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Plan I. Introduction II. Production d’énergie à partir de réactions biochimique

Plan I. Introduction II. Production d’énergie à partir de réactions biochimiques III. Génie de la réaction « biochimique » IV. Matières premières pour les biocarburants V. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération VI. Production de biodiesel de première génération VII. Transformation de la biomasse ligno-cellulosique VIII. Production de biocarburants de troisième génération IX. Production de bio-hydrogène X. Production de bio-gaz (bio-méthane) XI. Production de carburants de quatrième génération Sébastien Leveneur-Bioc-MRIE5 Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération 5.1 Comparaison Ethanol et carburants 5.2 Procédés de production d’éthanol 5.3 Comparaison ETBE et carburants 5.4 Les éthers-carburants 5.5 Butanol 5.6 Transformation par voie chimique de l’éthanol 5.7 Etude de cas Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération 5.1 Comparaison Ethanol et carburants 5.2 Procédés de production d’éthanol 5.3 Les éthers-carburants 5.4 Ethanol, ETBE, carburants 5.5 Butanol 5.6 Transformation par voie chimique de l’éthanol Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération 5.1 Comparaison Ethanol et carburants 5.2 Procédés de production d’éthanol 5.3 Les éthers-carburants 5.4 Ethanol, ETBE, carburants 5.5 Butanol 5.6 Transformation par voie chimique de l’éthanol Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 Ethanol Essence (standard) Masse molaire (g/mol) 46,07 102,5 C (% poids) 52,2 86,5 H (% poids) 13,1 13,5 O (% poids) 34,7 0 Masse volumique (kg/m3) 794 735-760 Chaleur latente de vaporisation (kJ/kg) 854 289 Point d'ébulition (°C) 78,4 30-190 Pouvoir calorifique inférieur massique (kJ/kg) 26805 42690 Pouvoir calorifique inférieur volumique (kJ/l) 21285 32020 Rapport stoechiométrique 8,95 14,5 RON 111 95 MON 92 85 Phase gaz (liquid en gaz) Pas d’auto-détonation Qu’est ce qu’un biocarburant? Leveneur_BIOC_MRIE5 7 Diagram with the main byproducts of petroleum Hernandez et al., The battle for the “green” polymer. Different approaches for biopolymer synthesis: bioadvantaged vs. Bioreplacement, Org. Biomol. Chem., 2014, 12, 2834–2849 Qu’est ce qu’un biocarburant? Leveneur_BIOC_MRIE5 8 Diagram with the main byproducts of petroleum Hernandez et al., The battle for the “green” polymer. Different approaches for biopolymer synthesis: bioadvantaged vs. Bioreplacement, Org. Biomol. Chem., 2014, 12, 2834–2849 20-30 % Alcanes 5 % Cycloalcanes 30-45 % hydrocarbures aromatiques 5. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération 5.1 Comparaison Ethanol et carburants 5.2 Procédés de production d’éthanol 5.3 Les éthers-carburants 5.4 Ethanol, ETBE, carburants 5.5 Butanol 5.6 Transformation par voie chimique de l’éthanol Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 Ethanol Essence (standard) Masse molaire (g/mol) 46,07 102,5 C (% poids) 52,2 86,5 H (% poids) 13,1 13,5 O (% poids) 34,7 0 Masse volumique (kg/m3) 794 735-760 Chaleur latente de vaporisation (kJ/kg) 854 289 Point d'ébulition (°C) 78,4 30-190 Pouvoir calorifique inférieur massique (kJ/kg) 26805 42690 Pouvoir calorifique inférieur volumique (kJ/l) 21285 32020 Rapport stoechiométrique 8,95 14,5 RON 111 95 MON 92 85 5. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération 5.1 Comparaison Ethanol et carburants 5.2 Procédés de production d’éthanol 5.3 Les éthers-carburants 5.4 Ethanol, ETBE, carburants 5.5 Butanol 5.6 Transformation par voie chimique de l’éthanol Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 Ethanol Essence (standard) Masse molaire (g/mol) 46,07 102,5 C (% poids) 52,2 86,5 H (% poids) 13,1 13,5 O (% poids) 34,7 0 Masse volumique (kg/m3) 794 735-760 Chaleur latente de vaporisation (kJ/kg) 854 289 Point d'ébulition (°C) 78,4 30-190 Pouvoir calorifique inférieur massique (kJ/kg) 26805 42690 Pouvoir calorifique inférieur volumique (kJ/l) 21285 32020 Rapport stoechiométrique 8,95 14,5 RON 111 95 MON 92 85L'indice d'octanemesure la résistance d'un carburant utilisée dans un moteur à allumage commandéà l'auto-allumage(allumage sans intervention de la bougie) 5. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération 5.1 Comparaison Ethanol et carburants 5.2 Procédés de production d’éthanol 5.3 Les éthers-carburants 5.4 Ethanol, ETBE, carburants 5.5 Butanol 5.6 Transformation par voie chimique de l’éthanol Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 Ethanol Essence (standard) Masse molaire (g/mol) 46,07 102,5 C (% poids) 52,2 86,5 H (% poids) 13,1 13,5 O (% poids) 34,7 0 Masse volumique (kg/m3) 794 735-760 Chaleur latente de vaporisation (kJ/kg) 854 289 Point d'ébulition (°C) 78,4 30-190 Pouvoir calorifique inférieur massique (kJ/kg) 26805 42690 Pouvoir calorifique inférieur volumique (kJ/l) 21285 32020 Rapport stoechiométrique 8,95 14,5 RON 111 95 MON 92 85L'indice d'octanemesure la résistance d'un carburant utilisée dans un moteur à allumage commandéà l'auto-allumage(allumage sans intervention de la bougie) *Indice d’octane 95 : le carburant se comporte du point de vue de l’auto-allumage comme un mélange de 95% d’iso-octane (qui ne détonne pas) et 5 % d’heptane (qui détonne). *Si un carburant à faible indice d’octane : risque de s’enflammer spontanément (cliquetis) 5. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération 5.1 Comparaison Ethanol et carburants Lors de la combustion, l’addition de 5 à 10 % d’éthanol dans les essences : -Réduit les émissions de CO et d’hydrocarbures imbrûlés jusqu’à 15 %, -Tend à accroître les NOx…, -Accroît significativement les émissions d’aldéhyde et notamment d’acétaldéhyde, -Accroît les risques d’encrassement des soupapes d’admission…., - Accroît les émissions par évaporation Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5. Production de bio-alcool et bio-éther de première génération 5.1 Comparaison Ethanol et carburants 5.2 Procédés de production d’éthanol 5.3 Comparaison ETBE et carburants 5.4 Les éthers-carburants 5.5 Butanol 5.6 Transformation par voie chimique de l’éthanol Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5.2 Production d’éthanol 5.2.1 Fermentation éthanolique 5.2.2 Extraction 5.2.3 Effluent et coproduit 5.2.4 Schéma des procédés 5.2.5 Amélioration potentielle de la production d’éthanol 5.2.6 Aspect économique Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5.2 Production d’éthanol 5.2.1 Fermentation éthanolique 5.2.2 Extraction 5.2.3 Effluent et coproduit 5.2.4 Schéma des procédés 5.2.5 Bilan énergétique Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5.2 Production d’éthanol 5.2.1 Fermentation éthanolique -Hydratation de l’éthylène de moins en moins courant -Exploitée VI avant J.C -1815 : Rendement de Gay-Lussac C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 51,1 kg d’éthanol pour 100 kg de glucose -1850 : Cagniard-Latour relie la production de l’éthanol au développement des microorganismes -1857 : Pasteur précise et quantifie les processus fermentaires anaérobies. -Echelle industrielle : 90-92 % de rendement théorique Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5.2 Production d’éthanol 5.2.1 Fermentation éthanolique -Hydratation de l’éthylène de moins en moins courant -Exploitée avant VI J.C -1815 : Rendement de Gay-Lussac C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 51,1 kg d’éthanol pour 100 kg de glucose -1850 : Cagniard-Latour relie la production de l’éthanol au développement des microorganismes -1857 : Pasteur précise et quantifie les processus fermentaires anaérobies. -Echelle