Bioraffinerie

Une bioraffinerie est une installation qui intègre des processus de conversion de biomasse et des équipements permettant de produire des combustibles, de l’électricité, de la chaleur et des produits chimiques à valeur ajoutée à partir de biomasse. Le concept de bioraffinerie est analogue à la raffinerie de pétrole actuelle, qui produit de multiples carburants et produits à partir du pétrole.

Le principe de bioraffinage est similaire à celui d’une raffinerie de pétrole, où le pétrole brut composé complexe est séparé en fractions ou composants individuels. Certains d’entre eux sont convertis par des procédés chimiques en d’autres composés, mieux décantables.

Les bioraffineries sont notamment destinées à compléter et à remplacer le pétrole brut en tant que matière première importante dans l’industrie chimique. En outre, la diversité des composés chimiques de la biomasse pourrait également créer de nouvelles applications. Les efforts de protection du climat et de l’environnement sont d’autres facteurs importants.

Le concept de bioraffinerie avec une utilisation holistique et de haute qualité de la biomasse est encore en développement. Dans les approches, ce concept est déjà mis en œuvre, par exemple. Comme dans la production de sucre, de bioéthanol et de biodiesel, on essaie d’utiliser des sous-produits ou des sous-produits de haute qualité. Les installations de biogaz sont parfois appelées bioraffinerie.

La tâche 42 sur les bio-raffineries de l’Agence internationale de l’énergie sur les bio-raffineries a défini le bio-raffinage comme la transformation durable de la biomasse en une gamme de produits à base de bio (aliments pour animaux, produits chimiques, matériaux) et de bioénergie (biocarburants, énergie et / ou chaleur).

En produisant plusieurs produits, une bioraffinerie tire parti des divers composants de la biomasse et de leurs intermédiaires, maximisant ainsi la valeur dérivée de la matière première de la biomasse. Certains chercheurs ont envisagé l’exploration d’une bioraffinerie comme un moyen pratique d’améliorer les performances économiques d’un système autonome de biomasse à bioénergie depuis la production de produits biochimiques. Une bioraffinerie pourrait, par exemple, produire un ou plusieurs faibles volumes, mais de grande valeur. des produits chimiques ou nutraceutiques et un carburant de transport liquide à faible valeur, mais à volume élevé tel que le biodiesel ou le bioéthanol. Simultanément, il produit de l’électricité et de la chaleur de traitement, grâce à la technologie de production combinée de chaleur et d’électricité (PCCE), pour son propre usage et peut-être suffisamment pour la vente d’électricité à un service public local. Les produits de grande valeur augmentent la rentabilité, le combustible à volume élevé permet de répondre aux besoins en énergie et la production d’électricité contribue à réduire les coûts énergétiques et les émissions de gaz à effet de serre des centrales traditionnelles. Bien qu’il existe certaines installations que l’on peut appeler des bio-raffineries, la bio-raffinerie n’a pas encore été entièrement réalisée. Les bioraffineries futures pourraient jouer un rôle majeur dans la production de produits chimiques et de matériaux traditionnellement dérivés du pétrole.

Biomasse matière première
Le concept de bioraffinerie dépend essentiellement de la matière première disponible. Avant tout, les concepts qui incluent le bois, les usines d’amidon et autres plantes fraîches ou ensilées en tant que matière première sont discutés.

La biomasse est très complexe et comprend de nombreux composés organiques dans des proportions très différentes. Une grande partie des composés sont des composés appartenant aux graisses, glucides ou protéines (protéines). En outre, il existe de nombreux autres composés, mais apparaissent généralement dans des proportions plus faibles, telles que. B. les métabolites secondaires (ou substances végétales secondaires).

Selon la biomasse, ces proportions varient. Le bois, par exemple, a une composition nettement différente de celle des plantes à amidon (blé, maïs, par exemple), des plantes oléagineuses (colza, graminées, soja) ou des déchets de plantes.

Concepts de plantes
Dans une bioraffinerie, on tente d’isoler certains composés de haute qualité de la biomasse. Ce faisant, l’avantage de la synthèse de la nature est utilisé soit pour remplacer des procédés de fabrication artificiels coûteux, soit pour obtenir des composés complexes, synthétisés de manière non artificielle.

Vous pouvez le faire à des fins pharmaceutiques et en tant que produits chimiques de base. Comme ils ne représentent généralement qu’une faible proportion, une grande partie de la biomasse reste en place. Cela peut à son tour z. On obtient des aliments pour animaux, des aliments pour animaux ou des produits chimiques de moins haute qualité. Une fois que ces fractions recyclables ont été extraites de la biomasse, la fraction restante peut toujours être utilisée à des fins énergétiques. Il peut générer de l’énergie et de la chaleur pour le fonctionnement de l’usine ou pour la vente, ou des biocarburants ou des carburants synthétiques (BtL, méthanol, biométhane, etc.) sont générés.

