Fractionnement par voie sèche de la biomasse ligno-cellulosique : broyage poussé de la paille de blé et effets sur ses bioconversions

Dans le contexte de la bioraffinerie végétale pour la production de molécules et d'énergie, des prétraitements sont nécessaires pour augmenter la réactivité de la biomasse ligno-cellulosique. Cette thèse s'insère dans une thématique dont l'objectif général est d'établir les bases d'une raffinerie du végétal par des procédés par voie sèche. Cette étude a pour objectif de développer et comprendre le fractionnement mécanique poussé de la paille de blé jusqu'à des tailles sub-millimétriques et d'évaluer les effets sur des procédés de bioconversions énergétiques. La paille de blé présente une grande hétérogénéité à plusieurs niveaux d'échelle (du cm au µm). Un diagramme de broyage multi-étapes à l'échelle pilote (>1kg) a permis d'obtenir une large gamme de tailles de particules, par 3 modes de sollicitation distincts: i) broyages à grille sélective produisant des tailles du grossier (800 µm) au fin (50 µm), ii) broyage à jet d'air (ultrafin, ~20 µm) et iii) broyage à boulets (ultrafin, ~10 µm). Une méthodologie d'analyse morphologique des particules a été développée par analyse d'images de microscopie optique. La paille soumise aux mécanismes complexes de rupture lors de broyages produit une forte variabilité des formes et compositions des particules. L'analyse multiple de co-inertie a permis d'évaluer de façon globale les morphologies des particules. Globalement, le broyage diminue la taille et les facteurs de forme des particules, avec quelques exceptions dues aux configurations matérielles. La dégradabilité enzymatique (saccharification) des poudres produites a été améliorée par la réduction de la taille des particules. Jusqu'à ~100 µm la solubilisation des polysaccharides augmente puis se stabilise à 36 % des polysaccharides totaux et 40 % de la cellulose. Seuls les échantillons issus du broyage à boulets dépassent cette limite et atteignent 46 % d'hydrolyse des polysaccharides totaux et 72 % de la cellulose. Ceci est lié à une augmentation de l'efficacité enzymatique due à la diminution de la cristallinité de la cellulose (de 22 à 13%). Ces résultats du broyage à boulets sont comparables à ceux de l'explosion à la vapeur, avec une meilleure préservation des hémicelluloses. Cette amélioration d'efficacité enzymatique s'est traduite par des dégradations anaérobies (biogaz) accélérées et légèrement augmentées (cas du broyeur à boulets). La décomposition aérobie dans le sol a été améliorée par le broyage grossier, mais les broyages plus fins n'ont pas entrainé de gain. Les caractéristiques de la paille broyée peuvent varier selon l'intensité et le mode de broyage. Bien que tous les broyages permettent la réduction de la taille, le broyage à grilles et le broyage à jet d'air n'engendrent pas de changements dans la structure fine des polymères pariétaux. Seul le broyage à boulets a engendré des changements de la structure interne des particules notamment en réduisant la cristallinité de la cellulose et en solubilisant partiellement les hémicelluloses. Ces résultats permettent de mettre en évidence que la fragmentation mécanique poussée par voie sèche est une alternative possible aux prétraitements utilisés en raffinerie végétale.