Le Xylane, caractéristiques de sa production

 Plan

 

1- Qu'est ce que le xylane ?

2- L'arbre des procédés considéré pour le fabrication des films en xylane

3- Caractérisation du procédé

4- Bibliographie

 

1- Qu’est ce que le xylane ?

Le xylane est un des composants principaux des hémicelluloses, et le deuxième polyoside naturel le plus abondant. C’est un polymère de xylose dont on peut observer la structure ci- dessous.

Conformation du xylose [1]Conformation du xylose [1]

Nota : Un ose est constitué d’une chaîne de 5 éléments carbone (pentose) ainsi que d’une fonction aldéhyde (aldose).

Ces dernières années, grâce aux recherches en biotechnologies, les applications relatives au xylane se sont sensiblement élargies : ces composants sont aujourd'hui employés comme suppléments dans la fabrication du papier, l'alimentation animale, la cosmétique et dans la production de bioéthanol.

De plus, les caractéristiques de cette molécule ont intéressé le LCA (Laboratoire de Chimie Agro-industrielle INRA/INP-ENSIACET) pour la production de films susceptibles de remplacer ceux d’origine pétrochimique (Polyéthylène…). En effet, ce laboratoire a étudié, à travers différentes thèses, la possibilité de l'exploitation combinée des celluloses (pâte à papier, biocarburant) et d'hémicelluloses (fabrication d'agromatériaux: film, substitus au matières plastiques issues de l'industrie pétrochimique). Nous nous sommes basés sur les résultats de ces thèses pour mener notre éude et avoir une reflexion quant à l'exploitation des fibres d'hémicellulose pour la fabrication de films.

Retour au planRetour au plan 

 

2- L’arbre des procédés considéré pour la fabrication des films en xylane

Afin d'avoir une réflexion sur la comparaison entre le xylane et les procédé de fabrication de film d'emballage à partir le PE et PLA, nous avons, sur le même modèle, construit l'arbre des procédés du xylane. Avec l'aide de monsieur Pontalier du Laboratoire LCA, nous avons donc élaboré l'arbre des procédés suivant:

Arbre des procédés du xylaneArbre des procédés du xylane

Retour au planRetour au plan 

 

3- Caractérisation du procédé

Etant donné l’aspect innovant de ce procédé, nous ne disposons d’aucune donnée directe permettant de réaliser l’ACV. Nous avons donc cherché à caractériser chaque étape du procédé. Pour cela, nous avons calculé, sur chacun des postes, la matière entrant dans le procédé en masse de matière sèche (MS) et en volume de solution. Ceci permet de dimensionner notre procédé, c'est à dire d'évaluer la taille de chaque poste et ainsi estimer leur consommation énergétique et leur consommation en eau. Ceci nous permettra de comparer le procédé de fabrication du xylane avec celui de PE et PLA, en terme d’efficience énergétique et de consommation d’eau.

Rappelons que l’unité fonctionnelle (UF) considérée est la production de 1000 m² de film d’une épaisseur de 50µm. Sachant que l’on veut connaître la puissance nécessaire pour produire une UF, chacun de nos calculs se rapportera donc à cette unité fonctionnelle. Comme nous disposons des données de caractérisation du film en sortie, nous allons commencer par la fin de chaîne pour remonter peu à peu vers la première étape du procédé.

 

3.1- En sortie de chaîne de fabrication

  • On cherche le volume de solution à introduire pour la fabrication du film 

Données : On a une suspension finale à 4% en masse et 20g de suspension permettent d’obtenir un film d’une épaisseur moyenne de 50µm dans une boite de pétri de 10x10cm (100 cm²)

Donc, la masse de suspension nécessaire pour obtenir 1000m² de film d’une épaisseur de 50µm est de : (10 000 000x20)/100 = 2 000 000g = 2 tonnes de solution. Soit 2m3 de solution, si on considère que la masse volumique de la solution est équivalente à celle de l’eau.

  • On cherche la masse de poudre à produire pour réaliser cette solution :

Données : On sait que la solution finale est concentrée à 4% en masse.

La masse de poudre introduite est donc de : 0,04 x 2 000 = 80 kg de xylane en poudre

 

3.2- L'atomisation

L’atomisation est un procédé permettant de « sécher » une solution selon le schéma et la photo ci-dessous.

