Brevet FR2525236A1 — publié le 19831021

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif d'hydrolyse d'une matière cellulosique par passage de celle-ci dans une extrudeuse. On connatt depuis longtemps des procédés de saccharification par des acides dilués de la cellulose contenue dans des matières cellulosiques telles que, par exemple, le bois, les vieux papiers ou des déchets de biomasse. Dans le procédé BERGIUS, le bois fragmenté est traité par l'acide chlorydrique à 40 % et' l'hydrate de carbone obtenu est soumis à une hydro- lyse à l'acide dilué. Dans le procédé Scholler, on réalise une percolation sous pression de la matière cellulosique qui passe à contre-courant dans plusieurs perco- lateurs placés en séries. Dans les deux cas, les installations comprennent un grand nombre d'ap- pareils onéreux et encombrants et ne peuvent 9 tre rentables que pour des pro- ductions importantes. On a également proposé récemment de réaliser la réaction d'hydrolyse une dans une extrudeuse La matière cellulosique, réduite sous/forme suffisamment divisée est introduite à l'état humide, la teneur en eau pouvant fttre de 30 %, à l'extrémité amont du fourreau d'une extrudeuse comprenant deux -vis paral- lèles entraînées en rotation et qui transportent la matière vers l'extrémité aval du fourreau Celui-ci est chauffé de telle sorte que, dans la partie aval, la matière transportée atteigne une température de l'ordre de 2400. L'eau se sépare par évaporation et peut être évacuée par l'extrémité amont. La matière devient dont plus dense et se comprime progressivement au cours de son transport vers l'aval, les vis se terminant à cet effet par des zones de freinage comportant par exemple des filets à pas inversés La pression dans l'orifice de sortie peut atteindre 35 bars La matière subit un malaxa- ge intense sous l'action des vis, en m&me temps qu'uneélévation de tempéra- ture/ e pression, et est mise au contact d'une solution ('acide sulfurique introduite dans la partie aval du fourreau La çellulose se transforme alors très rapidement en glucose qui est entrainée vers l'orifice de sortie, celui- ci étant fermé par une soupape destinée à contrôler l'évacuation de la matiè- re hydrolysée en maintenant la pression à une valeur supérieure à la pression de vapeur saturante de l'eau à la température de sortie De la sorte, la quantité d'eau entrainée vers l'aval avec la matière reste sous forme d'une phase liquide dans laquelle se dilue le glucose formé par hydrolyse en constituant un sirop. La masse de matière évacuée à la sortie est donc constituée par les résidus solides contenant la lignine, associés à une phase liquide contenant le glucose dissous et les résidus d'acide Le bouchon ainsi formé à l'ex- trémité aval du fourreau est évacué de façon discontinue par la soupape dans un pot de détente faisant office de cyclone, dans lequel on récupère une pâ- te glucosée contenant des glucosides, la lignine, de la cellulose n'ayant pas réagi, du furfural et de l'eau condensée, la plus grande partie de l'eau s'échappant sous forme de vapeur à la partie supérieure du pot de détente. Malgré les avantages apportés par l'utilisation d'une extrudeuse pour effectuer la réaction d'hydrolyse, ce procédé présente donc l'inconvénient de fournir de façon discontinue tous les produits solides ou pateux dans un meme jet dont il faut ensuite extraire les glucides après neutralisation par un procédé connu. L'invention a pour objet des perfectionnements à ce procédé et une nouvelle installation à la sortie de laquelle on obtient de façon continue d'une part un sirop glucosé dont il est facile d'extraire les glucides et d'autre part un résidu solide ne contenant qu'une faible partie des sucres formés. Conformément à l'invention, le dispositif de contr 8 le de l'évacuation sous pression de la matière hydrolysée est constitué par une seconde extru- deuse disposée transversalement à l'extrudeuse d'hydrolyse et comprenant également au moins deux vis entrainées en rotation à l'intérieur d'un four- reau muni, dans sa partie centrale, d'un orifice d'entrée de la matière hy- drolysée venant