Vers l’Optimisation de l’Extrusion bi-vis pour la Bioraffinerie des biomasses LIgno-Cellulosiques et l’obtention d’Agromatériaux
Acronyme : OEBLICA (GRAINE 2023)
Programme : GRAINE (Phase 2) - Production, valorisation des biomasses et préservation des écosystèmes 
Mots-clés : Economie circulaire / Déchets / Sols / Agriculture / Forêt / Eco-conception
Contexte : L’extrusion bi-vis est un procédé fréquemment rencontré dans la bioraffinerie, incontournable dans de nombreuses applications. Par son aptitude à traiter des matières concentrées (ou de rapport Liquide/Solide (L/S) faible, i.e. < 50%) et son caractère polyvalent, cette technologie permet de réaliser en continu plusieurs opérations unitaires : broyage, déstructuration (défibrage, solubilisation), mélange, extraction, modifications chimique et/ou enzymatique, séparation, mise en forme, etc. Technologie souple et polyvalente, elle a l’avantage de pouvoir traiter en continu une grande variété de matières premières.
Description : L’extrusion bi-vis est un procédé fréquemment rencontré dans la bioraffinerie. C’est un procédé continu, qui apporte à la matière un traitement à la fois mécanique et thermique, pendant un temps court (~ 1mn), avec de faibles quantités d’effluents (rapport liquide/solide < 50%). L’enjeu du projet est de prévoir ses variables de sortie (pression, température de la matière, énergie spécifique, temps de séjour...) en fonction des paramètres d’entrée (matière première, conditions opératoires, configuration des vis et de la filière), et de relier ces variables à des critères de qualité spécifiques à chaque application, à l’aide d’un modèle mécanique simple. L’extrusion bi-vis est traditionnellement utilisée pour mettre en forme des mélanges de matériaux et des produits complexes (polymères renforcés de fibres, nanocomposites, encapsulation d’arômes, mélanges céréaliers et protéiques...), en réalisant des transformations physiques et éventuellement des réactions chimiques (extrusion réactive). Dans ces cas, la matière en cours d’extrusion est généralement considérée comme un fluide de forte viscosité (~ 103 Pa.s) et il existe des outils de simulation numérique, basés sur des modèles thermo-mécaniques, permettant de calculer les principales variables du procédé. Dans ce projet, ce type de modèle sera testé pour établir sa pertinence par rapport à deux applications différentes de la bioraffinerie et ainsi déterminer les connaissances nécessaires pour son utilisation en tant qu’outil de prévision de la qualité des matériaux extrudés. En particulier, le modèle développé sera appliqué à des procédés d’extraction et de séparation liquide/solide. Lors d’un tel fractionnement de la matière, l’extrudeur bi-vis se comporte comme un véritable réacteur continu capable de la transformer physiquement et chimiquement, et peut conduire à l’obtention séparée d’un extrait liquide et d’un raffinat solide, lorsque le fourreau de l’extrudeur est équipé, en fin de profil de vis, juste avant la filière, d’un module de filtration. Deux cas d’études seront abordés au cours du projet OEBLICA : le fractionnement aqueux de la plante entière de tournesol permettant l’extraction simultanée de l’huile sous la forme d’émulsions huile/eau et de protéines, et celui de l’extraction de polyphénols à l’eau subcritique à partir de différentes essences de bois. Il s'agit là de deux exemples représentatifs de la bioraffinerie en ce sens qu’ils permettent une co-valorisation des deux fractions générées lors du procédé d’extrusion : l’extrait liquide, pour des applications en alimentaire et/ou pour l’industrie des cosmétiques par exemple, et le raffinat solide (également appelé extrudat) pour l’obtention de matériaux biosourcés de moindre impact environnemental.
Objectifs et résultats attendus : Objectifs scientifiques et techniques Le projet OEBLICA vise à établir une démarche conjointe de modélisation de l’extrusion bi-vis au service de la bioraffinerie, en appliquant un outil de simulation numérique pour l’élaboration de co-produits à haute valeur ajoutée. i) L’établissement d’un recueil des connaissances sur la modélisation dans le domaine de l’extrusion bi-vis de biomasses en lien avec des applications d'expression/extraction ii) Acquisition des données entrées et sorties iii) Modélisation et simulation Le projet OEBLICA apportera ainsi des méthodes combinant des mesures expérimentales avec des résultats de simulations thermomécaniques du procédé d’extrusion bi-vis afin d’offrir un modèle prédictif pour chaque cas d’étude ciblé, actuellement inexistant dans la littérature scientifique, et tracera une approche générale pour la modélisation des procédés de bioraffinerie. Objectifs socioéconomiques et réglementaires Les résultats permettront de guider les utilisateurs industriels vers une utilisation plus efficace et une diversification de l’extrusion de tournesol plante entière et d’essences de bois. En publiant les résultats du projet dans des revues à accès libre, l'approche de modélisation sera accessible à un large public, notamment les industriels. Objectifs environnementaux OEBLICA mettra en exergue toutes les potentialités de l’extrusion bi-vis pour des applications en industrie, à savoir le recours à un volume de solvant limité lorsque l’outil bi-vis est mis en œuvre comme un extracteur L/S continu (-50% en comparaison d’une extraction réalisée en réacteur batch), sa faible production d’effluents et sa consommation énergétique modérée, issue exclusivement de l’électricité, faisant de la technologie bi-vis un procédé respectueux de l’environnement. L'évaluation environnementale a minima qualitative d'un des cas d'étude sera réalisée.
Bénéficiaire : INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE POUR L'AGRICULTURE L'ALIMENTATION ET L'ENVIRONNEMENT
Localisation : Haute-Garonne, Occitanie, FRANCE
Début : 01/11/2025 — Durée : 36 mois
Budget total : 647874.06 € — Aide ADEME : 299959.31 €
Statut : Suivi du projet