characterization and safety profiling of the resulting humins. • Analytical development integrating the first examination of flash point distribution versus the Net Heating Values, and analysis of total heats of combustion of furanic compounds. • Design and development of experimental plan addressing the safety-related key parameters such as thermal stability, self-heating risks, fire-risk-assessment and flammability limits depending on the need for specific tests and availability of the test samples

Les parois secondaires (PS) des plantes représentent la majorité de la biomasse renouvelable et participent à des fonctions physiologiques des plantes comme le transport des nutriments, la résistance à la verse et aux stress. Le sorgho est une graminée en C4 bien adaptée aux conditions limitantes en nutriments et en eau. L’amélioration des connaissances relatives à la mise en place des PS chez le sorgho a pour objectif de contribuer au développement de variétés adaptées aux filières de valorisation de la biomasse incluant l’alimentation animale, la production énergétique et le développement de bio-matériaux. Les objectifs de la thèse présentée ici sont de contribuer à la compréhension des mécanismes moléculaires de la mise en place des PS par l’identification des réseaux de gènes impliqués et la validation de leur rôle par génétique inverse. Dans un premier temps, une analyse phylogénétique comprenant 9 espèces, nous a permis d’identifier les liens d’homologies au sein des familles de facteurs de transcription (FT) NAC et MYB, qui sont les principaux régulateurs de la mise en place des PS chez Arabidopsis et d’autres espèces. Nous avons ensuite construit les réseaux de co-expression géniques impliqués dans la mise en place des entre-nœuds en développement du sorgho et nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux réseaux comprenant des NAC et des MYB ainsi qu’à ceux présentant des enrichissements en gènes liés aux PS. Puis les gènes identifiés par ces approches ont été comparés à ceux situés dans les zones chromosomiques impactant la variabilité de la composition des PS. Dans un deuxième temps, nous avons développé des approches de transformation génétique afin de caractériser le rôle des gènes mis en évidence par génétique inverse.Nous avons identifié 6 modules de gènes co-exprimés enrichis en gènes et en ontologies géniques liés aux parois et en particulier 2 modules dont les gènes sont potentiellement impliqués dans la mise en place des PS. En outre, 122 NAC et 135 MYB ont été identifiés chez le sorgho. Parmi eux, 14 NAC et 25 MYB sont impliqués dans les 6 réseaux de co-expression de gènes fortement enrichis en gènes de paroi. Dix-neuf sont des homologues de gènes déjà validés chez d’autres espèces pour leur rôle dans la mise en place des PS et 20 n’ont pas de rôle connu. La comparaison des gènes faisant partie des 6 modules impliqués dans la mise en place des parois et des régions chromosomiques associées à la composition de la biomasse a mis en évidence 70 gènes en commun et quelques gènes de structure impliqués dans la biosynthèse des parois mais peu de convergence concernant les FT NAC et MYB.Bien que l’optimisation des protocoles de transformation génétique stable n’ait pas abouti, un protocole efficace de transformation transitoire basée sur des protoplastes a été optimisé. Cet outil sera notamment mobilisé pour tester les rôles des FT identifiés dans les réseaux enrichis en gènes de parois
Plants Secondary Cell Walls (SCW) represent most of the renewable biomass and participate in some plant physiological functions such as nutrient transport, stress resistance and stiffness. Sorghum is a C4 grass well adapted to nutrient and water limiting conditions. Improving knowledge SCW establishment in sorghum aims at contributing to the development of varieties adapted to biomass sector including animal feed, energy production and the development of bio-materials. The objectives of the thesis presented here are to contribute to the understanding of the molecular mechanisms of SCW regulation and biosynthesis by identifying genes networks involved in this process and validating their role using reverse genetics. As a first step, a phylogenetic analysis including 9 species, allowed us to identify homologies within families of NAC and MYB TF, which are the main regulators of SCW establishment in Arabidopsis and other species. We then built gene co-expression networks of sorghum developing internode and focused on NAC and MYB networks as well as on networks with enrichment in SCW related genes Then, genes identified by these approaches were compared to those located in the chromosomal regions impacting the variability of SCW composition. In a second step we have developed genetic transformation approaches to characterize the role of identified genes by reverse genetics.We have identified 6 modules of co-expressed genes enriched with