de la première extrudeuse, à son extrémité aval, dans le sens de transport des vis, d'une filière d'extrusion pour l'évacuation de la face solide de la matière sous forme d'un bouchon continu étanche à la pression atteinte dans le fourreau et, à son extrémité amont, d'un orifice d'évacua- tion de la phase liquide expulsée par la compression et contenant le gluco- se dissous, ledit orifice amont étant muni d'un détendeur réglé à une pression supérieure à la pression de vapeur saturante. Ainsi, grâce à l'utilisation, pour le contrôle de l'évacuation de la matière, d'une seconde extrudeuse transversale à la première, on réalise dans celle-ci une séparation de la phase liquide et de la phase solide de la matière hydrolysée avec maintien de la presson de sortie; la phase solide, en- trainée vers l'aval par la rotation des vis, est extrudée dans une filière pour former un bouchon continu alors que la phase liquide contenant ledit glucose dissous et expulsée par la compression se concentre dans la partie amont d'o elle est évacuée par un orifice muni d'un détendeur que l'on règle à une pression supérieure à la pression de vapeur saturante, les caractéris- tiques d'extrusion étant régléespour l'obtention dans la filière d'un bouchon de matière solide compriméeet étanche à cette pression. L'invention sera mieux comprise par la description d'un mode de réa- lisation particulier donné à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés. La figure 1 représente le dispositif en élévation, en coupe par un plan passant par l'axe d'une vis de l'extrudeuse. La figure 2 est une vue en plan, en coupe selon II-Il, figure 1. Sur les figures, on a représenté à titre d'exemple une extrudeuse 1 à deux vis pour la réalisation, de façon connue, de la réaction d'hydrolyse. L'extrudeuse comprenddonc deux vis parallèles 11 et 12 entrainées en rotation par un moteur non représenté à l'intérieur du fourreau 1 qui les enveloppe Celui-ci est muni, à son extrémité amont dans le sens du trans- port des vis, d'un orifice d'alimentation 13 par lequel est introduite la matière cellulosique 2, par exemple des déchets de bio-masse, au moyen d'un dispositif doseur 21. Le long du fourreau 1 sont disposés des enceintes de chauffage ou de refroidissement 14 qui permettent de régler l'élévation de température de l'amont à l'aval, celle-ci devant atteindre une valeur de l'ordre de 2400 C à l'extrémité aval. Dans la partie aval de l'extrudeuse est introduite une solution d'a- cide diluée, normalement de l'acide sulfurique, par une conduite 3 munie d'une pompe doseuse 30, à partir d'un réservoir 31 D'autre part, une conduite 32 permet d'introduire de la vapeur d'eau près de la sortie de l'extrudeuse, pour régler, le cas échéant, la température de la matière et le taux d'humi- dité. La matière introduite par l'orifice 13 et contenant par exemple 30 % en poids d'eau, est transportée vers l'aval par la rotation des vis Il et 12 et est soumise à un malaxage intense, à une compression progressive et en m'eme temps à une élévation de température La plus grande partie de l'eau peut s'évacuer sous forme de vapeur par l'extrémité amont et par l'orifice d'entrée 13, une autre partie étant entrainée avec la phase solide. A l'extrémité aval, les deux vis 11 et 12 sont munies d'une zone de freinage 15 qui peut être constituée de filets à pas resserré ou inversé munis de préférence de fenêtres 150 laissant passer vers l'aval un débit contrôlé de matière, de façon à provoquer une montée en pression de la ma- tière jusqu'à une valeur déterminée Ainsi, à la sortie 16 de l'extreude 1, la matière peut atteindre par exemple une pression supérieure à 30 bars La température étant de l'ordre de 2400 C,cette pressbn est supérieure à la pres- sion de vapeur saturante de l'eau qui reste ainsi mélangée sous forme liquide auxrésidus solid% constitués essentiellement par la lignine Le glucose formé par hydrolyse reste dissous à l'intérieur du mélange-extrudé. Selon la caractéristique essentielle de l'invention, l'extrudeuse d'hydrolyse ( 1) débouche à sa sortie 16, dans la partie médiane d'une seconde extrudeuse 