Brevet FR2960888A1 — publié le 20111209

i0 2960888 i « Procédé de séparation des lignines et des sucres à partir d'une liqueur d'extraction » DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de séparation des lignines et des sucres à partir d'une liqueur d'extraction, dite liqueur extraite, comportant des lignines et des sucres sous forme de matière sèche. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE L'invention concerne notamment, mais à titre non limitatif, la séparation des lignines et des sucres dans une liqueur extraite 15 qui est obtenue à partir d'un procédé de production de pâte à papier, lignines, sucres, et acide acétique qui est décrite dans le brevet européen EP-B1-1 .180.171 Un tel procédé, parmi d'autres procédés d'extraction, notamment à partir d'une matière première lignocellulosique, 20 permet d'obtenir, outre une fraction solide constituant la pâte à papier de la phase organique, une phase organique contenant notamment, en solution, des sucres monomères et polymères et des lignines, issus de la matière première végétale initiale. Dans le cadre de la valorisation de l'ensemble des produits 25 obtenus par un tel procédé, il est important de pouvoir séparer le plus complètement possible les lignines des sucres, sans dénaturer les qualités des lignines. Et ceci aussi afin d'éviter l'obtention, selon différentes techniques connues, d'une « pâte » de lignines qui existent 30 lorsque les « grains » de lignines sont « collés par » les sucres. Les différents procédés connus permettent notamment d'obtenir industriellement des lignines dégradées et soufrées (la présence de soufre étant due au procédé d'obtention). Il s'agit notamment des lignines « Kraft ». La présente invention vise à proposer un procédé de séparation, présentant notamment une grande efficacité en milieu acide, qui évite tout phénomène d'agglomération des particules de lignines, c'est-à-dire qui empêche la formation d'agrégats composés de lignines et de sucres. BREF RESUME DE L'INVENTION io Dans ce but, l'invention propose un procédé de séparation des lignines et des sucres à partir d'une liqueur d'extraction, dite liqueur extraite, comportant, sous forme de matière sèche, des lignines et des sucres caractérisé en ce qu'il consiste à : a) procéder à la concentration de la liqueur extraite, 15 notamment par évaporation, pour l'obtention d'une liqueur concentrée contenant de la matière sèche dans une proportion comprise entre 60 et 70% en poids ; b) réaliser une solution en mélangeant la liqueur concentrée avec de l'eau, à parts égales en poids; 20 c) agiter le mélange pour réaliser une dispersion des lignines dans le mélange et obtenir une mise en suspension stable des lignines dans la solution; d) filtrer la solution comportant les lignines en suspension, notamment au moyen d'un filtre-presse, 25 procédé dans lequel : - le mélange est effectué par introduction de la liqueur concentrée dans l'eau ; - la température de la solution, au cours de la mise en suspension est comprise entre 50°C et 60°C. 30 Ainsi, selon l'invention, la séparation des lignines et des sucres est basée sur la propriété hydrophobe de la lignine. Avant la séparation proprement dite par filtration, on réalise ainsi une mise en suspension stable des lignines en milieu aqueux. De plus, la mise en suspension stable permet d'éviter tous les phénomènes d'amas et de bouchage ou d'obstruction dans les différentes circulations, ainsi qu'au niveau des membranes de filtration. La mise en suspension selon l'invention, préalablement à la filtration, permet de séparer particules élémentaires de lignines io de la solution de sucres et d'obtenir ainsi des conditions optimales pour la filtration dans cet état physique de suspension. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - l'agitation de la solution est réalisée par mise en rotation ; 15 - après l'étape d) de filtration, la matière filtrée est séchée pour l'obtention de lignines en poudre, dont la dimension des particules est comprise entre 20 et 50 microns ; - la matière sèche contient, en poids, environ 50% de lignines et environ 50% de sucres et autres produits ; 20 - à 50°C, la viscosité de la solution est égale à environ 0,26 Pa.s, et la densité de la solution est égale à environ 1,074 ; - la liqueur extraite est obtenue à partir d'un procédé de production de pâte à papier, lignines, sucres et acide acétique qui comprend les étapes successives consistant (i) à mettre des 25 plantes annuelles ou pérennes, utilisées en tout ou partie, qui constituent la matière première lignocellulosique de départ, en présence d'un mélange d'acide formique contenant au moins 5% d'acide acétique en poids qui est porté à une température de réaction comprise entre 50°C et 115°C ; et (ii) à séparer ensuite à 30 la pression atmosphérique la fraction solide constituant la pâte à papier de la phase organique, contenant notamment en solution les acides formique et acétique de départ, des sucres monomères et polymères solubilisés, des lignines et de l'acide acétique issus 4 de la matière première végétale initiale ; le procédé comportant en outre une étape préalable consistant à procéder à une imprégnation préalable de la matière végétale à la pression atmosphérique et à une température inférieure d'au moins 30°C à la température de réaction. La mise en contact de la liqueur extraite et de l'eau en vue de réaliser la dispersion et la mise en suspension sont effectuées à 55°C plus ou moins 5°C. Il s'agit de la température obtenue après réalisation du io mélange, la liqueur extraite concentrée, notamment après évaporation, pouvant initialement être à une température plus élevée, par exemple de l'ordre de 80°C. La mise en contact de la liqueur extraite concentrée avec de l'eau s'effectue par exemple dans une cuve dans laquelle on 15 introduit d'abord l'eau, puis dans laquelle on introduit la liqueur concentrée avec agitation par mise en rotation, par exemple au moyen d'une turbine pour obtenir l'effet de dispersion et de mise en suspension. Des essais ont montré que la suspension est stable, à 20 température ambiante, pendant au moins deux heures. Différents essais ont aussi permis de constater que cette stabilité est quasiment indépendante de la température et donc que le refroidissement depuis la température de mise en mélange avec l'eau jusqu'à la température ambiante, n'a pas d'impact sur 25 la stabilité. Après filtration, notamment dans un filtre-presse, on obtient un gâteau (aussi appelé « cake ») de lignines pressé, ainsi qu'un filtrat appelé jus sucré. Outre le jus sucré récupéré directement par filtration, 30 correspondant à environ trois-quarts du volume total du jus sucré, environ un quart du jus sucré est ensuite récupéré par lavage du gâteau de lignines pressé. Après lavage, la teneur en sucres du gâteau de lignines est inférieure à 1%. On constate que les caractéristiques physiques et chimiques des lignines ne sont aucunement modifiées par le procédé de séparation selon l'invention. Notamment, dans le cadre du procédé mentionné précédemment selon le brevet EP-B1-1.180.171, les lignines conservent les caractéristiques physico-chimiques qu'elles présentent lorsqu'elles sont issues du procédé. i0 BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE La figure unique jointe en annexe représente, de manière schématique, une installation pour la mise en oeuvre du procédé 15 selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE LA FIGURE ET DU PROCEDE 20 On a présenté à la figure, de manière schématique, un évaporateur 10 dans lequel est introduite, en vue de réaliser sa concentration par évaporation, une liqueur d'extraction ou liqueur extraite. L'évaporation est par exemple réalisée jusqu'à obtenir une 25 concentration en matière sèche de préférence égale à 65% en poids. Ensuite, au moyen d'une canalisation 12, la liqueur concentrée est introduite dans une cuve 14. La cuve 14 est équipée de moyens 16 d'agitation par mise 30 en rotation. L'installation comporte une source 18 d'eau qui est chauffée par exemple à environ 50°C. Le chauffage de l'eau contenue dans la réserve ou source 18 peut par exemple être effectué par mise en contact de l'eau