Conversion de la lignine aux biocarburants d’avion de substitution et en bioproduits chimiques

Promoteur principal : CRB Innovations Inc.
Lieu : Sherbrooke, Québec
Contribution de l’Initiative : 1 000 000 $
Total du projet : 1 505 000 $

Réacteur de dépolymérisation sous catalyse basique (Base-Catalyzed Depolymerization – BCD)

Contexte :

La lignine est un composé chimique organique complexe que l’on trouve dans le bois, dans les parois cellulaires de la plupart des plantes et dans certaines algues. Il s’agit d’un sous-produit du procédé kraft et elle peut également être produite dans des installations de fractionnement en utilisant de la biomasse résiduelle (résidus forestiers et de transformation du bois, débris de bois issus de la construction et résidus agricoles comme la paille) comme charge d’alimentation. CRB Innovations, une compagnie technologique dont le siège social se trouve à Sherbrooke, au Québec, possède et exploite une unité pilote et une usine de démonstration (150 kg/h, base sèche) qui produisent de la lignine aux fins d’utilisation dans la production de chaleur du procédé par combustion.

Toutefois, une alternative perturbatrice à la combustion s’est dégagée des recherches permanentes menées à l’Université de Sherbrooke, au National Renewable Energy Laboratory (NREL), à CanmetÉNERGIE et dans les propres laboratoires de CRB. On a découvert qu’au moyen d’une dépolymérisation sous catalyse basique (Base-Catalyzed Depolymerisation – BCD), la lignine pouvait être convertie en monomères fonctionnels (ayant une grande valeur comme produits chimiques spécialisés) et en oligomères (susceptibles d’être valorisés en hydrocarbures compatibles au niveau moléculaire avec les biocarburéacteurs). Puisque les premiers résultats se sont avérés encourageants, CRB a proposé le projet « Transformation de la lignine en biocarburéacteurs de remplacement et en produits chimiques » aux fins de financement par l’Initiative écoÉNERGIE Innovation. Le projet a obtenu 906 000 $ pour démontrer que la lignine peut être isolée au moyen de procédés de fractionnement avancés et peut ensuite être dépolymérisée sous catalyse en vue de produire des co-produits utiles et commercialisables comme des biocarburants de remplacement et des produits chimiques spécialisés.

Résultats

Système de pompage et de préchauffage de la dépolymérisation sous catalyse

CRB Innovations a adopté une approche modulaire de la conception d’une usine pilote de BCD. Module 1 – Réacteur BCD : utilise un modèle de réacteur tubulaire à piston qui permet d’ajuster les paramètres de la réaction afin d’obtenir les conditions optimales nécessaires pour la dépolymérisation de la lignine. Module 2 – Processus d’acidification et de séparation solides/liquides (Acidification and Solid/Liquid Separation – ASLS) : solidifie et sépare les produits organiques dissous dans l’effluent du réacteur BCD (une solution aqueuse alcaline) par acidification et filtration. Module 3 – Processus d’extractions par solvants et adsorbant solide (Solvent-Extractions and Solid-Adsorbent – SESA) : extrait efficacement les fractions riches en monomères (Monomers Rich Fraction – MRF) de la solution aqueuse au moyen d’une colonne d’extraction liquide-liquide de Kühni. Module 4 – Récupération des monomères : utilise divers solvants pour extraire les MRF et les fractions riches en oligomères (Oligomers Rich Fraction – ORF). Module 5 – Récupération des cations et anions utilisés dans le processus BCD : utilise des électro-technologies pour recycler les ions.

Une usine pilote BCD capable de traiter 5 kg/h de lignine a été conçue, fabriquée et mise en service. L’usine a produit des monomères de grande valeur (7 à 9 % pds de la lignine récupérée), des oligomères (65 à 70 % pds), des monomères de faible valeur (résiduels) (5 à 8 % pds), des résidus riches en biocarbone (noir de charbon) et certains gaz (riches en CO2 d’origine biologique). Les monomères de grande valeur sont des produits chimiques oxy-aromatiques spécialisés (tout le carbone est biogène) ayant des marchés établis. Les oligomères ont été valorisés par catalyse en biocarburants de remplacement par un tiers. Ces biocarburants appartiennent, en grande partie, aux hydrocarbures de la gamme kérosène-naphte et on peut donc envisager de les utilisés comme biocarburéacteurs dans le secteur de l’aviation. Le rendement en biocarburants représente 42,5 % pds des oligomères traités, pour un total de 27,6 à 29,75 % pds de la lignine traitée.

Une analyse technoéconomique a été réalisée, dont les résultats ont mené à la préparation d’un modèle d’affaires de type « moyeu et rayons » pour la production et la transformation de la lignine, dans lequel des usines satellites décomposent et fractionnent la biomasse résiduelle locale (régionale) (40 à 60 mille tonnes métriques, base sèche) en produits intermédiaires (y compris la lignine). Les produits intermédiaires de plusieurs usines satellites sont ensuite convertis en produits commercialisables et valorisés dans les centres de finition. Ce modèle de type « moyeu et rayons » permettrait de réaliser des gains de productivité par économies d’échelle. Pour la production d’oligomères, les raffineries de pétrole pourraient servir de centres de finition, et les compagnies de produits chimiques pourraient faire de même pour les monomères.

Les principaux apprentissages sont les suivants : la lignine issue du fractionnement à la vapeur convient mieux à la dépolymérisation que celle issue du procédé kraft; les monomères et les oligomères sont faciles à séparer; les oligomères peuvent être valorisés par utilisation directe comme charge d’alimentation pour la production de biocarburants ou sous forme de produits dérivés pour les polymères aromatiques; et les monomères de grande valeur peuvent être séparés, isolés et purifiés.

Avantages pour le Canada :

La récupération de la lignine issue de la décomposition et du fractionnement du bois résiduel, et sa dépolymérisation subséquente en produits commercialisables comme des biocarburéacteurs, profiterait au Canada du point de vue économique aussi bien qu’environnemental grâce aux émissions de gaz à effet de serre évitées en remplaçant le carburant.

Prochaines étapes

Installer et mettre en service un système de démonstration précommercial, peut-être dans les installations de Westbury de CRB, où le processus de décomposition et de fractionnement est déjà fonctionnel. Il serait donc possible de produire, d’évaluer et d’homologuer des biocarburants et des produits chimiques spécialisés dérivés de la lignine, puis de les offrir sur les marchés appropriés.