4 disposé transversalement à la première et comprenant un four- reau 40 à l'intérieur duquel sont entraînées en rotation deux vis parallèles 41 et 42 dont les axes sont de préférence placés dans un plan perpendiculaire aux axes des deux vis Il et 12. Pour éviter les zones mortes, il peut être intéressant, comme on l'a représenté sur la figure 2, de placer un convergent 16 dans l'axe de chaque vis 11 et 12, de façon que chacune débouche dans une vis 41,42 correspondante. Le fourreau 40 est muni à son extrémité aval, dans le sens de trans- port des vis, d'une filière d'extrusion 43 et constitue une enceinte étanche à la pression régnant dans l'orifice de sortie 16, les passages des arbres des deux vis 41 et 42 étant-notamment muni de joints d'étanchéité 49. A son autre extrémité, en amont de l'orifice 16, le fourreau 40 est muni d'autre part d'un orifice 44 sur lequel est branché une conduite d'é- vacuation 45 qui est reliée à un pot de détente 5 par l'intermédiaire d'un détendeur 50. Par ailleurs, les deux vis 41 et 42 sont munies*à leurs extrémités avalde filets à pas inversés 46 munis de fenêtres 460 permettant de laisser passer vers l'aval un débit contrllé de matière De la sorte la pression s'é- lève jusqu'à une valeur qui peut 'être comprise entre 80 et 1-50 bars. Il en résulte que la pàte glucosée sortant par l'orifice 16 et prise en charge par les vis 41, 42 de l'extrudeuse de sortie 4 est soumise dans celle-ci à une séparation de phases la phase solide étant entraînée vers l'a- val alors que la phase liquide est expulsée et vient se concentrer dans la partie amont 47 de l'extrudeuse 4 Cet effet est dû notamment à l'utilisation d'une extrudeuse à deux vis de préférence identiques et éntrainées en rota- tion dans le même sens. En effet, lorsque les vis sont entraînées dans le mêrme sens, il se produit à l'intérieur de chaque filet une accumulation de matières solides en amont de la zone d'engrènement 48 alors que la partie restante du filet est détendue En effet, la matière entraînée autour de l'arbre par la rota- tion de la vis à tendance à passer sur le filet correspondant de l'autre vis mais doit pour cela franchir, la zone d'engrènement qui a une sectionplus étroite, ce qui provoque une compression en amont Au fur et à mesure de l'a- vancement vers l'aval, les filets se remplissent de plus en plus et sont complètement remplis de matière comprimée dans la zone 46 à pas inversés. Cependant, dans la partie o les filets ne sont pas complètement remplis, la phase liquide expulsée par la compression de la phase solide se rassemble dans les zones détendues et peut ainsi remonter de filet en filet dans la partie amont 47 de l'extrudeuse Les matières solides qui auraient pu remon- ter également ves l'amont sont renvoyées vers l'aval du fait de la rotation des vis qui se raclent mutuellement si bien que l'on ne trouve à la hauteur de l'orifice de sortie 44 qu'un sirop concentré constitué de la phase liquide contenant le glucose dissous Le détendeur 50 est réglé pour maintenir la pression dans le fourreau 40 à une valeur supérieure à la pression de vapeur saturante de telle sorte que le sirop soit en phase liquide Un manomètre 51 permet de vérifier la pression et de régler le détendeur 50 en conséquence. A l'extrémité aval, du fait de l'utilisation de vis co-rotatives, on peut obtenir une étanchéité suffisante dans la zone de freinage 46 à pas in- versés Cependant, par prudence, on peut faire déboucher l'extrudeuse 4 dans un convergent muni soit d'une filière unique 43 soit de deux filières placées respectivement chacune dans l'axe d'une vis de façon à former par extrusion un bouchon étanche à la pression mgnant dans le fourreau 40. En effet, gr 9 ce à l'effet de pompage résultant de l'utilisation de deux vis co-rotatives, on peut extruder une matière pratiquement sèche. L'utilisation de deux extrudeuses transversales, l'une pour l'hydro- lyse et l'autre pour le maintien de la pressbn et l'évacuation de la matière hydrolysée présente l'avantage important de permettre le réglage séparé des deux extrudeuses Ainsi, l'extrudeuse d'hydrolyse I