genes and gene ontologies related to cell walls and in particular 2 modules whose genes are potentially involved in the establishment of SCW. In addition, 122 NAC and 135 MYB were identified in sorghum. Among them, 14 NAC and 25 MYB are involved in the 6 co-expression networks highly enriched in cell wall genes. Of these, 19 are homologues of genes already validated in other species for their role SCW establishment and 20 have no known role. The comparison of the genes belonging to the 6 modules involved in cell wall establishment and chromosomal regions associated with the composition of the biomass revealed an intersect of 70 genes and some structural genes involved in the biosynthesis of the walls but little convergence concerning NAC and MYB TF.Although the optimization of stable genetic transformation protocols was unsuccessful, an efficient protoplast-based transient transformation protocol was optimized. This tool will be mobilized to test the roles of identified TF in networks enriched with cell wall genes

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

L’extrusion biocatalytique, ou bioextrusion, est une technique d’extrusion réactive utilisant des enzymes comme catalyseurs. Cette technique est considérée en temps qu’étape intermédiaire, subséquente au prétraitement physico-chimique et précédente à l’hydrolyse enzymatique enréacteur fermé. L’utilisation de l’extrusion permet un procédé continu, facilement modulable et adaptable à des conditions de hautes consistances, de nombreuses biomasses et facilement transférable à l’échelle industrielle. Néanmoins, les données bibliographiques font ressortir la complexité des entrants et leurs interactions lors de la bioextrusion de biomasses lignocellulosiques. Les conclusions des bioextrusions de biomasses amidonnées soulignent l’importance de l’étude de l’influence de la concentration en substrat et en enzymes. Les résultats obtenus à partir de la bioextrusion des biomasses lignocellulosiques valident l’existence d’une activité enzymatique en extrudeuse malgré la contrainte thermomécanique et le temps de séjour limité. Lors de cette étape, l’hydrolyse de la fraction cellulosique est favorisée pour des milieux concentrés en substrat et en enzymes. Des modifications significatives des fractions cellulosiques cristallines et amorphes en surface, des réductions des tailles de particules, une dégradation visuelle des structures de la biomasse et l’augmentation de la sensibilité à la décomposition thermique, sont aussi observées sur la fraction solide. L’hydrolyse enzymatique des bioextrudats est prolongée en réacteur fermé. La bioextrusion permet des améliorations significatives des taux et vitesses de conversion des sucres sur le long terme, jusqu’à 48 h. Les gains observés sont relativement constants pour la paille de blé et augmentent avec le temps pour les écorces de bouleau et les résidus de maïs. Post-extrusion, la concentration en substrat influence négativement la conversion des sucres. Cependant, les plus-values de conversion du glucose lié à la bioextrusion de paille de blé sont principalement observables pour des concentrations en substrat et en enzymes élevées. À partir de 4 h, des baisses significatives de la conversion du xylose sont observées après bioextrusion. Les déstructurations de la fraction solide, déjà observées au cours la bioextrusion, se poursuivent en réacteur fermé. Les meilleurs résultats hydrolytiques aux niveaux des hautes charges en enzymes et en substrat sont associables aux bonnes conditions de mélanges caractéristiques des éléments bilobes. L’ensemble enzymatique est probablement réparti de façon plus homogène (mélange distributif) pour cibler plus de sites disponibles. De plus, le mélangé dispersif limite la proximité entre enzymes de même type et les gênes associées. Le procédé d’extrusion permet une agitation efficace, un bon transfert de masse et probablement un meilleur contact entre enzymes et substrat. Les moins bons résultats de conversion du xylose sont probablement à relier à des phénomènes d’adsorption non-spécifique, ou encore de désactivation des hémicellulases, provoqués par l’intensité des contraintes thermomécaniques et les résidus ligneux. Les bons résultats de déstructuration après bioextrusionsont associables à une action synergétique des contraintes mécanique et biochimique. Les analyses d’autofluorescence montrent l’évolution de la fraction ligneuse dans le processus de déconstruction de la fraction solide. Une production progressive de particules très fines,visiblement associée à la fraction ligneuse, est observée. Des complexes lignine-carbohydratessont aussi détectés dans la fraction liquide. Etant peu, voire pas hydrolysable par voie enzymatique, ces fractions hétéropolymériques sont un frein à la déconstruction. Si la déstructuration des lignines est probablement majoritairement liée au prétraitement alcalin, le procédé de bioextrusion provoque une diminution de la teneur en hétéropolymères de plus hautes masses moléculaires