autour de la cuve 14 dans laquelle est introduite la liqueur concentrée plus chaude et l'eau. Une pompe 20 permet de faire circuler l'eau de la source 18, d'une part, autour de la cuve et, d'autre part, permet d'introduire l'eau dans la cuve 14 par la canalisation 22. Conformément à l'invention, le mélange liqueur concentrée/eau s'effectue par traitement de lots successifs et il a io lieu en introduisant d'abord l'eau, puis la liqueur concentrée dans l'eau. A l'issue du mélange et de la dispersion pour la mise en suspension stable des lignines dans la solution réalisée dans la cuve 14, la solution comportant les lignines en suspension est 15 extraite de la cuve par une canalisation 24 et une pompe 26. Cette solution comportant les lignines en suspension stable est ensuite introduite dans un filtre-presse 28 en vue de réaliser la séparation des lignines en suspension dans la solution. Le filtre-presse comporte des moyens 30 pouvant 20 permettre l'introduction d'air comprimé pour des opérations de soufflage. Le filtre-presse 28 est aussi relié à la source d'eau 18 par une canalisation 32 permettant l'introduction dans le filtre-presse d'eau de lavage du gâteau de lignines filtré et pressé. 25 On a aussi représenté schématiquement à la figure, une canalisation 34 de sortie par laquelle est récupéré le jus sucré 36 résultant du pressage et une canalisation 38 par laquelle est récupérée l'eau de lavage 40 du gâteau de lignines filtré et pressé. 30 La récupération totale du jus sucré résulte de la somme du jus sucré 36 obtenu directement par pressage et du jus sucré contenu dans l'eau de lavage 40. La cuve 14 et son outil de dispersion 16 sont par exemple fournis par la société PMS. Un exemple de matériel d'agitation par mise en rotation, aussi appelé « Dispositif mélangeur à rotor et stator », de la société PMS (Pompes et Mélangeurs Michel Sarrazin) est décrit et représenté dans le document FR-B1-2.868.336. Un tel mélangeur, utilisé pour les essais détaillés ci-dessous, permet d'effectuer une dispersion à l'aide d'une turbine dont la vitesse de rotation est comprise entre 10000 et 15000 io tours par minute pour un périmètre de turbine égal à 20 millimètres pour le matériel utilisé en laboratoire, soit une correspondance pour un périmètre de turbine de 140 millimètres pour une installation pilote, de 1700 à 2100 tours par minute. Dans les conditions de mise en oeuvre du procédé selon 15 l'invention, la taille des particules de lignines est comprise entre 20 et 50 microns et la stabilité de la suspension, toujours supérieure à au moins deux heures, a été vérifiée par la méthode de mesure optique par « Turbiscan ». Le filtre-presse utilisé, par exemple de la société FAURE 20 ou CHOQUENET, est du type à membranes en polypropylène à plusieurs plateaux qui sont remplis par la suspension à une pression déterminée, par exemple égale à 5 bars. On procède ensuite à une étape lavage suivie d'un compactage final. 25 Le lavage permet de récupérer la totalité des jus sucrés et d'éliminer le résiduel acide du gâteau de lignine. Ce lavage peut être réalisé à l'eau à environ 50°C ou en combinant de l'air et de l'eau (lavage/soufflage) Pour les différents essais, le rapport massique liqueur 30 concentrée/eau est toujours égal à 1 et la température du mélange est égale à environ 50°C. Pour la filtration, on utilise, dans un premier temps, les paramètres suivants : 20 8 - - pression de filtration : 5 bars - pression de lavage : 2,5 bars - température : envoyer l'eau de lavage à une température de manière à « réchauffer » le gâteau et réaliser le lavage à une température supérieure à 40°C - lavage jusqu'à un pH d'environ 4 - le compactage se fait à une pression de 7 bars. Les tableaux ci-dessous donnent des exemples de résultats pour une suspension de lignines issues d'une matière io première végétale constituée par de la paille de blé. 1. Mise en suspension Essai Q liqueur T liq MS liq ext Q eau T eau Durée Vitesse ext (kg) ext (°C) (%) (kg) (°C) a itati) n (tTurbine r/min) 1 100 80 55,94 100 50 5 1800 2 100 72 52,4 100 55 5 1800 15 2. Filtration