peut tre réglée en te- nant compte uniquement des conditions de réalisation de la réaction d'hydroly- se, la pression étant maintenue par l'extrudeuse de S rtie 4 et déterminée par le réglage du détendeur 50; la vitesse des vis de l'extrudeuse ( 4) est réglée en permanence pour s'ajuster à la viscosité et au débit de la matière sortant de l'orifice 16 pour obtenir dans la filière 43 un bouchon de matière sèche étanche à la pression régnant dans l'extrudeuse 4 La matière sèche sortant de celle-ci ne contient qu'une quantité très réduite de sucre qui peut être récu- péréeultérieurement, la plus grande partie du glucose restant dissoute dans le sirop qui est évacué par la conduite 45 dans le pot de détente 5 Dans celui- ci, la phase liquide s'évapore et est évacuée par la cheminée 52 alors que le glucose se condense sur les parois fluides du pot de détente 5 Il peut s'éta- blir ainsi un régime d'équilibre, les conditions d'extrusion étant réglées sé- parément dans chaque vis en surveillant les différents paramètres, température pression, concentration du sirop à la sortie, viscosité etteneur en eau des résidus solides etc La séparation de phases effectuée, selon l'invention, dans l'extru- deuse de sortie 4 présente également l'avantage d'éloigner presque dès sa formation, le sucre contenu dans la phase liquide de la lignine contenue dans la phase solide et ainsi de diminuer le risque d'inversion de la réaction qui peut se produire, dans une certaine mesure, dans les autres procédés, lorsque le sucre formé reste trop longtemps au contact de la lignine. En outre l'utilisation d'une extrudeuse séparée pour le contrale de la sortie des matières permet d'isoler thermiquement celle-ci de la zone d'hydrolyse et de contrôler la température des matières à la sortie A cet effet, on peut disposer le long du fourreau 40 plusieurs enceintes de refroi- dissement/parcourues par un fluide caloporteur par exemple une autour de la partie amont et une autre autour de la partie aval. Dans la partie aval, on peut régler la température de la phase solide évacuée pour diminuer encore le risque d'inversion de la réaction si l'on craint que le temps de séjour ne dépasse une limite fixée, par exemple 20 se- condes. De m Eme, on peut refroidir la phase liquide contenue dans la partie amont pour faciliter la détente tout en maintenant la pression à la valeur voulue. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui a été décrit, et d'autres variantes pourraient être imaginées en utilisant des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Procédé d'hydrolyse d'une matière cellulosique par passage de celle-ci dans une extrudeuse ( 1) comportant au moins deux vis parallèles ( 11,12) entraînées en rotation à l'intérieur d'un fourreau ( 1) dans lequel la matière introduite à l'état humide et transportée par les vis ( 11,12) en- tre un orifice d'entrée ( 13) et un orifice de sortie ( 16) placés aux deux extrémités, respectivement amont et aval du fourreau ( 1), est malaxéeetchauf- fée jusqu'à atteindre une température supérieure à 2000 C dans la partie aval de l'extrudeuse o elle est mise au contact d'une solution acideet progres- sivement comprimée, l'orifice de sortie ( 16) étant muni d'un dispositif ( 4) de contr 8 le de l'évacuation de la matière hydrolysée susceptible de maintenir à la sortie de l'extrudeuse une pression supérieure à la pression de vapeur saturante de la phase liquide de la matière hydrolysée à la température at- teinte dans la partie aval, caractérisé par le fait que l'on réalise dans le dispositif ( 4) de contr 8 le de l'évacuation de la matière, une séparation de la phase liquide et de la phase solide de la matière hydrolysée avec maintien de la pression de sortie, par l'utilisation à cet effet d'une seconde extru- deuse comprenant deux vis ( 41,42) d'axes perpendiculaires à celui de l'extru- deuse d'hydrolyse ( 4)etentrainées en rotation à l'intérieur d'un fourreau ( 40) dans la partie centrale duquel débouche la matière hydrolysée venant de la première extrudeuse ( 1) et dans lequel on maintient une pression supérieure à lapression de vapeur saturante de la phase liquide en réglant les caracté- ristiques d'extrusion pour former, à l'extrémité aval ( 43) de l'extrudeuse de sortie ( 4), un bouchon de matière comprimée étanche à la dite pression, celle-ci étant réglée au moyen d'un détendeur ( 50) contrôlant l'évacuation de la phase liquide concentrée dans la partie amont ( 47) de l'extrudeuse et dans laquelle est dissous le glucose formé par hydrolyse. 