INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Dans la conception d’un système mécanique tel qu’un pédalier, il est nécessaire de réaliser un compromis entre le poids, l’encombrement, notamment l’encombrement entre les pédales, le couple volumique, le coût, la robustesse, ou encore le volume de la transmission mécanique.
Dans les véhicules à assistance électrique, l’assistance vise à fournir à l’utilisateur la possibilité de se déplacer en fournissant moins d’effort physique que sur un véhicule sans assistance électrique. De plus, les véhicules à assistance électrique doivent pouvoir être utilisés avec ou sans l’assistance électrique. Ainsi, si la batterie est vide ou si un dysfonctionnement survient au niveau du moteur, les utilisateurs s’attendent à pouvoir utiliser le véhicule sans l’assistance électrique grâce à la transmission mécanique reliant l’axe du pédalier et l’axe de la roue motrice.
Pour anticiper cette configuration de fonctionnement sans assistance électrique, il est recherché en priorité de minimiser le poids de la transmission mécanique pour les véhicules à assistance électrique car les autres éléments de l’assistance électrique, tels que le moteur et la batterie, peuvent difficilement être allégés.
Dans un tout autre domaine, il existe également des véhicules hybride série, c’est-à-dire des véhicules à pédales ne disposant pas d’une transmission mécanique entre le pédalier à la roue motrice. Tel que décrit dans le document US 10,754,340, ces véhicules sont composés d’un pédalier générateur, captant l’énergie mécanique de rotation appliquée par l’utilisateur sur les pédales pour recharger une batterie, elle-même utilisée pour alimenter un moteur électrique situé au niveau de l’axe de rotation de la roue motrice.
Les utilisateurs de véhicules à pédales ont l’habitude de ressentir un retour haptique au niveau du pédalier en fonction de l’état du véhicule. Par exemple, si l’utilisateur souhaite démarrer un véhicule sur une montée avec une pente importante, il doit appliquer un couple beaucoup plus important sur les pédales que pour démarrer en descente. Ainsi, un pédalier relié à une transmission mécanique, avec ou sans assistance électrique, présente naturellement un retour haptique.
Avec un pédalier sans transmission mécanique entre le pédalier et la roue motrice, le moteur générateur du pédalier doit en outre être capable d’appliquer un couple résistif variable sur l’axe du pédalier pour simuler le retour haptique d’une transmission mécanique entre la roue motrice et le pédalier. Ce couple résistif doit être particulièrement important dans certaines configurations du véhicule, par exemple lorsque l’utilisateur souhaite démarrer le véhicule en montée avec une pente importante. Dans cette configuration, avec un pédalier générateur, le couple résistif efficace appliqué par le pédalier doit être sensiblement de 200 N.m pendant au moins une 1 seconde afin de permettre à l’utilisateur de démarrer le véhicule sans avoir une sensation de pédalier qui patine.
Compte tenu de l’exigence de transmission de couples résistifs importants, des contraintes de dimensionnement liées à la taille du moteur intégré au pédalier et des contraintes de couple volumique, les pédaliers générateurs intègrent classiquement une transmission mécanique utilisant un train épicycloïdal, tel que décrit dans le document EP 2711281.
Cependant, un train épicycloïdal nécessite l’utilisation d’un grand nombre de pièces ce qui entraîne une complexité de réalisation du pédalier générateur. En outre, cette transmission mécanique présente également un poids et un coût plus élevé que les trains d’engrenages parallèles.
Le problème technique de l’invention consiste donc à obtenir un pédalier générateur permettant d’appliquer un couple résistif variable sur l’axe de pédalier afin de simuler le comportement d’un pédalier relié à une transmission mécanique, c’est-à-dire de pouvoir fournir un couple résistif volumique important, sans augmenter le volume du carter.
Pour répondre à ce problème technique, l’invention propose d’utiliser un moteur électrique spécifique permettant de fournir un couple résistif très important dans un encombrement réduit et répondant aux contraintes d’intégration dans les pédaliers.
