Effect of various pre-treatments onto oil palm frond leaves for bioethanol production as renewable bioenergy sources in fuel cell application

Effet du pré-traitement sur la production de bioéthanol à partir de feuilles de palmier à huile et application de bioéthanol comme énergie propre dans les piles à combustible Les feuilles de palmier à huile (OPFLs) sont l'un des sous-produits de la biomasse provenant des plantations de palmiers à huile. Actuellement, ces feuilles sont sous-évaluées, car elles peuvent être classées comme une matière première très récalcitrante en raison de leur teneur élevée en lignine et en hémicellulose. La présente étude propose une alternative à l'utilisation des OPFL comme source de bioénergie. Cette étude a mis en évidence l'impact de différents prétraitements sur les propriétés physicochimiques, la digestibilité enzymatique et l'efficacité de la fermentation des OPFL prétraitées. Chacun des prétraitements a révélé les caractéristiques distinctives qui influencent l'efficacité de la conversion de la cellulose en bioéthanol. Parmi les prétraitements physicochimiques, l'explosion à la vapeur est beaucoup plus efficace pour perturber la structure compacte de la paroi cellulaire des OPFLs que le prétraitement par autohydrolyse, par une vaste dissolution de l'hémicellulose et une dépolymérisation de la lignine. La pré-imprégnation avec H₂SO₄ avant l'explosion à la vapeur a permis d'améliorer l'élimination de l'hémicellulose jusqu'à 89.94 %. La teneur en cellulose de la pâte d'OPFLs prétraitée par autohydrolyse et explosée à la vapeur a été augmentée jusqu'à 31.03 wt.% et 39.18 wt.%, respectivement. Parallèlement, le prétraitement au NaOH dilué a amélioré la délignification de 87.14 %, ce qui a conduit à l'enrichissement de la fraction cellulosique jusqu'à 51.21 wt.%. L'analyse d'exclusion de taille (SEC) a révélé un schéma décroissant du degré de polymérisation pour tous les OPFLs cellulosiques prétraités au fur et à mesure que le facteur de sévérité s'intensifiait. En outre, l'analyse par diffraction des rayons X (XRD) a révélé que l'indice de cristallinité de la biomasse des OPFLs était augmenté de 40.85 %, 45.20 % et 47.59 % après l'autohydrolyse, l'explosion à la vapeur et le prétraitement au NaOH dilué. Les analyses de surface ont révélé une structure bien perturbée des OPFLs prétraitées, exposant une fraction cellulosique plus importante avec une surface spécifique plus élevée allant de 4.875 m² g⁻¹ à 9.701 m² g⁻¹. L'analyse 2D-résonance magnétique nucléaire à cohérence quantique unique hétéronucléaire (HSQC-NMR) a confirmé la réduction de la liaison ß-O-4 pour la lignine extraite des OPFL prétraitées par autohydrolyse et explosées à la vapeur, vérifiant le clivage de la liaison lignine-glucides de la biomasse des OPFLs. L'analyse enzymatique a révélé que les OPFL prétraitées donnaient un rendement en glucose plus élevé allant de 29.81 wt.% à 49.98 wt.%, le plus élevé étant atteint par les OPFL prétraitées au NaOH dilué, qui était ~3 fois plus élevé que les OPFLs brutes (i.e.:14.31 wt.%). Par ailleurs, une conversion maximale de la cellulose (i.e.:100 %) a été atteinte par la pulpe de OPFL expulsée à la vapeur après 72 heures d'hydrolyse enzymatique. Le rendement en bioéthanol le plus élevé a été atteint par les OPFL prétraitées au NaOH dilué, soit 24.28 wt.% en poids, suivi par les OPFL imprégnées d'acide et explosées à la vapeur (22.47 wt.%), soit 94.19 wt.% et 81.63 wt.% d'efficacité de fermentation. Enfin, les analyses électrochimiques ont révélé que le bioéthanol produit présentait une capacité énergétique prometteuse avec des valeurs Vcell et Rct de 0.447 V et 7.105 Ω cm², respectivement, qui étaient comparables à celles d'un éthanol analytique. Le rendement énergétique estimé du bioéthanol produit était de 34.90 % avec une densité de puissance de la pile à combustible de 16.40 W cm⁻². En résumé, cette étude a conclu que l'application de différents prétraitements s'est avérée efficace pour améliorer la conversion des OPFL en bioéthanol. En outre, cette étude a confirmé que le bioéthanol produit possédait une capacité énergétique comparable à celle de l'éthanol analytique, qui peut être utilisé comme biocarburant alternatif pour l'application directe des piles à combustible à l'éthanol.