Schéma détaillé du procédé d'atomisationSchéma détaillé du procédé d'atomisation [3]

 

Photographie d'une tour d'atomisationPhotographie d'une tour d'atomisation [4]

La solution concentrée à déshydrater est introduite en sommet de la tour d’atomisation où elle est alors « atomisée » (transformée en aérosols ou brouillard) au moyen d’une turbine d’atomisation ou par injection à haute pression au travers de buses. Les petites gouttes liquides ainsi formées sont entrainées et déshydratées par un courant d'air chaud. Les gouttelettes sont transformées en une poudre sèche avant de tomber sur les parois inférieures de l'appareil. La séparation poudre - air humide est obtenue à l'aide de séparateurs cyclones [4].

  • Masse de Matière Sèche en entrée d’atomisation / en sortie d’ultrafiltration

Données : Lors de l’atomisation, on a un rendement de 90 %.

La masse de MS avant atomisation (séchage) est d’environ 80/0,9 = 89 kg pour fabriquer une UF.

  • Masse et volume de solution entrée dans l’atomiseur

Données : On sait que la solution en entrée d’atomiseur est à 6% en masse.

La solution a une masse de 89/0,06 = 1483 kg. Soit 1,483 m3 si on considère que la masse volumique de la solution est équivalente à celle de l’eau.

Ainsi, pour fabriquer 1 UF, nous avons un procédé qui a les caractéristiques suivantes :

Caractéristiques du procédé d'atomisationCaractéristiques du procédé d'atomisation

 

  • Energie nécessaire à l’atomisation

Le poste principal de dépense d’énergie sur le procédé d’atomisation sera le chauffage de l’air nécessaire au séchage, de 20°C à 100°C. Cette température doit être assez élevée pour permettre l’évaporation de l’eau avec efficacité, mais pas trop élevée pour ne pas échauffer la poudre qui pourrait alors se dégrader. Il est important à ce stade de faire remarquer que les données sont issues d’essais menés sur des installations pilotes qui ne sont pas optimisées pour une mise en place industrielle. Nous prendrons tout de même les résultats obtenus lors de ces essais en gardant en tête cette remarque.

Données : Il faut prévoir un débit d'air de 2,5.10-4 kg/s à chauffer de 20°C à 100°C pour traiter 5kg/h. Le Cp de l'air est de 1 kJ/kg/K.

La formule utilisée pour calculer la quantité de chaleur à apporter pour élever la température de l’air est la suivante : Q = m * c * (T2-T1)

Si on veut produire 1 UF par heure, il faut chauffer 2,5.10-4*1483/5 = 74,15 g d’air/s.

Q= 74,15.10-3*1*(100-20) = 5,932 kJ/s pour produire 1UF/h. Soit 21 355 kJ/h pour produire 1UF/h. Soit 21 MJ/UF = 5,8 kWh/UF.

  • Eau nécessaire à l'atomisation

De par le principe même de fonctionnement de cette étape, il n'y a pas de besoins en eau particulier.

3.3- L'ultrafiltration

L’ultrafiltration est « un procédé de séparation en phase liquide par perméation à travers des membranes permsélectives sous l’action d’un gradient de pression » [5]. On parle d’ultrafiltration lorsque la taille des molécules à séparer est d’un ordre de grandeur environ dix fois supérieur à celle du solvant. Sinon, on parle d’osmose inverse.

Schéma du procédé d'ultrafiltrationSchéma du procédé d'ultrafiltration [5]

Dans cette étape du procédé, il faut penser à mettre en place un temps pour le nettoyage des filtres.

On estime le temps de séquence ainsi :

_Rinçage à l’eau _ Nettoyage à la soude 0,1M _ Rinçage à l’eau_

Le tout fait 1h

  • Volume d’alimentation de l’ultrafiltration

Données : Lors du procédé d’ultrafiltration, la solution est concentrée 4 fois en volume.

En entrée d’ultrafiltration, on a donc un volume de solution de 4 x 1,483 = 5,932m3.

  • Quantité de MS

Données : Lors de l’ultrafiltration, on a un rendement de récupération en matière sèche de 80 %.

Ainsi, la quantité de matière sèche nécessaire avant l’ultrafiltration est de 89/0,8 = 111,25kg.

