(re)valorisation de la fibre cellulosique papetière · cellulose nanocrystals (cnc)...

(Re)valorisation de la fibre

cellulosique papetière Valorisation dans une stratégie de bioraffinage

forestier intégré

Pierre-Louis BOMBECK,

Sous la direction des Prof. Aurore RICHEL et Jacques HEBERT

Gembloux Agro-Bio Tech – Université de Liège

[email protected]

Pluribois 2017

Contexte de la thèse: 2

Bio-Ingénieur

forestier

Bio-Ingénieur

chimiste et bio-

industries

Chimie et Bois

• Chimie pour le bois: durabilité, colle, etc,

• Xylochimie - Chimie du bois

Travail de prospection

3

Hamilton, 1998

Adapté de Postek et al., 2011

4

Isogai et al., 2013

Contexte local de la thèse

Intérêt croissant pour le bioraffinage forestier

The “integrated (forets) biorefinery” concept will lead to commercial exploitation of

each component of lignocellulosic biomass by converting them into a wide

spectrum of marketable bioproducts and bioenergy (Ragauskas et al., 2006; Yang et al., 2013)

Filière bois wallonne peut adaptée à l’arrivée d’un nouvel acteur (pression

sur l’approvisionnement)

Quelle industrie déjà existante serait la mieux adapter à une conversion

vers le bioraffinage?

Une industrie qui possède déjà sa logistique d’approvisionnement et qui maîtrise

des processus de déconstruction du bois

5

Le candidat idéal:

Industrie papetière, actuellement sur le déclin:

6

Les gros papetiers sont déjà en

reconversion vers le bioraffinage forestier

- Tembec

- Domtar

- Kruger

- Borregaard

- Sappi

- …

La recherche est importante dans le

domaine:

- FPInnovation (Canada)

- Innventia (Europe du nord)

- Scion (Nouvelle-Zélande)

- …

(source: COBELPA 2013)

7

Kraft

CTMP

Contexte de la thèse:

Développement du concept de bioraffinage forestier

intégré

8

Principe: Conversion des

usines de pâtes vers des

unités de bioraffinage

de la biomasse

forestière

Nombreux avantages:

approvisionnement déjà

existant, maîtrise des

procédés, etc.

+ Plateforme Energie

9

FPInnovation

Contexte de la thèse:

Industrie papetière déclinante

+

Développement du bioraffinage forestier intégré

Recherche de nouveaux produits à plus haute valeur ajoutée

Volonté de conserver un aspect valorisation fibre-matériau (ne pas déconstruire plus que nécessaire)

Nanocellulose issue de la pâte à papier, selon un procédé valorisant les coproduits

« Potentiel de valorisation de cellulose papetière en nanocellulose et en produits à haute valeur ajoutée issus de ses procédés de production »

10

Contexte de la thèse: 11

Utilisation d’une partie

de la production en fin de chaine

pour une filière nanocellulose

Purification Cellulose de spécialité

Hydrolyse Sucres simples Biofuels et Synthon

Fibre Produits papetiers

Nanocellulose

Usine de pâte + usine de papier

Usine de pâte + usine de papier

La nanocellulose

Définition large: matériau cellulosique dont au moins une des dimensions

est inférieure à 100 nm

12

Type de nanocellulose Synonymes Taille moyenne

Microfibrillatted cellulose

(MFC)

Nanofibrils, microfibrils,

cellulose nanofibers (CNF),

nanofibrillated cellulose (NFC)

Diamètre : 5 – 60 nm

Longueur : jusqu’à plusieurs

micromètres

Cellulose Nanocrystals (CNC) Nanocrystalline cellulose

(NCC), crystallites, whiskers

(Wh), cellulose nanowhiskers

(CNW), rodlike cellulose

microcrystals

Diamètre: 5 – 70 nm

Longueur: 100 – 250 nm

Bacterial nanocellulose (BNC) Bacterial cellulose, microbial

cellulose, biocellulose

Diamètre: 20 – 100 nm

Différents types de réseaux de

nanofibres

D’après Klemm et al., 2011; Dufresne, 2012

La nanocellulose, pour quoi, pour qui?

Propriétés mécaniques, chimiques et optiques très différentes de la

fibre de base

Biosourcée, biodégradable, biocompatible

Nombreuses applications potentielles, des biocomposites novateurs

(automobile, aéronautique) aux usages pharmaceutiques et

biomédicales

13

14

Roshni, 2016

Nippon Paper Group

15

Finnish centre for nanocellulosic technologies

Traitements mécaniques courants 16

L’hydrolyse enzymatique comme

prétraitement avant un traitement

mécanique des fibres de pâte à papier

Intérêts:

- Diminution de consommation énergétique

- Technologie « verte »

- Coproduits d’hydrolyse valorisables

17




Intérêts:


Via une diminution du nombre de cycle

nécessaire, vérifiée par essais et dans la littérature

18




Intérêts:



Optimisation des conditions d’hydrolyses

Durée, T°, charge enzymatique et en substrat

19




Intérêts:



- Coproduits d’hydrolyse valorisables

Équilibre adéquat « état fibre traitée /

hydrolysat »

20

Choix des enzymes

Mélanges commercials de cellulases et

d’hémicellulases (Novozymes)

• CelluClast 1.5L, cellulases from Trichoderma

reesei (T)

• Carezyme 1000L, cellulases from Aspergillus sp.