Plus précisément, l’invention propose d’utiliser un moteur électrique présentant : - une longueur comprise entre 25 et 45 mm ; - un rayon externe compris entre 35 et 45 mm ; - un rayon interne compris entre 17.5 et 23.5 mm ; - un pourcentage de largeur d’encoche compris entre 50 et 75.6 % ; et - une épaisseur d’aimant comprise entre 2 et 5 mm.
Avec ce moteur électrique spécifique et particulièrement performant pour fournir un couple résistif variable dans un pédalier générateur, il est désormais possible d’utiliser un moteur respectant les contraintes de dimensionnements tout en permettant d’obtenir un couple volumique élevé. Pour ce faire, l’invention propose d’utiliser une transmission mécanique avec un train d’engrenages parallèles présentant un rapport d’engrenage compris entre 25 et 55 entre le moteur électrique et l’axe de pédalier, c’est-à-dire une transmission mécanique avec un nombre de pièces et un bruit limité.
Ainsi, l’invention réside dans une découverte selon laquelle un moteur électrique dimensionné spécifiquement permet de s’affranchir de l’utilisation d’un train épicycloïdal pour un pédalier générateur tout en fournissant le couple résistif recherché pour ce type de pédalier.
Selon une variante, le biocatalyseur utilisé pour fermenter tout ou partie de(s) sucre(s) en alcool(s) ou produits d’intérêt est une bactérie, par exemple Clostridium, tel que Clostridium Acetobutylicum . Il peut être ajouté dans le procédé de la même manière que les levures mentionnées plus haut.
En effet, la présente invention vise la conversion de la biomasse prétraitée pour produire des sucres par hydrolyse enzymatique, à partir généralement d’un cocktail d’enzymes comprenant au moins des enzymes cellulolytiques. Les enzymes cellulolytiques sont par exemple des cellulases, des endoglucanases, des beta-glucosidases. Le cocktail enzymatique peut comprendre également des enzymes hémicellulolytiques (hémicellulases). Les enzymes peuvent être produites par des bactéries ou des champignons. De préférence les enzymes sont produites à partir d’un champignon, par exemple Trichoderma reseii , La liquéfaction selon l’invention va donc utiliser ce genre de cocktail, ainsi que la réaction de conversion qui va se poursuivre dans un autre réacteur que le réacteur de liquéfaction. Les sucres en question peuvent être valorisés tels quels, ou après transformation.
La présente invention vise également la production d’alcools par fermentation à partir de ces sucres, selon deux grands types de procédé : - soit la saccharification et la fermentation sont opérées en même temps, c’est le procédé dit SSF ou SSCF. Dans ce cas on ajoute aux enzymes des micro-organismes appropriés (levure, bactérie comme vu plus haut). Les micro-organismes peuvent ainsi être ajoutés dès la liquéfaction, - soit la fermentation a lieu après la saccharification, dans un réacteur dédié à la fermentation et alimenté en micro-organismes appropriés. Dans ce cas, on ajoute un seul type de biocatalyseur à chaque étape (enzymes pour l’hydrolyse, puis micro-organisme pour la fermentation).