  • On cherche à caractériser l’installation d’ultrafiltration

Données : Le calcul de la surface membranaire se fait par rapport à la quantité de perméat à éliminer. Nous avons la donnée de 60L/h.m2.

On calcule la surface filtrante nécessaire pour une heure:

Il faut, pour une UF : (5,932 - 1,483)*1000/60= 74 m2 de membrane, pour un temps de filtration de 1 heure (pour filtrer une UF).

Ensuite il faut calculer le nombre de fibres, puis le débit de recirculation connaissant la section totale:

Calcul de la surface filtrante d’une fibre :

Données : Caractéristiques des fibres creuses utilisées : L=1m ; D=0,5mm = 0,05 cm

S = pi*D*L = 3,14*5.10-4*1 = 15, 7.10-4m².

Nombre de fibres :

Données : Surface membranaire : 74m². Section d’une fibre : 15,7.10-4m².

74/15,7.10-4 = 47 134 fibres pour filtrer 1UF en 1h.

Débit de recirculation :

Données : On a le volume Q à traiter (Qt) de 5,932m3/j, soit (1j=86400s) 6,87.10-5m3/s, soit 68,7cm3/s. On a aussi la vitesse tangentielle utilisée dans cette ultrafiltration qui est de v = 2m/s = 200cm/s.

Or, le débit de recirculation se calcule selon la formule suivante: v = Q/Omega = Q/(n*pi*D²/4)

Donc Q = v*n*pi*D²/4 = 2*47 134*pi*(5.10-4)²/4 = 0,0185 m3/s

Ceci va à présent nous permettre de calculer l’énergie inhérente aux pompes qui permettent au système de fonctionner.

  • Energie nécessaire à l’ultrafiltration

Caractéristiques du procédé d’ultrafiltrationCaractéristiques du procédé d’ultrafiltration

 

Données :

Pompe 1 : DeltaP=3bar (donc H = 30m), rhô=1kg/L, g=9,81m/s² ; Q=6,87.10-5m3/s.

Pompe 2 : DeltaP=1bar (donc H = 10m), rhô=1kg/L, g=9,81m/s² ; Q=0,0185 m3/s.

Formule utilisée pour la calcul de puissance est la suivante : P = rhô*g*H*Q = rhô*g*H*v*S

Donc pour la pompe 1 :

P = 1000*9,8*30*6,87.10-5 = 0,02 kWh

Pour la pompe 2 :

P = 1000*9,8*10*0,0185 = 1,813 kWh

  • Volume d’eau nécessaire à l’étape d’ultrafiltration

On fait d’abord un premier rinçage à l'eau rapide, qui ne consomme que 500L. Le volume de solution de soude à utiliser pour une surface membranaire de 74m2 est d'environ 250L. Enfin, estimer l’eau nécessaire au rinçage final est beaucoup plus compliqué car cela dépend du temps que l’on veut y accorder. Si on veut qu’il soit rapide on utilise beaucoup d'eau, alors que si on n'a pas d'éxigence de rapidité, on peut recycler l'eau plus longtemps, et la consommation sera alors plus faible.

Nous nous baserons sur le volume d’eau le plus faible possible qui est de 2m3 d'eau, soit 2 000L.

En tout, pour la réalisation d’une UF par heure, il faudra donc environs 2 750L d’eau pour l’étape d’ultrafiltration.

 

3.4- Chromatographie

La chromatographie est une technique dans laquelle l'échantillon contenant une ou plusieurs espèces est entraîné par un courant de phase mobile (liquide, gaz ou fluide supercritique) le long d'une phase stationnaire (papier, gélatine, silice, polymère, silice greffée etc). Ici elle permet une décoloration par percolation sur une résine.

  • Quantité de MS en entrée

Données : On sait que le rendement de récupération en matière sèche lors de la chromatographie est de 90%.

Soit 123,6kg de MS en entrée de chromatographie.

  • Volume d’alimentation de la phase chromatographie

Il n’y a pas de perte en volume de liquide sur cette étape. On a donc un volume d’alimentation de 5,932m3 pour fabriquer une UF.

