Le prétraitement de l’expansion de la fibre d’ammoniac, également connu sous le nom d’AFEX, est une méthode de traitement chimique qui peut être utilisée pour produire des combustibles renouvelables, des produits chimiques ou des aliments pour animaux à partir de parois cellulaires végétales, également connues sous le nom de biomasse lignocellulosique. Bien que l’AFEX ait été utilisé sur une variété de matériaux lignocellulosiques, il est plus efficace sur les graminées et les résidus agricoles à base d’herbe. Au cours de l’AFEX, l’hydroxyde d’ammonium hautement concentré réagit avec une biomasse pour briser les liens ester dans la paroi cellulaire de la plante et introduire nano dans les pores micrométriques.
Ceci facilite la déconstruction enzymatique des polysaccharides de paroi cellulaire. Le résultat final est un matériau végétal qui est plus facilement transformé biochimiquement en combustibles et produits chimiques ou qui peut être utilisé comme aliment pour animaux hautement digestible. L’AFEX présente un certain nombre d’avantages clés par rapport à d’autres processus de prétraitement.
Premièrement, l’AFEX a une faible consommation d’eau et est assez unique en ce qu’elle génère un matériau principalement sec qui peut être densifié et facilement expédié. Le processus AFEX produit également des quantités minimales d’inhibiteurs microbiens tels que les furans, ce qui le rend hautement compatible avec les processus de fermentation microbienne. Il est également possible de récupérer la majorité de l’ammoniac chimique de prétraitement qui améliore l’économie des procédés.
Le prétraitement à l’échelle pilote de l’AFEX et la récupération de l’ammoniac ont été démontrés à une tonne par jour dans l’usine pilote MBI située à Lansing, au Michigan. Le protocole suivant décrira les étapes du fonctionnement à l’échelle du laboratoire du processus AFEX. Jacob Aguado, l’un des étudiants de premier cycle travaillant dans notre groupe de recherche, démontrera cette technique.
Pour commencer, déterminez d’abord la teneur en humidité de la biomasse non traitée à l’aide d’un analyseur d’humidité. Pesez 25 grammes de biomasse et à l’aide d’un vaporisateur, ajustez la teneur en humidité de la biomasse végétale à l’aide d’eau distillée pour atteindre votre teneur en humidité cible. Pour la stover de maïs, c’est typiquement 0.6 grammes d’eau par gramme de biomasse sèche.
Mélanger l’échantillon à la main. Assembler la carrosserie du réacteur en plaçant un bouchon et un joint en téflon sur le fond du tube du réacteur. Transférer la biomasse humide à la base du réacteur assemblé et placer un bouchon de laine de verre au sommet de la biomasse.
Placez un joint en téflon sur le dessus du réacteur. Assurez-vous que la région est exempte de biomasse et de laine de verre, ce qui pourrait empêcher un joint efficace et placer la tête du réacteur sur le thermocouple de manœuvre supérieur à travers la laine de verre et la biomasse. Boulonner la pince vers le haut du réacteur à l’aide d’un cliquet uniformément des deux côtés.
Pesez le réacteur et enregistrez le poids. Confirmez que tout l’équipement est branché et opérable, réglez la mise à l’heure de résidence souhaitée pour chaque réacteur et l’échantillon à exécuter. Allumez la pompe à seringues programmable et installez la méthode de livraison d’ammoniac et économisez pour plus de commodité.
Vérifiez que toutes les vannes à l’intérieur et à l’extérieur du petit cylindre d’ammoniac sont fermées. Si le cylindre a été utilisé précédemment et contient de l’ammoniac résiduel ou de l’azote, ouvrez lentement la valve A sur le dessus du petit cylindre d’ammoniac pour saigner l’azote et fermer la vanne une fois que l’ammoniac liquide commence à pulvériser. Pour remplir le petit cylindre d’ammoniac, ouvrez le grand cylindre d’ammoniac anhydre et toutes les vannes de la ligne d’ammoniac.
Ouvrir lentement la valve B près du haut du petit cylindre d’ammoniac jusqu’à ce que la pression se stabilise. Attendez cinq minutes avant de passer à l’étape suivante. Fermez toutes les vannes entre le réservoir d’ammoniac et le petit cylindre d’ammoniac qui fonctionne de gauche à droite à partir de la petite valve b du cylindre et qui se termine à la soupape principale au-dessus du réservoir d’ammoniac.
Réglez le régulateur d’azote à 350 psi. Ouvrez la vanne sur le cylindre d’azote et la vanne sur le régulateur attaché. Ouvrez la valve C sur le petit cylindre d’ammoniac pour ajouter lentement de l’azote sur la pression du système.
Réglez la pression du petit cylindre à 350 psi au besoin en ajustant le point d’ensemble sur le régulateur. Gardez les lignes d’azote ouvertes tout en distribuant de l’ammoniac. Pour des températures de réaction supérieures à 100 degrés Celsius, vous devez préchauffer la biomasse et le réacteur avant d’ajouter l’ammoniac.
Branchez le moniteur de température au thermocouple et le ruban chauffant au contrôleur de température. Ajustez manuellement le contrôleur de température pour amener le réacteur jusqu’à 60 degrés Celsius. Calculer le volume d’ammoniac requis en fonction de la charge d’ammoniac souhaitée et d’un étalonnage de l’ammoniac précédemment déterminé.