A noter que pour assurer la fermentation, le biocatalyseur est un micro-organisme, qui peut être une levure ou une bactérie, même si, dans le présent texte, on peut n’évoquer que des levures, par soucis de concision.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention peut comprendre les étapes suivantes : - une étape initiale (a0) de remplissage d’un premier réacteur avec un premier apport dans ledit réacteur de biomasse lignocellulosique prétraitée, de biocatalyseur(s), d’eau et éventuellement de composés acide et/ou basique, - une première étape (a) de liquéfaction dans le premier réacteur par ajout de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée dans ledit réacteur sans soutirage, avec éventuel ajout également de biocatalyseur(s), - puis une deuxième étape (b) de liquéfaction en continu dans le premier réacteur, avec soutirage en continu depuis le premier réacteur d’une partie du milieu réactionnel et transfert vers un deuxième réacteur de ladite partie du milieu réactionnel soutiré et ajout en continu de biomasse lignocellulosique prétraitée, et éventuellement d’eau et/ou biocatalyseur(s), et/ou de composés acide et/ou basique, - puis une étape (b1) optionnelle d’homogénéisation du milieu réactionnel dans le premier réacteur, - puis une étape (b2) de transfert de tout le milieu réactionnel du premier réacteur vers le deuxième réacteur, où s’opère l’étape (c) de conversion de préférence en mode batch, - et une étape (b3) de nettoyage du premier réacteur, notamment à l’aide d’une solution aqueuse, de préférence acide ou basique.
Les ajouts de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée dans la première étape a) peuvent être séquentiels ou non.
Les ajouts des biocatalyseurs dans la première étape a) peuvent être séquentiels ou non.
Les conditions opératoires de la première liquéfaction (a) en configuration hydrolyse enzymatique seule (c’est-à-dire quand on vise une conversion de la biomasse en sucres oligomères ou monomères) sont de préférence : - une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 40 et 60°C, et encore plus préférentiellement entre 45°C et 55°C, - un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 4,8 et 5,5.
Les conditions opératoires de la première liquéfaction (a) en configuration hydrolyse enzymatique et fermentation simultanée (SSF ou SSCF), c’est-à-dire quand on vise la conversion de la biomasse en alcool par hydrolyse et fermentation, sont : - une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 30 et 50°C et encore plus préférentiellement entre 30°C et 35°C, - un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 5,0 et 5,5.
Les conditions opératoires (température et pH) de la deuxième liquéfaction (b) sont de préférence identiques à celles de la première liquéfaction (a).
Les conditions opératoires (température et pH) de l’étape (c) de conversion peuvent être identiques ou différentes de celles de la première liquéfaction (a) et de la deuxième liquéfaction (b). Elles seront par exemple différentes si les biocatalyseurs introduits lors de cette étape sont différents de ceux introduits lors de la première liquéfaction (a) et de la deuxième liquéfaction (b).
De préférence, la teneur en matière sèche MS de la biomasse lignocellulosique prétraitée utilisée dans le procédé selon l’invention est au moins de 2% poids, notamment au moins de 5% poids, au moins 10% poids. La biomasse utilisée dans le procédé selon l’invention contient au moins 1 0g de cellulose pour 100 g de matière sèche, notamment au moins 20 g de cellulose pour 100 g de matière sèche.
Liste des figures [Fig. 1] La représente les différents stades d’une étape de liquéfaction de biomasse prétraitée selon l’art antérieur.
[Fig. 2] La représente les différents stades d’une étape de liquéfaction de biomasse prétraitée selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 3] La est un graphe qui représente l’évolution des concentrations en éthanol et xylose au cours d’un procédé SSCF avec une liquéfaction selon l’art antérieur et avec une liquéfaction selon l’invention en fonction du temps. En ordonnées, les concentrations sont en g/kg milieu réactionnel, et en abscisse le temps est exprimé en heures.
Les figures, et plus précisément les figures 1 et 2, sont très schématiques, ne respectent pas l’échelle. Les mêmes références se rapportent aux mêmes flux/dispositifs d’une figure à l’autre.
On cherche ainsi à maintenir dans le réacteur de liquéfaction une rhéologie appropriée dans la liquéfaction en continue selon l’invention, pour que le milieu réactionnel reste à des conditions de viscosité permettant son agitation dans le réacteur et son soutirage vers un autre réacteur de façon compatible avec une production à l’échelle industrielle.
On peut suivre la rhéologie du milieu réactionnel en suivant la viscosité du milieu réactionnel ou le couple mécanique de l’arbre d’un système d’agitation équipant le premier réacteur ou la puissance électrique consommée par le moteur actionnant ledit système d’agitation.