industrielle : 90-92 % de rendement théorique Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5.2 Production d’éthanol 5.2.1 Fermentation éthanolique Microorganismes : Levure et bactérie -Saccharomyces (genre) : cerevisiae, carlsbergensis, bayanus, uvarum - Tolérantes à de fortes concentrations en éthanol 10-12 % en volume - Ne sont pas inhibées par des teneurs élevées en sucres - Stable à l’échelle industrielle - Capable de se développer et de fermenter des sucres à des pH acides [3-4] - Facilement séparable par centrifugation ou filtration - Levures amylolytiques : hydrolyse de l’amidon peu productrice d’éthanol -Souche bactérienne : Zymomonas mobilis -Susceptibilité à la contamination par d’autres bactéries du fait de son inaptitude à se développer à pH<5 -Faible rendement en éthanol -Tolérance à l’alcool faible -Séparation difficile (faible taille) Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5.2 Production d’éthanol 5.2.1 Fermentation éthanoïque Microorganismes : Levure et bactérie -Saccharomyces (genre) : cerevisiae, carlsbergensis, bayanus, uvarum - Tolérantes à de fortes concentrations en éthanol 10-12 % en volume - Ne sont pas inhibés par des teneurs élevés en sucres - Stable à l’échelle industrielle - Capable de se développer et de fermenter des sucres à des pH acides [3-4] - Facilement séparable par centrifugation ou filtration - Levures amylolytiques : hydrolyse de l’amidon peu productrice d’éthanol -Souche bactérienne : Zymomonas mobilis -Susceptibilité à la contamination par d’autres bactéries du fait de son inaptitude à se développer à pH<5 -Faible rendement en éthanol -Tolérance à l’alcool faible -Séparation difficile Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 5.2 Production d’éthanol 5.2.1 Fermentation éthanoïque Microorganismes : Levure et bactérie -Saccharomyces (genre) : cerevisiae, carlsbergensis, bayanus, uvarum - Tolérantes à de fortes concentrations en éthanol 10-12 % en volume - Ne sont pas inhibés par des teneurs élevés en sucres - Stable à l’échelle industrielle - Capable de se développer et de fermenter des sucres à des pH acides [3-4] - Facilement séparable par centrifugation ou filtration - Levures amylolytiques : hydrolyse de l’amidon peu productrice d’éthanol -Souche bactérienne : Zymomonas mobilis -Susceptibilité à la contamination par d’autres bactéries du fait de son inaptitude à se développer à pH<5 -Faible rendement en éthanol -Tolérance à l’alcool faible -Séparation difficile Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5Viabilité des cellules diminue avec la température 5.2 Production d’éthanol 5.2.4 Schéma des procédés Production d’éthanol ex plantes sucrières Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 Betterave sucrière Lavage Diffusion Jus sucrés PULPES Concentration Sirops de sucre Fermentation éthanolique Distillation Déshydratation VINASSES ETHANOL A 99,8 % Canne à sucre Jus sucrés (Vesou) Broyage Pressage Concentration BAGASSES 5.2.4 Schéma des procédés Production d’éthanol ex plantes sucrières 5.2 Production d’éthanol Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 Jus sucrés Raffinerie du sucre Sirops de sucre Jus sucrés Epuration (séparation liquide/solide) FILTRATION Boues EcumesConcentration Cristallisation SUCRE MELASSE 5.2 Production d’éthanol 5.2.4 Schéma des procédés Production d’éthanol ex plantes sucrières Sébastien Leveneur-BIOC-MRIE5 Betterave sucrière Lavage Diffusion Jus sucrés PULPES Raffinerie du sucre Mélasses Concentration Sirops de sucre Fermentation éthanolique Distillation Déshydratation VINASSES ETHANOL A 99,8 % Canne à sucre Jus sucrés Broyage Pressage Concentration BAGASSES 5.2 Production d’éthanol 5.2.4 Schéma des procédés Production d’éthanol ex plantes sucrières uploads/Industriel/ bioc-5-ethanol-1g-2020-2021.pdf