Biocatalytic extrusion, also named bioextrusion, is a reactive extrusion technique using enzymes as catalysts. Bioextrusion is considered as a link between the previous physico-chemical pretreatment (like alkaline extrusion) and the subsequent enzymatic hydrolysis in batch conditions. The extrusion allows a continuous, flexible and versatile process for high consistency media, easily transferable to the industrial level. However, complexity of both lignocellulosic biomass and lignocellulolytic enzymes and their interactions during the extrusion process are underlined by the literature. Numerous response surface methodology experiments with starchy biomass indicate that bioextrusion efficiency is mainly influenced by substrate and enzymes loading. Enzymatic activity during the bioextrusion process of lignocellulosic biomass is confirmed by the experiments despite the mechanical constraints and the limited residence time. During bioextrusion, best holocellulosic fraction hydrolysis results were obtained with high substrate and enzymes loadings. Significant modifications of the solid fraction like particule size reduction, visual deconstruction of the biomass structure, increased sensibility to thermal decomposition and the evolution of the surface exposure of crystalline and amorphous cellulose were observed. Enzymatic hydrolysis of the bioextrdates is prolonged in batch conditions. Clear improvements of speeds and rates of sugars conversion up to 48 h indicate a long term influence of the bioextrusion. Gain observed are steady for the pretreated wheat straw whereas it increases with time for corn residues and birch barks. Post-extrusion, a negative influence of the substrate loading is measured. However, best enhancements for the glucose conversion of pretreated wheat straw are detected for high substrate and enzymes loadings. From 4 to 48 h, significant losses in xylose conversion are measured with previous bioextrusion. Indicators of the solid fraction deconstruction, observed during the bioextrusion step, indicate a stronger biomass degradation after 48 h. Improvements of glucose conversion rates can be associated with good mixing conditions of the extruder, especially due to the use of kneading elements. Enzymes are probably more homogeneously distributed (distributive mixing) and can access more catalytic sites available. Moreover, dispersive mixing limits the enzyme jamming due to the biocatalysts concentration. Extrusion process permits an better agitation efficiency, good mass transfer conditions and probably a higher contact between substrate and enzymes. Lower xylose conversion results may be attributed to non-specific adsorptions or inactivation phenomena due to mechanical constraints and lignin residues. Good deconstruction results on the solid fraction may be associable with a synergetic action between mechanical and biochemical constraints. Autofluorescent signal analysis of the lignin fraction show its evolution during the deconstruction of the solid residue. During the hydrolysis, a progressive production of very small particles, appearing to be associated with the lignin fraction is observed. Lignin-carbohydrate complexes are also detected in the liquid fraction. These heteropolymeric complexes, difficult or even impossible for the enzymes to hydrolyze, are an obstacle to the biomass valorization. If lignin deconstruction is mainly due to the alkaline pretreatment, bioextrusion process seems to reduce the proportion of these heteropylymers with high molecular weights

Lignocellulosic biorefineries, paper and pulp industries across the globe can convert cellulose and hemicellulose parts of the biomass into higher valued products. However, lignin from biomass is an underutilized biorefinery waste. Value-added applications of lignin waste should be investigated to produce low-molecular-weight compounds as an alternative to petrochemical compounds. Valorization and lignin recovery play an important role in ‘green shifts’ for such industries. In this work, the authors performed gasification of lignin pellets obtained from one biorefinery located in Finland. A 20-kW pilot-scale bubbling fluidized bed gasifier was used for the experiments. A computational particle fluid dynamics model based on a multi-phase particle in cell approach was developed for the same process. The developed model was validated against the experimental results.The experimental results showed good conversion of lignin pellets into permanent light gases such as carbon monoxide, hydrogen, methane, etc. The average production of product gas and the lower heating value were 5.74 Nm³/hr and 4.95 MJ/Nm³, respectively. The average molar gas compositions obtained from the experimental study were 0.04 for CH₄, 0.16 for CO, 0.15 for CO₂, 0.13 for H₂ and 0.51 for N₂.