La première étape (a) de liquéfaction a de préférence une durée comprise entre 1 et 48 heures, encore plus préférentiellement entre 2 et 24 heures, notamment entre 5 et 12 heures.
La deuxième étape (b) de liquéfaction a une durée de préférence comprise entre 1 et 170 heures, notamment entre 10 et 72 h, notamment entre 15 et 30 heures ou entre 20 et 28 heures.
Lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction, le temps de séjour de la biomasse prétraitée dans le premier réacteur est de préférence supérieur ou égal à 4 heures, notamment supérieur ou égal à 5 heures, par exemple compris entre 5 heures et 14 heures.
Lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction, on peut avantageusement soutirer en continu depuis le premier réacteur une partie du milieu réactionnel vers un deuxième réacteur où l’on poursuit dans une étape (c) de conversion, la conversion de la biomasse contenue dans le milieu réactionnel soutiré, en présence d’au moins un biocatalyseur.
Des biocatalyseurs sont déjà contenus dans le milieu réactionnel transféré d’un réacteur à l’autre, mais on peut ajouter spécifiquement dans le deuxième réacteur des biocatalyseurs différents ou identiques à ceux déjà introduits dans le premier réacteur.
Ainsi, quand on vise une conversion de la biomasse en alcool par SSF ou SSCF : - selon un premier mode de réalisation, on peut ajouter l’ensemble des biocatalyseurs (enzymes et micro-organismes) dès la liquéfaction dans le premier réacteur (et ne pas ajouter de biocatalyseur à l’étape c) dans le deuxième réacteur donc), - et selon un autre mode de réalisation, on peut ajouter les enzymes lors de la liquéfaction dans le premier réacteur, puis ajouter les micro-organismes, et éventuellement un complément d’enzymes, à l’étape c) dans le deuxième réacteur.
A la fin de la deuxième étape (b) de liquéfaction, on transfère avantageusement tout le milieu réactionnel du premier réacteur vers un deuxième réacteur où l’on poursuit, dans une étape (c) de conversion, la conversion de la biomasse contenue dans le milieu réactionnel transféré, en présence d’au moins un biocatalyseur.
Avantageusement, la durée de la deuxième étape (b) de liquéfaction est inférieure ou égale à la durée de l’étape (c) de conversion.
L’étape (c) dans le deuxième réacteur évoqué plus haut peut donc être opérée en mode fed-batch, de préférence avec une durée d’alimentation comprise entre 1 heure et 50 heures, et préférentiellement entre 10 heures et 40 heures, suivi d’une durée d’opération en batch. La durée totale de l’étape (c), en fed-batch puis en batch, est de préférence comprise entre 10 et 170 heures, notamment entre 70 et 140 heures. « Batch » est à comprendre dans son acception habituelle, à savoir qu’il n’y a pas de soutirage depuis le réacteur pendant toute la durée de la conversion opérée dans ce réacteur.
Le couplage des étapes (a) et (b) dans un réacteur dédié de liquéfaction et (c) dans un autre réacteur permet de bénéficier d’avantages combinés des mises en œuvre antérieures batch, fed-batch et continu : - le réacteur de liquéfaction est opéré selon les étapes (a) puis (b) qui permettent de maximiser l’utilisation de ce réacteur pour contenir du milieu réactionnel, et de diminuer les temps alloués à la vidange et au nettoyage durant un cycle - le réacteur opérant l’étape (c) se termine en batch, ce qui permet de maximiser les niveaux de conversion atteints, et de contrôler le temps de séjour maximal des biocatalyseurs, évitant ainsi les dérives mentionnées plus haut.
Avantageusement, le deuxième réacteur dans lequel se déroule l’étape (c) a un volume supérieur à celui du premier réacteur où se déroulent les étapes (a) et (b). De préférence, le volume du deuxième réacteur est supérieur à 100% du volume du premier réacteur, de préférence supérieure à 120%, préférentiellement supérieur à 200% et encore plus préférentiellement supérieur à 300%. Le deuxième réacteur où se déroule l’étape (c) peut être alimenté par plusieurs réacteurs où se déroulent les étapes (a) et (b).