Essai Q T T entrée P filtration D P pré- dispersion dispersion filtre C bar (min) filtration compactage (kg) (°C) (°) ( ) (bar) 1 72 58,8 51 5 15 5 2 100 55 46 5 50 5 3. Lavage Essai 1 Q eau lavage T eau lavage p lavage (bar) D lavage (min) P compactage (kg) (°C) (bar) 24 46 5 60 7 5 Essai 2 Q eau T eau P D lavage P D D P lavage lavage lavage unitaire soufflage soufflage lavage compactage (kg) (°C) (bar) (min) (bar) u(minl)e (min) (bar) 65,5 48-40 5 3 5 S1 = 10 80 7 min, S2 à S8= 7 min 4. Bilan matières Essai 1 SUSPENSION Jus sucrés Lignines Eau lavage Q (kg) 72,0 58 19 24 Acidité (%) 19,68 27,87 2,96 2,00 Acides (kg) 14,18 16,17 0,56 0,48 H2O (kg) 37,22 32,52 7,12 23,19 MS (%) 28,65 16,07 59,59 1,38 MS (kg) 20,64 9,32 11,32 0,33 Essai 2 SUSPENSION Jus sucrés Lignines Eau lavage Q (kg) 100,0 74 21 65,5 Acidité (%) 21,00 22,35 2,90 1,40 Acides (kg) 21,00 16,54 0,62 0,92 H2O (kg) 53,23 48,59 7,52 60,53 MS (%) 25,77 11,98 61,21 2,65 MS (kg) 25,77 8,87 12,85 4,05 io L'invention peut aussi être mise en oeuvre dans un mélangeur solide/liquide fonctionnant en continu, par exemple au moyen d'un appareil « magic LABO » équipé d'un module disperseur à simple étage « ULTRA-TURRAXO », commercialisés par IKAO-Werke GmbH & Co. KG - D-79219 Staufen. 9 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation des lignines et des sucres à partir d'une liqueur d'extraction, dite liqueur extraite, comportant, sous forme de matière sèche (MS), des lignines et des sucres caractérisé en ce qu'il consiste à : a) procéder à la concentration de la liqueur extraite, notamment par évaporation, pour l'obtention d'une liqueur concentrée contenant de la matière sèche dans une proportion comprise entre 60 et 70% en poids ; io b) réaliser une solution en mélangeant la liqueur concentrée avec de l'eau, à parts égales en poids ; c) agiter le mélange pour réaliser une dispersion des lignines dans le mélange et obtenir une mise en suspension stable des lignines dans la solution ; 15 d) filtrer la solution comportant les lignines en suspension, notamment au moyen d'un filtre-presse, procédé dans lequel : - ledit mélange est effectué par introduction de la liqueur concentrée dans l'eau ; 20 - la température de la solution, au cours de la mise en suspension est comprise entre 50°C et 60°C. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite agitation de la solution est réalisée par mise en rotation. 25 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après l'étape d) de filtration, la matière filtrée est séchée pour l'obtention de lignines en poudre, dont la dimension des particules est comprise entre 20 et 50 microns. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 30 ladite matière sèche contient, en poids, environ 50% de lignines et environ 50% de sucres et autres produits. Il 5. Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que, à 50°C, la viscosité de la solution est égale à environ 0,26 Pa.s, et la densité de la solution est égale à environ 1,074. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite liqueur extraite est obtenue à partir d'un procédé de production de pâte à papier, lignines, sucres et acide acétique qui comprend les étapes successives consistant (i) à mettre des plantes annuelles ou pérennes, utilisées en tout ou partie, qui constituent la matière première lignocellulosique de départ, en io présence d'un mélange d'acide formique contenant au moins 5% d'acide acétique en poids qui est porté à une température de réaction comprise entre 50°C et 115°C ; et (ii) à séparer ensuite à la pression atmosphérique la fraction solide constituant la pâte à papier de la phase organique, contenant notamment en solution 15 les acides formique et acétique de départ, des sucres monomères et polymères solubilisés, des lignines et de l'acide acétique issus de la matière première végétale initiale ; ledit procédé comportant en outre une étape préalable consistant à procéder à une imprégnation préalable de la matière végétale à la pression 20 atmosphérique et à une température inférieure d'au moins 30°C à la température de réaction.