Mettre en place la méthode dans la pompe à seringues pour charger la bonne quantité d’ammoniac, puis à l’ammoniac résiduel des lignes entre le petit cylindre d’ammoniac et la pompe à seringues en ouvrant et en fermant les vannes sur le fond du cylindre d’ammoniac vers l’échappement et les vannes sur la ligne de pompe de seringue. Déconnectez le réacteur du moniteur de température et du contrôleur de température. Fixez le réacteur à la connexion rapide.
Ouvrez la vanne D vers le petit cylindre d’ammoniac et la valve E vers le petit cylindre d’ammoniac. Appuyez sur la flèche verte sur la pompe pour démarrer la séquence et attirer de l’ammoniaque dans la seringue. Lorsque la seringue s’arrête automatiquement pendant la période d’attente, tournez la vanne de seringue vers le réacteur et la vanne d’entrée du réacteur de sorte qu’elle pointe vers la tige de raccordage rapide.
Après le délai, la seringue commencera à s’infuser, s’arrêtant automatiquement au point de jeu. Fermez la vanne et la vanne du réacteur D.Open valve F pour libérer l’ammoniac résiduel de la seringue, puis fermez la vanne F et fermez la vanne E.Open valve D vers l’échappement, puis fermez-la une fois que l’ammoniac résiduel est parti. Tout en portant des gants cryogéniques, retirez le réacteur de la connexion rapide.
Faites attention aux pulvérisations potentielles d’ammoniac. Démarrez la lavise du réacteur approprié. Pesez l’unité du réacteur pour vérifier que le poids approprié de l’ammoniac a été ajouté en fonction des calculs de la feuille de calcul.
Branchez le moniteur de température au thermocouple et le ruban chauffant au contrôleur de température. Enregistrez la température initiale et la pression du réacteur après l’ajout d’ammoniac. Ajustez manuellement le contrôleur de température pour amener le réacteur à la température réglée.
L’objectif est d’atteindre le point fixe en moins de cinq minutes. Enregistrez la pression et la température du réacteur toutes les trois minutes jusqu’à la fin du temps de résidence. À la fin du temps de résidence, déconnecter le réacteur du contrôleur de température et du thermocouple, retirer le réacteur du support et ouvrir lentement la vanne de dégagement de balle à l’intérieur du capot de fumée.
Portez toujours un écran facial pendant cette étape. Après avoir laissé refroidir le réacteur pendant quelques minutes, utilisez une clé à cliquet pour ouvrir les pinces du réacteur. Déchargez la biomasse et la laine de verre du réacteur à l’intérieur d’un capot de fumée.
Afin d’éviter la contamination aérienne de la biomasse à mesure que l’ammoniac résiduel s’évapore, il est préférable de sécher la biomasse à l’intérieur d’une boîte de séchage fermée à l’intérieur d’un espace ventilé. S’il est encore ouvert, fermez toutes les vannes et connectez-vous au cylindre d’ammoniac et à toutes les vannes de la ligne d’azote. Après le prétraitement de l’AFEX, la biomasse sera de couleur plus foncée, mais autrement visuellement inchangée.
AFEX génère un matériau hautement digestible à différentes échelles en plus de celui décrit dans ce protocole. Nous avons prétraité le même échantillon de stover de maïs à l’aide de notre système d’échelle de banc de lit emballé de 200 millilitres, d’un réacteur à énergie agitée de cinq gallons et du réacteur pilote de MBI qui est capable de traiter une tonne de biomasse par jour. Les conditions utilisées pour les deux petits réacteurs étaient un gramme d’ammoniac par gramme de biomasse sèche, 0,6 gramme d’eau par gramme de biomasse sèche pendant 30 minutes à 100 degrés Celsius.
L’échelle pilote AFEX a été effectuée sur le même matériau aux mêmes conditions, à l’exception que la charge d’ammoniac était de 0,6 gramme d’ammoniac par gramme de biomasse sèche. Les échantillons ont été hydrolysés de façon enzymatique pendant 72 heures à 6 % de chargement de glucane, de pH de cinq, 50 degrés Celsius et de 250 rpm dans un incubateur secouant. Un cocktail commercial d’enzymes a été chargé qui s’est composé de 60% cellulase et 40%hemi-cellulase à 15 milligrammes de protéine enzymatique par gramme de glucane.
Nos résultats démontrent que le prétraitement de l’AFEX augmente considérablement le rendement des sucres fermentescibles par rapport à la biomasse non traitée. De plus, les rendements d’hydrolyse de 72 heures pour la biomasse prétraitée à l’aide des trois procédés sont comparables les uns aux autres. Après le processus AFEX, les matériaux prétraités peuvent être stockés indéfiniment tant qu’ils restent secs et utilisés pour diverses expériences de conversion telles que l’hydrolyse et la fermentation enzymatiques à solides élevés, le biotraitement consolidé ou l’essai d’aliments pour animaux.
Une considération clé lors de la mise en œuvre des centres AFEX sur l’utilisation sûre de l’ammoniac anhydre. Les expériences AFEX devraient toujours être menées à l’intérieur d’un espace ventilé et les chercheurs devraient prendre les précautions de sécurité appropriées pour prévenir l’exposition à l’ammoniac et connaître la façon d’intervenir en cas d’urgence. En conclusion, le prétraitement de l’expansion de la fibre d’ammoniac est une méthode très prometteuse pour réduire les récalcitrants de biomasse et produire plus efficacement des combustibles, des produits chimiques et des aliments pour animaux à partir de matières premières végétales renouvelables.
