© IFP Controlled CO 2 | Diversified fuels | Fuel-efficient vehicles | Clean refining | Extended reserves Séminaire Agrocarburants et développement durable.

Séminaire Agrocarburants et développement durable – Grenoble, 28-29/01/2008

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Controlled CO2 | Diversified fuels | Fuel-efficient vehicles | Clean refining | Extended reserves

Production d'éthanol par conversion biologique de biomasse lignocellulosique

Frédéric Monot - IFPAgrocarburants et développement durable, Grenoble, 28/01/08


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Ethanol de seconde génération

Le contexte Le procédé


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Bioéthanol: le contexte (1)

Production capacities

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

Europe Amérique duNord

Amériquecentrale et du

Sud

Asie/Pacifique Afrique

Mt

Biodiesel

Bioéthanol

Biofuel production in 2006

NorthAmerica

Central and South

America

Europe Asia/Pacific

Africa

BiodieselBioethanol

L'éthanol : l'agrocarburant le plus répandu actuellement


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Bioéthanol: le contexte (2)

La taille de ce cinquième niveau est étudiée pour servir éventuellement de légende aux photos.

0

50

100

150

200

250

Mill

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s d

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s

Essence

Gazole

Vehicle Fuel demand: unbalance in favour of diesel oil ... in EU

Diesel oil

Gasoline

Mto

ns

Source: Petroleum Economics Ltd

GasolineDiesel

USA

Une demande en essence toujours forte au niveau mondial

GasolineDiesel

World


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Bioethanol: Le contexte (3)

2005: 2 % 2010: 5.75 % (9 Mt EtOH) 2020: 10 % (13 Mt EtOH)

(% in energy content) Roadmap may depend upon States, e.g. France

In USA 2015 : 15 % EtOH in gasoline 90 Mt EtOH (50% corn = 45

Mt !) 2030 : 30 % EtOH in gasoline 160 Mt EtOH

Liquid biofuel blending share targets (EC)

European Council, March 8-9, 2007, conclusions:A minimum ratio of 10% biofuels of the total consumption of gasoline and diesel oil for transportation in EU, this target having to be achieved by 2020 in all Member States, at a reasonable cost. This target is justified, if the production has a sustainable feature, if second generation biofuels are on the market and the directive on the quality of biofuels has to be modified accordingly to plan the suitable blending levels.


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FP Lignin

e

Hemicellulose

Cellulose

Bioéthanol : le contexte (4)Les polymères pariétaux de la biomasse lignocellulosique


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Biomass Lignin (%) Cellulose (%) Hemicellulose (%)

Softwood 27-30 35-40 25-30

Hardwood 20-25 45-50 20-25

Wheat straw 15-20 33-43 20-25

La biomasse lignocellulosique : une matière première de composition variable

Bioéthanol : le contexte (5)


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CelluloseCellulose Lignine Lignine

HemicelluloseHemicellulose

Bidlack et al., 1992, Proc. Okla Acad Sci., 72: 51-56

Bioethanol: le contexte (6)Les parois végétales : une structure complexe


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Quatre étapes principales

Le procédé (1) : la production d'éthanol ex BLC

Biomasse Prétraitement Hydrolyse

Fermentation

DistillationSéchage

ligninecellulosehémicellulose

ligninecellulose

hémicellulosehydrolysée lignine

glucose

éthanol

éthanol anhydre


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Le prétraitement aim: making cellulose available to the action of

enzymes or catalysts (sometimes leads to fractionation, e.g. hemicellulose hydrolysis)

technology: physical-chemical, several competing technologies (steam explosion, diluted acid, thermohydrolysis at 200°C, ...)

constraints: energy consumption, degradation of sugars, formation of toxic compounds, continuous feeding of reactors under pressure, corrosion, dry matter concentration

Bioéthanol: le procédé (2)Le prétraitement


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Explosion à la vapeur de paille de blé

