Biorefinery, fibre, ethanol, hemicellulose, wood, bois, bioraffinerie

Study of the impact of hemicellulose extraction from wood on cellulose fibres and ethanol production as part of a lignocellulosic biorefinery

Étude de l’impact de l'extraction des hémicelluloses du bois sur les procédés d'obtention de cellulose et d'éthanol dans le cadre d'une bioraffinerie lignocellulosique

Lucie Boiron

PhD thesis defended on September 7, 2012
Thèse soutenue le 7 Septembre 2012


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Abstract

Biofuel revival could be a great opportunity for the chemical pulp industry to widen the range of its products made from wood. This thesis deals with the integration of a softwood hemicellulose extraction step prior to the Kraft pulping process in order to produce both cellulose fibres and bioethanol.

In this study the experimental work covers the entirety of the process: from the extraction of more than half of the hemicelluloses from wood either by autohydrolysis or dilute acid hydrolysis to the production of bleached cellulosic fibres as well as ethanol from fermentated wood hydrolyzates.

Prehydrolyzed wood and their subsequent pulps stood out by their excellent delignification ability during Kraft cooking and oxygen bleaching. Quantitative analysis of the main constituants of the pulps showed why prehydrolysis leads to decreased Kraft pulp yields (extra lignin loss and hemicelluloses loss including xylans). A range of hypotheses to explain the good delignification ability of prehydrolyzed wood Kraft pulps during oxygen bleaching was narrowed to one by Kraft lignin analysis.

The overall results of the hemicellulose extraction prior to Kraft pulping as it has been defined in this study showed that from 100 kg of softwood, 27 to 36 kg of bleached cellulosic fibres and 6 litres of ethanol could be produced. The bleached cellulosic fibres are of great interest for dissolving pulp or cellulose nanocrystals production.

Résumé

Le renouveau des biocarburants pourrait être aussi celui de l'industrie chimique de la pâte à papier, en diversifiant l'éventail des produits fabriqués à partir de bois. Cette thèse porte sur l'intégration d'une extraction des hémicelluloses du bois au procédé Kraft dans le cadre d'une co-production de fibres cellulosiques et de bioéthanol.

Le travail expérimental de cette étude balaie l'ensemble du procédé depuis l'extraction de plus de la moitié des hémicelluloses de bois de résineux, par autohydrolyse ou par hydrolyse à l'acide dilué, jusqu'à la production de fibres cellulosiques blanchies et d'éthanol obtenu par la fermentation des hydrolysats.

Les pâtes de bois préhydrolysé se sont distinguées par de très bonnes aptitudes à la délignification lors de la cuisson Kraft et lors du blanchiment à l'oxygène. Une analyse des constituants des pâtes de bois préhydrolysé a permis de comprendre pourquoi la préhydrolyse conduit à une diminution du rendement de cuisson (perte de lignine et de la totalité des hémicelluloses dont les xylanes). L'analyse des lignines de pâtes écrues de bois préhydrolysé a permis d'émettre une hypothèse quant à l'excellente aptitude de ces pâtes à la délignification lors du blanchiment à l'oxygène.

En définitive, l'intégration d'une extraction des hémicelluloses à une usine Kraft telle qu'elle est proposée par cette étude permet d'obtenir à partir de 100 kg de bois de résineux, 27 à 36 kilogrammes de fibres cellulosiques blanchies et jusqu'à 6 litres de bioéthanol. Ces fibres cellulosiques blanchies présentent des caractéristiques attrayantes pour la production de cellulose à usage chimique ou de nanocristaux de cellulose.

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