(A)

21

Choix des enzymes 22

T

CelluClast from

T. reesei

A

Carezyme from

A. sp.

Caractérisation des 2 mélanges

enzymatiques (mixtures commerciales)

Dosage Bradford:

Mesures d’activités (selon des conditions spécifiques):

23

Mélange

enzymatique

Concentration

(mg/ml)

CelluClast, from

T. reesei (T)

55,42

Carezyme, from

A. sp. (A)

10,85

Mélange

enzymatique

Act.

Cellulase

(U/mg)

Act.

Xylanase

(U/mg)

Act.

Mannanase

(U/mg)

T 24,7 18,9 3,9

A 17,9 13,8 4,2

Choix des pâtes à papier

Pâtes mécaniques (CTMP) et chimiques (Kraft)

De feuillus et de résineux

Provenant des usines belges (+ canadiennes)

24

Code Essence Procédé Blanchiment

HMUb Peuplier CTMP Non Blanchie

HMB Peuplier CTMP Blanchie

SMUb Épicéa CTMP Non Blanchie

SMB Épicéa CTMP Blanchie

HKUb Mix feuillus Kraft Non Blanchie

HKB Mix feuillus Kraft Blanchie

SKUb Mix résineux Kraft Non Blanchie

SKB Mix résineux Kraft Blanchie

Fibers characteristics

(average values)

HM

SM

HK

SK

Length (mm) 0,71

1,31 0,76 2,35

Fines (0 to 0.2 mm) (%) 15,31

13,25 13,64 3,01

Width (µm) 22,6

27,4 17,7 26,0

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

HM SM HK SK

Pro

po

rtio

n (

%)

Pulps

Lignin

Arabinose

Galactose

Mannose

Xylose

Glucose

Hydrolyse enzymatique 25

CelluClast from

T. reesei

Carezyme from

A. sp.

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

1400,00

CT24 CA24 KT24 KA24

pp

m Glucose

Xylose

Cellobiose

Hydrolyse 24h

26 Pâte chimique Kraft prétraitée et passée au Microfluidizer®, images SEM

Après prétraitement enzymatique Après 5 passages et séchage

(J-M Thomassin, CERM, ULg) (J-M Thomassin, CERM, ULg)

Production de MicroFibrillated

Cellulose (MFC) par microfluidisation

27

Avant d’arriver à la nanocellulose,

quelles fibres avons-nous?

Quel a été l’impact de l’hydrolyse enzymatique sur les fibres?

Doit-on nécessairement déconstruire jusqu’à l’échelle nano après le

traitement enzymatique pour mieux valoriser nos fibres?

Collaboration et financement d’un projet avec l’UQTR (Canada)

28

Utiliser la FPTM pour comprendre l’effet

déconstructif des enzymes hydrolytiques sur la biomasse lignocellulosique Synthèse des recherches et résultats obtenus à l’UQTR

Pierre-Louis BOMBECK,

Prof. Marc BEAUREGARD, Daniel Montplaisir, UQTR

Dr. Fatma Meddeb-Mouelhi, UQTR

Vinay Khatri, PhD student, UQTR

Contexte général

Bioraffinerie lignocellulosique Bioproduits cellulosiques Valorisation des

fibres à différentes échelles (ex: nanocellulose) Hydrolyse (enzymatique)

légère

« Soft enzymatic hydrolysis » affecte principalement surface de fibre

Comprendre quels composants et quels paramètres sont affectés par

l’hydrolyse permettra d’adapter celle-ci au produit recherché

FPTM VS caractérisation « classique » trop simple ou longue et fastidieuse

30

31

0,000

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

800,000

HM_T HM_A SM_T SM_A HK_T HK_A SK_T SK_A

Co

nc

en

tra

tio

n (

mg

/l)

Concentration en Cellobiose, Glucose, Xylose et Mannose des

hydrolysats

[Cello]

[Glu]

[Xyl]

[Man]

Hydrolyse 4h, faible charge enzymatique

Fluorescent Protein Tag Method (FPTM)

Ingénierie génétique en vue de combiner:

1) Le module de liaison (Carbohydrate Binding Module, CBM)

32

Source: V. KHATRI (2016), citant Arantes & Saddler, 2010


Ingénierie génétique en vue de combiner:

2) Une protéine fluorescente

33

Source: V. KHATRI, PhD work (2016)

FP

Genetic Coupling

Linker

mOrange2 Excitation 549 Emission 565

34



4 sondes CBM-FP développée par l’équipe de M. Beauregard à l’UQTR:

eGFP-CBM3a: module de liaison spécifique à la CELLULOSE CRISTALLINE

mCherry-CBM17: module de liaison spécifique à la CELLULOSE AMORPHE

mOrange-CBM15: module de liaison spécifique au XYLANE

eCFP-CBM27: module de liaison spécifique au MANNANE

Chaque sonde possédant des longueurs d’onde Excitation/Émission

différentes

35


Avantages:

Méthode simple d’utilisation en terme d’équipement

(lecteur de plaque) et de lecture des données

Rapide (heures)

Haut débit (plaque 96 puits)

Suivis des modifications de surface

36

FPTM Probes 37

CBM

FP

Crystalline

Cellulose

Amorphous

Cellulose Xylan Mannan

3a 17 or 4-1 15 27

488/507 587/610 549/565 434/477 Ex/Em

Fatma Meddeb., Ph.D. June 2015

3

8

FPTM protocol Figure 1: Microplate Preparation

Step1: Punch the

handsheet to obtain 3 mm

(diameter) paper discs

Step2: Put all paper

discs in petri dish

shining face down

Step3: Put a drop of nail

polish into weighing cupule

Step 4: Put a small dot of

transparent nail polish into the bottom of a well.

Step 5: With the vacuum apparatus take a

paper punch Deposit it on the dot of

transparent nail polish

Repeat steps 4 and 5


1st Reading Paper disc Autofluorescence

Milk Blocking (3%) Blocking 1h, Room T°C under agitation

Buffer Washing

(3×5 min)

2nd Reading Blocked paper disc

Autofluorescence

Protein Binding 1h Incubation, RT

3rd Reading Remove unbound (Free solution)

and measure Total bound protein

on paper disc

4th Reading Buffer bound

5th Reading Tween bound

Actual Fluorescence = 5th Reading - 2nd Reading

Step 2 S

tep

10

Step 8 Buffer

Washing

(3×5 min)

0.05% Tween 20

Washing

(3×5 min)

96 wells plate prepared with 3

mm paper discs

(Costar, cat # 3631)

Step 3

Ste

p 4

S

tep

5

Ste

p 6

Step 7 Step 9

Step 1

FPTM binding Assay

39

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

Blank After Milk Total

Protein

After

Buffer

Wash

After

Tween

0.05%

Wash

After

Tween 1%

Wash

Flu

ore

sce

nc

e I

nte

nsi

ty

KP

Source: V. KHATRI, PhD work

FPTM protocol

Binding Assay 40

Area 488:488,507 A1

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0

FP-CBM Washing (Tween 20)

remove the non

specific binding

Area scanning

Reading parameters 3x3, gain 25/50/75/100

Top detection: 4.5 mm

9mm bandwidth filter

Source: V. KHATRI, PhD work

41

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

HM_Std SM_Std HK_Std SK_Std

Bo

un

d p

ro

bes

(µg

/mm

²)

Paper Discs

eGFP-CBM3a

mC-CBM17

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

HM_Std SM_Std HK_Std SK_Std

Bo

un

d P

rob

es (

µg

/mm

²)

Paper Discs

mO-CBM15

eCFP-CBM27

Cellulose cristalline

Cellulose amorphe

Xylane

Mannane

Pâtes initiales

42

*

* *

* *

*

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

HM_T HM_A SM_T SM_A HK_T HK_A SK_T SK_A

Bo

un

d p

rob

e v

ari

ati

on

fro

m S

td v

alu

e (%

)

Paper Discs

eGFP-CBM3a mC-CBM17 mO-CBM15 eCFP-CBM27

Variation de la réponse des sondes

après traitement enzymatiqu

Suivi des variations d’exposition de 4 polymères en

surface des fibres 43

0

20

40

60

80

100

HM-Std HM-T HM-A

Pro

be

s p

rop

ort

ion

(%

)

Enzymatic treatement

HM Pulps

CBM27

CBM15

CBM17

CBM3a

0

20

40

60

80

100

SM-Std SM-T SM-A

Pro

be

s p

rop

ort

ion

(%

)

Enzymatic treatment

SM Pulps

CBM27

CBM15

CBM17

CBM3a

0

20

40

60

80

100

HK-Std HK-T HK-A

Pro

be

s p

rop

ort

ion

(%

)

Enzymatic treatment

HK Pulps

CBM27

CBM15

CBM17

CBM3a

0

20

40

60

80

100

SK-Std SK-T SK-A

Pro

be

s p

rop

ort

ion

(%

)

Enzymatic treatment

SK Pulps

CBM27

CBM15

CBM17

CBM3a

Mannane

Xylane

Cellulose

amorphe

Cellulose

cristalline

Invitation à collaborer

Usages de ces (nano)fibres traitées (ex: biocomposite, emballage,…)

Adéquation traitement/ propriétés recherchées

Autres modifications des fibres, autres traitements à envisager

…

Particularité de cette thèse:

Souplesse dans la thématique et l’orientation du projet

Encore 2 ans de financement

44

Merci de votre attention

Questions?

[email protected]

45

(re)valorisation de la fibre cellulosique papetière · cellulose nanocrystals (cnc)...

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