Production de furfural par déshydratation de pentoses hémicellulosiques à l'aide d'un système biphasique réactif

Abstract

Les biocarburants sont une alternative durable et écologique aux énergies fossiles. Les biocarburants de deuxième génération sont produits à partir de biomasse lignocellulosique, biomasse largement répandue sur terre. En comparaison, la production des biocarburants de première génération est basée sur une biomasse riche en sucres ou en huiles aisément disponibles tels que la canne à sucre ou le colza. Cependant, cette production de biocarburants de première génération est en compétition directe avec le secteur agro-alimentaire. Les procédés de production de biocarburants s’orientent donc actuellement vers la deuxième génération plus disponible et versatile que la première. Ce projet s’inscrit dans cet élan en valorisant les pentoses de la biomasse lignocellulosique en furfural, une molécule plateforme et intermédiaire pour la synthèse de différents produits biosourcés et carburants. Par exemple, l’hydrogénation du furfural produit du 2-méthyltétrahydrofurane, un additif oxygéné pouvant être ajouté à hauteur de 14,5% massique dans l’essence, suivant la réglementation de l’United States Department of Energy. Ce projet vise à optimiser la réaction de déshydratation du xylose en furfural en milieu biphasique à l’aide d’émulsions créées par des ultrasons. En fonction de la nature de la biomasse considérée, le xylane, un polymère d’unité de xylose, peut composer jusqu’à un tier de la plante. Sa valorisation en furfural contribue à la valorisation globale de la biomasse lignocellulosique. En parallèle, l’objectif de ce projet est de fournir les informations nécessaires à la mise au point d’un procédé industrialisable à des rendements en furfural supérieurs à 60% molaire. En effet, le furfural est une molécule très réactive qui polymérise avec ses intermédiaires de réaction. Bien que les rendements obtenus en laboratoire avoisinent les 100%, ceux de production industrielle côtoient les 50%. Cette différence s’explique par une mise en oeuvre difficile des technologies développées au laboratoire comme l’utilisation de catalyseurs ou de solvants coûteux ou encore de temps de résidence démesurément longs. L’innovation de ce projet se base sur l’utilisation d’un mélange biphasique où la phase aqueuse est le siège de la réaction de déshydratation du xylose en furfural et la phase organique agit comme stabilisateur du furfural produit. De plus, la création d’une émulsion augmente la surface d’échange entre les deux phases, permettant ainsi d’extraire le furfural hors de la phase aqueuse avant qu’il ne polymérise. Un traitement préalable aux ultrasons permettra d’émulsionner le mélange réactionnel. Le second point intéressant de ce projet est l’utilisation d’un mélange de solvants organiques verts que sont le carbonate de diméthyle et le méthanol. Par ailleurs, un catalyseur homogène peu coûteux, l’acide sulfurique, est utilisé et recyclé avec la phase aqueuse. Ainsi, ce projet s’inscrit dans l’étude de la mise en place d’un procédé de production industriel de carburant de seconde génération valorisant la totalité de la biomasse lignocellulosique. Plus particulièrement, il se focalise sur la valorisation d’un constituant de la biomasse, le xylose, en furfural en optimisant la réaction de déshydratation dans un système biphasique, émulsionné par ultrasons.