Il est également possible d’utiliser plusieurs réacteurs pour opérer l’étape (c), de plus petite taille et fonctionnant notamment en série.
Le biocatalyseur ajouté pour au moins une des étapes de première liquéfaction (a), de deuxième liquéfaction (b) et de conversion (c), et notamment toutes ces étapes, comprend avantageusement au moins une enzyme pour convertir la biomasse prétraitée au moins partiellement en sucre(s) par hydrolyse enzymatique, et éventuellement au moins un micro-organisme, de type levure(s) ou bactérie(s) pour convertir tout ou partie de ce(s) sucre(s) en alcool(s) par fermentation.
Selon une variante, le biocatalyseur utilisé pour chacune des étapes de première liquéfaction (a) et de deuxième liquéfaction (b) peut comprendre au moins une enzyme pour convertir la biomasse prétraitée au moins partiellement en sucre(s) par hydrolyse enzymatique, et le biocatalyseur ajouté dans l’étape (c) de conversion peut comprendre un mélange d’enzyme(s) et de levure(s) (ou autre microorganisme) ou seulement au moins une levure pour convertir tout ou partie de(s) sucre(s) transformés en alcool(s) par fermentation.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un pédalier générateur à couple résistif variable comportant : - un axe de pédalier sur lequel un couple de pédalage est destiné à être appliqué par un utilisateur ; - un moteur électrique fonctionnant en générateur de sorte à appliquer un couple résistif sur l’axe de pédalier ; et - des moyens de transmission mécanique entre l’axe de pédalier et un axe du moteur électrique.
L’invention se caractérise en ce que le moteur électrique présente : - une longueur comprise entre 25 et 45 mm ; - un rayon externe compris entre 35 et 45 mm ; - un rayon interne compris entre 17.5 et 23.5 mm ; - un pourcentage de largeur d’encoche compris entre 50 et 75.6 % ; et - une épaisseur d’aimant comprise entre 2 et 5 mm ; et en ce que les moyens de transmission mécanique correspondent à un train d’engrenages parallèles avec un rapport d’engrenage compris entre 25 et 55.
L’invention permet ainsi de générer un couple résistif variable et pouvant atteindre des valeurs élevées, par exemple lorsque l’utilisateur souhaite démarrer le véhicule en montée avec une pente importante. Dans cette configuration, le pédalier est capable de fournir un couple résistif sensiblement de 200 N.m pendant une durée de 1 seconde tout en utilisant une transmission mécanique simple correspondant à un train d’engrenages parallèles. De plus, le pédalier générateur est également capable de générer un couple résistif efficace sensiblement de 50 N.m pendant une durée d’au moins 30 min.
De préférence, le train d’engrenages parallèles comporte un axe interne et deux engrenages reliant l’axe de pédalier et l’axe du moteur électrique, chaque engrenage comportant deux roues dentées. Ce mode de réalisation permet d’obtenir une transmission mécanique avec un nombre de pièces limité et un encombrement réduit.
Pour atteindre facilement le rapport d’engrenage compris entre 25 et 55, le rapport d’engrenage peut être compris entre 3.8 et 6.0 pour l’engrenage reliant l’axe du pédalier et l’axe interne et entre 6.9 et 11.4 pour l’engrenage reliant l’axe interne et l’axe du moteur.
Pour répondre aux contraintes de résistance et de tenue mécanique des roues dentées, les roues dentées de l’engrenage reliant l’axe du pédalier avec l’axe interne présentent préférentiellement une largeur comprise entre 6 et 17 mm et les roues dentées de l’engrenage reliant l’axe du moteur avec l’axe interne présentent préférentiellement une largeur comprise entre 4 et 9 mm.
