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De la biomasse aux produits chimiques en une seule étape
Une entreprise naissante issue de l'Université du Massachusetts, à Amherst, envisage de commercialiser un procédé catalytique pour convertir la biomasse cellulosique en cinq des produits chimiques présents dans l'essence. Ces produits chimiques sont également utilisés pour fabriquer des polymères et des solvants industriels. Anellotech , qui recherche des fonds de capital-risque, prévoit de construire une usine pilote l'année prochaine.
De la sciure à l'essence : Un processus appelé pyrolyse catalytique convertit la biomasse, comme la sciure de bois, en produits chimiques précieux. De gauche à droite : sciure de bois ; produits chimiques de type boue produits sans catalyseur ; le catalyseur en poudre ; le mélange de molécules aromatiques réalisé avec le catalyseur.
Les réacteurs d'Anellotech exécutent un processus appelé pyrolyse catalytique, qui convertit trois des molécules structurelles présentes dans les plantes - deux formes de cellulose et la molécule ligneuse lignine - en carburants. La biomasse broyée est introduite dans un réacteur à haute température et mélangée à un catalyseur. La chaleur provoque la décomposition chimique de la cellulose, de la lignine et d'autres molécules de la biomasse par le biais d'un processus appelé pyrolyse ; un catalyseur aide à contrôler les réactions chimiques, transformant la cellulose et la lignine en un mélange de molécules à base de carbone : benzène, toluène et xylènes.
Le marché mondial de ce groupe de produits chimiques est de 80 milliards de dollars par an et croît à un taux de 4 % par an, a déclaré David Sudolsky, PDG d'Anellotech. Nous visons à concurrencer le pétrole au prix de 60 dollars le baril, en supposant qu'il n'y ait pas de crédits d'impôt ni de subventions, dit-il. Le fondateur de l'entreprise, Georges Huber , affirme que son processus de pyrolyse catalytique peut créer 50 gallons de produits chimiques par tonne métrique de bois ou d'autre biomasse, avec un rendement de 40 pour cent. Les autres produits de la réaction comprennent le coke, utilisé pour alimenter le réacteur.
L'avantage de la pyrolyse est qu'elle utilise toute la biomasse, explique John Regalbuto, conseiller du programme de catalyse et de biocatalyse de la National Science Foundation. En moyenne, la lignine représente 40 pour cent de l'énergie stockée dans la biomasse entière. Mais parce qu'elle ne peut pas être convertie en sucres comme la cellulose, la lignine ne peut pas être utilisée comme matière première pour les processus de fermentation tels que ceux utilisés par certaines entreprises de biocarburants pour convertir la canne à sucre en carburants.
La pyrolyse est également différente de la gazéification, un autre procédé d'utilisation de la biomasse entière. La gazéification produit un mélange de carbone et d'hydrogène appelé gaz de synthèse, qui peut ensuite être utilisé pour fabriquer du carburant. La pyrolyse, en revanche, transforme la biomasse en combustibles liquides en une seule étape. Et tandis que la gazéification ne peut être effectuée économiquement qu'à très grande échelle, explique Regalbuto, la pyrolyse catalytique pourrait être effectuée dans des raffineries plus petites distribuées à proximité de l'approvisionnement en biomasse.
La pyrolyse est un moyen efficace d'utiliser la biomasse, mais il est difficile de contrôler les produits de la réaction, et il est difficile d'obtenir des rendements élevés. Les clés du processus d'Anellotech, dit Huber, sont un catalyseur spécialement conçu et un réacteur qui permet un bon contrôle des conditions de réaction. Le groupe de Huber à UMass, où il est professeur de génie chimique, a été le premier à développer un procédé catalytique pour convertir directement la biomasse en essence, et les procédés d'Anellotech sont basés sur ce travail.
Jusqu'à présent, Huber a développé deux générations de réacteurs en laboratoire. Lors des tests, le groupe part des déchets de sciure d'une scierie locale. La biomasse broyée est introduite dans un réacteur à lit fluidisé. À l'intérieur, un catalyseur solide en poudre tourbillonne dans un mélange de gaz chauffé à environ 600 ºC. Lorsque le bois pénètre dans la chambre, il se décompose rapidement, ou pyrolyse, en petites molécules d'hydrocarbures instables qui diffusent dans les pores des particules de catalyseur. À l'intérieur du catalyseur, les molécules sont reformées pour créer un mélange de produits chimiques aromatiques. Le processus de réaction prend un peu moins de deux minutes.
La société n'a pas voulu divulguer de détails sur le catalyseur, mais Huber affirme que l'une de ses propriétés les plus importantes est la taille de ses pores. Si les pores sont trop gros, ils se bouchent avec du coke, et s'ils sont trop petits, les réactifs ne peuvent pas s'intégrer, explique Huber. Le catalyseur de la société est une structure poreuse de silicium et d'aluminium à base de ZSM-5, un catalyseur de zéolite développé par Mobil Oil en 1975 et largement utilisé dans l'industrie du raffinage du pétrole. Sudolsky dit qu'il peut être fabriqué à moindre coût par des entrepreneurs. Les réacteurs d'Anellotech sont très similaires à ceux utilisés pour raffiner le pétrole. Mais les réacteurs de l'entreprise sont conçus pour assurer un transfert de chaleur rapide et une dynamique des fluides qui garantissent que les réactifs pénètrent dans un catalyseur avant qu'ils ne se transforment en coke.
Stefan Czernik , un scientifique principal au National Bioenergy Center du National Renewable Energy Laboratory à Golden, CO, prévient que le processus n'a jusqu'à présent été démontré qu'à petite échelle et que la complexité de ces réacteurs pourrait signifier un long chemin à parcourir pour les développer. Il n'est pas facile de reproduire à grande échelle la relation entre la réaction chimique et le transfert de chaleur comme cela se fait en laboratoire, dit-il.
Après avoir fait la démonstration du processus dans une usine pilote l'année prochaine, Anellotech espère s'associer à une entreprise chimique pour construire une installation à l'échelle commerciale en 2014. Sudolsky dit que l'entreprise va soit autoriser le processus de pyrolyse catalytique à d'autres entreprises, soit construire des usines distribuées à proximité de sources de biomasse, car le transport de la biomasse n'est pas économiquement viable.