2. Procédé d'hydrolyse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on maintient à la sortie de l'extrudeuse d'hydrolyse ( 1) et dans l'extrudeuse de sortie ( 4) une pression supérieure à 30 bars, de préférence 35 bars. 3. Procédé d'hydrolyse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on règle séparément les vitesses de rotation des vis des deux ex- trudeuses, respectivement d'hydrolyse ( 1) et de sortie ( 4). 4. Procédé d'hydrolyse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on refroidit la partie aval de l'extrudeuse de sortie ( 4) de telle sorte que la phase solide évacuée soit à une température interdisant l'inver- sion de la réaction d'hydrolyse au contact de la lignine. 5. Dispositif d'hydrolyse d'une matière cellulosique constituée d'une extrudeuse ( 1) comportant au moins deux vis parallèles ( 11,12) entraînées en rotation à l'intérieur d'un fourreau ( 1) qui les enveloppe, la matière introduite à l'état humide par un orifice d'alimentation placé à l'extrémité amont du fourreau et transportée par les vis jusqu'à l'extrémité aval, étant soumise au cours de son transport à un chauffage jusqu'à une température supérieure à 2000 C et à un malaxage avec compression progressive jusqu'à une pression supérieure à la pression de vapeur saturante de la phase liquide à la température atteinte à l'extrémité aval et maintenue par undispositif ( 4) de contr'le de l'évacuation de la matière fermant l'extrémité aval de l'ex- trudeuse ( 1), caractérisé par le fait que le dispositif ( 4) de contr 8 le de l'évacuation sous pression de la matière hydrolysée est constitué par une se- conde extrudeuse disposée transversalement à la première et comprenant égale- ment au moins deux vis ( 41,42) entraînées en rotation à l'intérieur d'un four- reau ( 40) constituant une enceinte étanche munie dans sa partie centrale d'au moins un orifice ( 16) d'entrée de la matière hydrolysée venant de la première extrudeuse et, à son extrémité aval dans le sens de transport des vis, d'une zone de freinage ( 46) pour l'évacuation de la phase solide de la matière sous forme d'un bouchon continu étanche à la pression atteinte dans le fourreau ( 40) et, à son extrémité amont ( 47), d'un orifice ( 44) d'évacuation de la-phase liquide expulsée par la compression et contenant le glucose dissous, ledit orifice amont ( 44) étant fermé par un détendeur ( 50) réglé à une pression su- périeure à la pression de vapeur saturante. 6. Dispositif d'hydrolyse selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'extrudeuse d'évacuation ( 4) est munie à son extrémité aval d'au moins une filière d'extrusion ( 43). 7. Dispositif d'hydrolyse selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'extrudeuse d'hydrolyse ( 1) est munie à son extrémité aval de deux convergents ( 16) placés chacun dans l'axe d'une vis ( 11,12) et débouchant dans la partie centrale de l'extrudeuse de sortie ( 4). 8 Dispositif d'hydrolyse selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le détendeur ( 50) est placé sur une conduite 145) reliant l'orifi- ce d'évacuation ( 44) à un pot de détente ( 5) dans lequel s'évapore la phase liquide, le glucose se condensant sur les parois. 9. Dispositif d'hydrolyse selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'extrudeuse de sortie ( 4) est munie d'une enceinte de refroidis- sement ( 53) entourant la partie aval du fourreau ( 40). 10. Dispositif d'hydrolyse selon l'une des revendications 5 et 9, caractérisé par le fait que l'extrudeuse de sortie ( 4) est munie d'une enceinte de refroidissement ( 53) entourant la partie amont ( 47) du fourreau ( 40) dans laquelle se concentre la phase liqti 1 e contenant le glucose dissous.