Outre l’extraction des composés présents dans la biomasse, la production de nouveaux composés à partir de la matière première constitue un autre domaine d’activité au sein d’une bioraffinerie. Ici, des procédés chimiques, tels que la production de carburants synthétiques déjà mentionnée, peuvent être utilisés, mais en particulier des approches biotechnologiques pour la production de composés de plus grande valeur.

Les trois concepts d’usines courants discutés sont nommés d’après la matière première respective:

Typologie
Plusieurs types de bioraffineries sont parfois distingués:

en fonction de la matière première ou de sa source (p. ex. déchets marins, végétaux, animaux, fongiques ou forestiers, agricoles, organiques),
en fonction des processus utilisés: bioraffineries vertes (composés améliorants, généralement très instables), céréales, oléagineux, microalgues ou macro-algues, matières lignocellulosiques ou plantes entières.
en fonction des produits finis issus de la transformation, notamment en regroupant dans une même catégorie toutes les bioraffineries produisant un type de produit (gaz de synthèse par exemple).

Bioraffinerie lignocellulosique
Une bioraffinerie lignocellulosique utilise la matière première bois, qui est constituée en grande partie de lignocellulose – une structure à base de lignine et de cellulose – et d’hémicellulose. Aussi biomasse composite similaire, telle que la paille et l’herbe, et les déchets de l’industrie du papier, tels. Il est possible d’utiliser de la liqueur noire riche en lignine, car elle est consommée en grande quantité.

La lignine est principalement constituée de dérivés du composé aromatique phénol, qui pourrait être utile à l’industrie chimique. La cellulose est un polysaccharide (sucre polyhydrique) du monomère glucose (un hexose). Cela peut conduire à divers produits chimiques de base, tels que. Comme éthanol et éthène en tant que matériau de départ pour la production de polyéthylène (PE) et de chlorure de polyvinyle (PVC) ou d’hydroxyméthylfurfural en tant que matériau de départ pour la production de nylon, traités ultérieurement. De plus, le glucose est un substrat pour les processus de production biotechnologiques par fermentation. L’hémicellulose est également un polysaccharide, mais à partir de différents pentoses en tant que monomère. Cela peut également être un dérivé de furfural particulier – sont transformés en nylon et autres produits.

Bioraffinerie de plantes entières
Une bioraffinerie de plantes entières utilise la totalité de la culture, telle que le maïs B., le blé, le seigle, le triticale, etc. La paille peut être ensuite traitée dans une bioraffinerie lignocellulosique ou convertie en gaz de synthèse (gaz de synthèse) par pyrolyse. Cela constitue la base des combustibles synthétiques tels que la biomasse dans le liquide (BtL) ou le méthanol. Le grain consiste principalement en l’amidon de polymère de glucose, qui peut être encore traité de nombreuses manières. Vous pouvez z. B. peut être utilisé directement comme matière première de l’industrie alimentaire ou chimique. La production de bioplastiques, tels. Comme amidon thermoplastique et utilisation comme substrat de fermentation sont possibles.

Bioraffinerie verte
La bioraffinerie verte utilise des matières végétales, telles que de l’herbe, du trèfle, de la luzerne ou du grain immature (vert) issu de l’agriculture. Une différence majeure par rapport aux deux autres concepts est que la plante fraîche est utilisée, ses ingrédients étant très différents de ceux du bois ou des plantes abgereiften. La première étape du traitement consiste à presser le jus de la plante. Le gâteau de presse contient principalement des fibres (cellulose), ainsi que de l’amidon, des colorants et des pigments. Dans la presse, les jus contiennent des protéines, des acides aminés, des acides organiques, etc. Cela pourrait, par exemple. B. Des produits tels que l’acide lactique, les acides aminés, l’éthanol, etc. peuvent être isolés. Le tourteau peut être utilisé comme aliment, pour la production de gaz de synthèse et de biogaz ou pour l’extraction de composés chimiques.

Procédures et produits
Dans la bioraffinerie, diverses procédures sont nécessaires pour préparer la matière première, isoler certaines fractions et établir des connexions supplémentaires avec des processus chimiques, chimico-physiques et biotechnologiques:

Préparation z. Par:
presse
Broyage par broyage, déchiquetage, etc.

Séparation et isolement par (voir aussi processus de séparation (processus)):
Tamisage et filtration
extraction
chromatographie
Etc.