Le schéma descriptif de cette étape est présenté ci-dessous :

Schéma d'une chaine de chromatographieSchéma d'une chaine de chromatographie

Dans cette installation, il faut prendre en compte la nécessité d’un temps de nettoyage. Or, on introduit 20 BV et le débit d’une résine est de 10 BV/h. Comme on veut fonctionner avec une production continue, on met trois chaines de chromatographie en parallèle. Ainsi, chaque unité de chromatographie fonctionne deux heures et s’arrête une heure. Il y a donc toujours deux unités qui fonctionnent en continu.

  • On cherche à caractériser l’installation de chromatographie (volume de résine nécessaire)

Donnée : Le débit Q en entrée de l’étape de chromatographie : 5,932 m3/h.

La résine totale peut avoir un volume de 5,932/10 = 0,6 m3. Puisqu’il y a toujours deux résines en fonctionnement, chaque unité de résine doit avoir un volume de 0,6/2 = 0,3 m3.

Ce volume est relativement faible, en effet, les résines sont un outil puissant qui permettent une séparation efficace grâce à leurs caractéristiques.

  • Energie nécessaire à la chromatographie

Données : DeltaP=1bar (donc H = 30m), rhô=1kg/L, g=9,81.

Formule utilisée : P= Rhô*g*H*Q

Donc P= 1000*9,8*0,27/3600*30 = 210 watt pour les deux pompes en fonctionnement

Et donc 105 watt pour la troisième pompe.

Une des limites au calcul d'énergie de cette étape, est de ne pas avoir évalué l’énergie nécessaire à la préparation des solutions de nettoyage. Mais ceci reste négligeable.

  • Eau consommée

Pour le calcul des quantités d'eau, il faut prendre en compte l'eau consommée par la résine en cours de nettoyage. En une heure, on nettoie une résine de 0,3m3 avec 10 BV (Cf. Figure : 4BV d'eau déminéralisée + 4BV de NaOH (1M) + 2 BV NaCl(1M)).

On va donc consommer 10*0,3 = 3 000 L d’eau pour la production d’une UF.

Les résines occupent donc un faible espace car le procédé est très efficace (0,9 m3 en tout), par contre, elles utilisent un fort volume d’eau pour leur régénération: c’est leur point faible.

 

3.5- La centrifugation

La centrifugation peut être définie comme l’opération élémentaire permettant de séparer un mélange par l’action d’une force centrifuge appliqué aux constituants (deux phases liquides, une phase solide en suspension dans une phase liquide…) [6].

Dans notre cas, c’est une filtration centrifuge qui retient les particules qui n’ont pas pu l’être lors de l’étape d’extrusion. Lors de cette étape, comme on peut l’observer sur la figure suivante, il y a formation d’un gâteau qui est un résidu fibreux que l’on jette. Le filtrat en revanche contient ce qui nous intéresse et sera purifié par les étapes d’ultrafiltration et de chromatographie (sels, sucres libres, protéines, lignines...) [2].

Schéma descriptif d’une installation de filtration centrifugeSchéma descriptif d’une installation de filtration centrifuge

  • MS en entrée de centrifugation

Données : 70% de perte de MS lors le la centrifugation

Donc, on a 412 kg de MS/h en entrée de centrifugeuse.

  • Masse et volume de solution en entrée de centrifugeuse

Données : Le rendement en masse de la centrifugeuse est de 90% en masse de liquide (part importante des résidus solides). En sortie de centrifugation, on a 5,932m3 de liquide.

En entrée, on a donc 5,932/0,9 = 6,6 m3 de liquide.

  • Energie nécessaire à la centrifugation

Données : La consommation est de 2kWh pour traiter 200L/h.

Or, on cherche à traiter 6600 L/h.

On aura donc une consommation de 2*33 = 66 kWh pour produire une UF.

  • Quantités d’eau consommées par la centrifugation

Dans cette étape comme dans les deux que nous avons vues précédemment,  il apparaît qu’il faut envisager un nettoyage.  Dans le cas de la centrifugation, la phase de nettoyage est incluse dans le fonctionnement de l’appareil. On peut ainsi considérer qu'il y a fonctionnement pendant 55 minutes et mise en place d’un rétrolavage de 5 minutes. En réalité il risque d'avoir plusieurs cycles de fonctionnement sur une heure (15 min, 1min par exemple). On considère généralement que le volume d’eau nécessaire au nettoyage est équivalent à 10% du volume de solution traité.