De préférence, afin de limiter le bruit engendré par l’engrènement des roues dentées, les roues dentées de l’engrenage reliant l’axe du pédalier avec l’axe interne et/ou de l’engrenage reliant l’axe du moteur avec l’axe interne présentent une denture hélicoïdale.
Pour répondre aux contraintes mécaniques que subissent les roues dentées lors du fonctionnement, la valeur du module de la denture est comprise entre 1.125 et 1.36 pour l’engrenage reliant l’axe du pédalier avec l’axe interne et entre 0.5 et 0.6 pour l’engrenage reliant l’axe du moteur avec l’axe interne.
Selon un mode de réalisation, l’angle d’hélice des roues dentées de l’engrenage reliant l’axe du pédalier avec l’axe interne est compris entre 13.5 et 45 degrés et l’angle d’hélice de l’engrenage reliant l’axe du moteur avec l’axe interne est compris entre 4.8 et 45 degrés. Ce mode de réalisation permet de limiter les vibrations engendrées par les frottements des roues dentées.
De préférence, pour répondre aux exigences d’encombrement, la distance entre les points de fixation des pédales sur l’axe du pédalier est comprise entre 130 et170 mm.
Pour supporter les contraintes mécaniques liées à l’utilisation du pédalier, les roues dentées de l’engrenage reliant l’axe du pédalier avec l’axe interne et/ou les roues dentées de l’engrenage reliant l’axe du moteur avec l’axe interne peuvent également être composées d’acier de cémentation forgé ou d’acier nitruré.
Selon un second aspect, l’invention concerne un véhicule hybride série comportant : - au moins un pédalier générateur à couple résistif variable selon le premier aspect de l’invention ; - au moins une batterie apte à emmagasiner l’énergie électrique produite par le pédalier générateur ; - un moteur électrique alimenté par ladite au moins une batterie et couplé à au moins une roue mobile de sorte à assurer les déplacements du véhicule ; et - une unité de contrôle du moteur électrique configurée pour activer le moteur électrique lorsque le pédalier est actionné par l’utilisateur.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien des modes de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures 1 à 6 dans lesquelles :
La est une représentation schématique en coupe d’un pédalier de l’état de la technique intégrant un train d’engrenages parallèles ;
La est une représentation schématique en coupe d’un pédalier de l’état de la technique intégrant un train d’engrenages épicycloïdal ;
La est une représentation schématique en coupe d’un pédalier générateur a couple résistif variable selon un mode de réalisation de l’invention ;
Opération Durée Remplissage Milieu liquéfaction 37 h Réaction 113 h Transfert vers réacteur de SSCF 6 h Nettoyage 4 h Durée cycle total 160 h
Exemple 2 (selon l’invention) Il suit le protocole de liquéfaction selon l’invention décrit plus haut et illustré à la . Le tableau 3 ci-dessous détaille le chronogramme de la liquéfaction selon l’invention :
Opération Durée Remplissage Eau 1 h Remplissage initial biomasse prétraitée dans le réacteur de liquéfaction 2 h Ajout Biocatalyseurs 1 h Ajout de biomasse prétraitée en fed-batch dans le réacteur de liquéfaction 8 h Homogénéisation 1 h Phase continue dans le réacteur de liquéfaction 20 h Homogénéisation 2 h Transfert vers réacteur de SSCF 2 h Nettoyage 3 h Durée cycle total 40 h
2 réacteurs de liquéfaction de 500 m 3 (volume utile) sont donc nécessaires pour liquéfier la biomasse prétraitée avec un taux d’utilisation en opération de 72,5%. Le temps de séjour de la biomasse prétraitée dans le réacteur de liquéfaction est de 8 h. La biomasse liquéfiée est transférée dans 4 réacteurs de SSCF de 4 500 m 3 chacun, fonctionnant en batch.
Les durées des phases en SSCF sont les mêmes que celles indiquées au tableau 2 pour l’exemple 1 comparatif.