Ces méthodes permettent d’obtenir des substances et des composés déjà présents dans la biomasse. Par changement chimique, la gamme de produits peut encore être considérablement élargie:

Traitement avec des processus chimiques et physico-chimiques:
Pyrolyse pour la production de gaz de synthèse
Utilisation de gaz de synthèse pour la synthèse de nouveaux composés, p. Ex. B. BtL et autres hydrocarbures par synthèse de Fischer-Tropsch
Combustion pour générer de l’électricité et de la chaleur

Modification chimique à l’aide de procédés biotechnologiques (voir aussi Biotechnologie et Biotechnologie blanche):
Utilisation de la matière première ou de fractions pour la fermentation, par exemple B. pour la production de produits chimiques de base et de produits fins, d’éthanol, de biogaz, de matières premières pour la production de bioplastiques, de vitamines, d’acides aminés, etc.
Biocatalyse avec des enzymes isolées pour la modification de certains composés, par exemple. B. avec des amylases pour le clivage hydrolytique de l’amidon en glucose

Exemples
Blue Marble Energy, une société entièrement opérationnelle, compte plusieurs bioraffineries situées à Odessa, dans le Washington et à Missoula, dans le Montana.

La première bioraffinerie intégrée au Canada, développée par Himark BioGas sur la technologie de digestion anaérobie, est située à Hairy Hill, en Alberta. La bioraffinerie utilise des matières organiques séparées de la région métropolitaine d’Edmonton, du fumier de parc d’engraissement Open Pen et des déchets de traitement des aliments.

Plusieurs exemples de bioraffinage potentiels ont été proposés, à partir de matières premières telles que le tabac, la paille de lin et les résidus de la production de bioéthanol. Les bioraffineries ont également été proposées pour collecter autant de matériaux que possible dans les arbres (cellulose, hémicellulose, lignine, lipides).

La technologie de Chemrec pour la gazéification de la liqueur noire et la production de biocarburants de deuxième génération, tels que le biométhanol ou le BioDME, est intégrée à une usine de pâte hôte et utilise un produit principal issu de procédé au sulfate ou au sulfite comme matière première.

En Autriche, une bioraffinerie verte a été ouverte en mai 2009 à titre de centre de démonstration. Il y a l’ensilage d’herbe utilisé à partir des acides aminés et de l’acide lactique. Les fractions fixes sont utilisées de manière énergétique dans une installation de biogaz. Il peut traiter 4 tonnes d’ensilage d’herbe à l’heure ou 100 litres de jus de fruit pressé à l’heure. On peut obtenir de 150 à 210 kg d’acide lactique et de 80 à 120 kg de protéines brutes (acides aminés) par tonne de matière sèche d’ensilage. L’objectif est d’obtenir des informations qui soutiennent la conception d’installations industrielles.

Dans l’une des agences Renewable Resources e. Les projets coordonnés V. ont été développés depuis 2007 avec des concepts de processus pour les bioraffineries lignocellulosiques. Dans le cadre d’un projet de suivi, une première usine pilote sera installée à Leuna (Saxe-Anhalt), transformant 1,25 t de bois par jour. À long terme, des installations d’une capacité de traitement de 400 000 t / an sont considérées comme possibles.

L’usine Biowert fonctionne selon un principe similaire à celui de la bioraffinerie verte. La matière première est l’herbe ou l’ensilage d’herbe. Celui-ci est pressé et la fraction liquide est stockée dans une installation de production de biogaz, qui fournit également de l’énergie de traitement ou de la chaleur de traitement fermentée. Le tourteau contient une proportion élevée de fibres à partir desquelles des matériaux isolants ou des additifs fibreux pour plastique (plastique renforcé de fibres naturelles) sont produits.

Importance pour la santé
Dans toutes les huiles végétales raffinées, il faut trouver un ester d’acide gras de 3-MCPD, dans lequel les teneurs diffèrent largement. Le 3-MCPD a été classé en tant que “cancérigène humain candidat” en 2011 par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC).

La perspective
Selon une étude de marché réalisée par Festel en 2001, la part des produits chimiques fabriqués de manière biotechnologique avec 30 milliards de dollars US représentait environ 2,5% du marché total. En 2010, on prévoyait une augmentation d’environ 20% (310 milliards de dollars américains pour un chiffre d’affaires total de 1600 milliards de dollars américains). En 2007, cette part était de 48 milliards USD, soit 3,5%. En 2010, la proportion de médicaments issus de la biotechnologie était de 17%.

Le développement de la bioraffinerie a été intensément promu aux États-Unis ces dernières années. Environ 360 millions de dollars ont été investis dans la production de biomasse chaque année (2003: environ 420 millions de dollars, 2005: environ 310 millions de dollars). Les experts prévoient que d’ici 2020, un quart des matériaux organiques à base de fossiles actuels et 10% des huiles et carburants seront produits à l’aide de technologies de bioraffinage.

Dans l’UE, 74 millions d’euros au total ont été investis dans la recherche sur l’utilisation de la biomasse dans le cadre du sixième programme-cadre de recherche du milieu de 2002 à 2006. Dans le 7e programme-cadre de recherche (2007-2013), le budget annuel total 40%, de sorte qu’une augmentation de la recherche sur l’utilisation de la biomasse est également attendue.