Pour nous, cela représente donc 0,10*6600 = 660 L/UF.

 

3.6- L’extrusion

« Le procédé d’extrusion consiste à fabriquer en continu des produits finis ou des semi-produits, ou  encore à transformer des matériaux au sein d’un système vis/fourreau. On parle d’extrusion mono-vis lorsqu’il existe une vis unique, tournant au sein d’un fourreau et d’extrusion bi-vis lorsque l’on a affaire à deux vis, généralement parallèles, tournant à l’intérieur d’un fourreau dont la section a la forme d’un huit » [7].

Pour faire les calculs relatifs à cette étape,  nous nous sommes basées sur des données présentes dans la thèse de Philippe Maréchal intitulée « Analyse des principaux facteurs impliqués dans le fractionnement combiné de paille et de sons de blé en extrudeur bi-vis : obtention d’agro-matériaux » [2].  Ainsi, dans sa thèse, l’extrudeur à la configuration suivante.

 

Schéma de fonctionnement d'un extrudeurSchéma de fonctionnement d'un extrudeur [2]

  • Calcul de la quantité de paille à mettre dans l'extrudeur, de l'énergie mécanique spécifique et de la quantité d'eau nécessaire à la production d'une UF

Toujours selon la thèse de Philippe Maréchal, nous disposons des données expérimentales suivantes (en orange), que nous avons adaptées à la taille de notre procédé :

Tableau récapitulatif des données et résultats relatifs au procédé d'extrusionTableau récapitulatif des données et résultats relatifs au procédé d'extrusion

Qp : Débit Massique de paille

Qps : Débit massique de paille en Matière sèche

Qs : Débit massique de son

Qss : Débit massique de son en Matière Sèche

QL : Débit massique d’eau de lavage

QLTot : Débit massique d’eau total (eau de lavage+eau introduite avec le son)

QE : débit d’extrait hémicellulosique en sortie d’extrudeur bi-vis.

QE_MS : Débit massique de matière sèche

EMS : Energie mécanique spécifique

Nous arrivons donc aux résultats suivant :

L’énergie nécessaire à la fabrication d’une UE est de 88 kWh. L’eau totale consommée sera de 17,9 m3 et la quantité de paille qu’il faudra entrer dans l’extrudeur sera de 1,3 tonne pour la production d’une UF.

 

3.7- Tableau Bilan

Le tableau ci-dessous récapitule les dépenses énergétiques et les dépenses en eau nécessaires à la fabrication du Xylane. Elles vont nous être utiles dans un second temps pour faire une comparaison avec les procédés de fabrication du PE et du PLA.

Tableau bilan du procédé de fabrication du XylaneTableau bilan du procédé de fabrication du Xylane

Retour au planRetour au plan 

 

4- Bibliographie

[1] Wikipédia. [en ligne] http://fr.wikipedia.org/wiki/Xylose. Dernière consultation le 10 mars 2009.
[2] Maréchal P. Septembre 2001. Analyse des principaux facteurs impliqués dans le fractionnement combiné de pailles et de sons de blé en extrudeur bi-vis : obtention d’agro-matériaux. Thèse soutenue le 10 septembre 2001. Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle UMR Inra / INP-Ensiacet.
[3] Cheftel JC., Besancon P. 1977. Introduction à la biochimie et à la technologie des aliments, volume 2 Technique et Documentation, Entreprise Moderne d'Edition, Paris 420p.
[4] Ecole Nationale Vétérinaire de Lyon. [en ligne] http://www3.vet-lyon.fr/ens/nut/webBromato/cours/spray.html. Dernière consultation le 10 mars 2009.
[5] Maurel A. Décembre 1988. Osmose inverse et ultrafiltration, considération théoriques. Techniques de l’ingénieur. J 2790, Chimie, génie des procédés.
[6] Robatel M. Mai 1989. Centrifugation, généralités, théorie. Techniques de l’ingénieur. A5550, Chimie, Génie des procéés.
[7] Vergnes B., Chapet M. Janvier 2001. Extrusion, procédé d’extrusion bivis. Techniques de l’ingénieur. AM3653, Matériaux, procédés d'extrusion.

Retour au planRetour au plan