Bioéthanol: le procédé (3)Le prétraitement


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L'hydrolyse conduit à l'obtention d'un sucre fermentescible, le

glucose, catalysée par des acides forts ou des enzymes

(cellulases); catalyse enzymatique aussi efficace que l'hydrolyse

acide, n'engendre pas de déchets et est conduite dans des conditions douces de température et pression;

l'hydrolyse enzymatique de la cellulose est plus difficile que celle de l'amidon et est beaucoup plus coûteuse

Bioéthanol: le procédé (4)L'hydrolyse


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Fermentation procédé semblable à la fermentation de l'amidon (levure) mais : présence de lignine = limitation de la concentration initiale en

glucose (teneur en matière sèche limitée) et donc de la teneur finale en éthanol,

présence éventuelle de composés toxiques libérés lors du prétraitement,

les sucres à 5 atomes de carbone issus des hémicelluloses ne sont pas convertis efficacement en éthanol.

souches modifiées et améliorées

Distillation identique à la distillation d'éthanol classique nécessité de déshydrater pour un usage carburant

Bioéthanol: le procédé (5)La fermentation et la distillation


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Bilan masse dépendant de la matière première (1 t MS)

Exemple : teneur en cellulose = 40 % (m/m)(hémicellulose : 25 % -20% xylanes, lignine : 20% )

Rdts : prétraitement 93% hydrolyse 85 % fermentation 46 %

Ethanol final : 160 kg (rdt = 70% / théorique) + potentiellement 200 kg xylanes + 200 kg lignine + potentiellement 86 kg éthanol ex C5

Bioéthanol: le procédé (6)Bilans


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Bioéthanol: le procédé (7)Coûts

Concentration vinasses

8% Prétraitement14%

Séparation des sucres11%

Production d'enzymes

22%Hydrolyse enzymatique

12%

Fermentation glucose

13%

Fermentation xylose

8%

Distillation12%

Vision US DOE :$ 2.5/gal ($ 0.7/L) en 2005 : $ 1.31/gal ($ 0.36/L) en 2012

(contribution enzyme: 0.5 to 0.05 $/gal, contribution MP : 0.8 to 0.3 $/gal)

Répartition investissements


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• Efforts R&D• Hydrolyse enzymatique :

•obtenir des enzymes plus efficaces•diminuer le coût de production des enzymes

•Prétraitement•choix technologiques à effectuer : un bon prétraitement doit déstructurer la paroi végétale sans détruire les sucres (baisse du rendement et production d'inhibiteurs)

•Fermentation•conversion des pentoses en éthanol•résistance aux inhibiteurs

•Intégration du procédé•diminuer les consommations d'énergie•diminuer les demandes en eau

•Validation en pilote/démo

Bioéthanol lignocellulosique : conclusions


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1. Europe

• Sekab E-Technology (ex Etek) :

(2 t/d) in Sweden (NILE)

Wood

• Biogasol (DK)

• Greencell (Abengoa Bioenergy)Location: Salamanca (Spain)Raw material: wheat and barley strawCapacity : 4000 t/y ethanol (70 t/d raw material)Starting in 2007

Main current projects (1)


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2. America

• Iogen : Canada (30 t/d)

• Verenium (Louisiana) 3.5 t/d

NREL (USA)

• Abengoa (York)

Main current projects (2)Pilot plants

source : Celunol


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• Abengoa : 34 000 t EtOH/y (corn stover, straws, switchgrass).

• Iogen : 54 000 t EtOH/y (straw, corn residues, switchgrass)

• POET (Broin & Associates) : 80 000 t EtOH/an (corn cobs), integration in a production unit from corn-grain (cellulosic ethanol = 25 % total capacity)

• Verenium: Celunol process

USA : Demo units

Main current projects (3)

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Documents

fermentation et

lamidon et

procd page

prtraitement page

distillation page

lhydrolyse page

ifp controlled

temprature et pression