Optimalisation de la production d’énergie par des procédés biochimiques à partir de substrat d’origine tropicale : Application à la biomasse lignocellulosique du bananier représentée par le cultivar Williams Cavendish (Groupe Triploïde Musa AAA) | Optimization of energy production through biochemical processes using substrate of tropical origin : Application to banana lignocellulosic biomass represented by Williams Cavendish cultivar (Triploid Musa AAA Group)

Английский. In a context where the need to find sustainable alternatives to fossil energies are necessary, this thesis highlights the socio-economic, environmental and energy benefits that banana-producing countries can draw from the energy conversion of the residual lignocellulosic biomass (BLC) of banana plant. It also highlights the molecular and elemental factors influencing the production of methane (CH4) through the anaerobic digestion (AD) of the banana lignocellulosic biomass (BLB). The experiments carried out for the thesis showed that this substrate of tropical origin requires pretreatment to improve its digestibility and to optimize the production of CH4. A developing country like Cameroon, that produces and exports dessert and cooking bananas, generates annually approximately 4.5 million tons of fresh untapped BLB. The potential biotransformation of this waste into bioethanol, biomethane and pellets, constitutes new opportunities that could provide an important source of income for both banana producers and the whole country. These benefits are related to theoretical studies which required experimental studies for its validation. By its chemical composition, BLB is energetically more adapted to the biochemical processes of transformation, and particularly to AD. Therefore AD was investigated on BLC of Williams Cavendish cultivar (WCLB), one of the most commercialized in Cameroon. The analysis of the cumulative production of biogas from each of the six morphological parts (MPs) that constitute this biomass (bulb, leaf sheaths, petioles–midribs, leaf blades, rachis stem, and floral stalk) showed that the leaf blades and the rachis stem achieved respectively the lowest and the highest production yields i.e. 98 and 162 mL CH4 g-1 dry matter (DM of MP). The biogas conversion efficiency of all the combined six MPs was 50% lower than the theoretical potential (based on the total carbon content).These results therefore justified the need to deconstruct this organic matter through pretreatment operation since the lignin appears as one of the main factors limiting the accession of enzymes to the fermentable substrates. Biochemical composition of the BLC from all the combined six MPs of WCLB were compared before and after two different physicochemical pretreatments selected for their socio-economical and techno-ecological advantages i.e. steam cracking (SC) and steam explosion (SE). These pretreatments were carried out at pilot-scale with different severity factors namely regarding temperature since SC was tested at 150 °C (SC150), 180 °C (SC180) and 210 °C (SC210), and SE was tested at 210 °C. The results suggest that SC180 and SC210 are the most lignin-destabilizing pretreatments. The enzymatic degradation of the solid fractions (SFs) and the liquid fractions (LFs) recovered after the pretreatments confirmed the presence of oligomers in the LFs and the improvement of the digestibility of SFs. This digestibility improvement was confirmed by a supplementary AD. Indeed the weighted cumulative production of methane from SF and LF during 135 days shows that the SC210 and SE improved the production of biomethane by 28% and 5% respectively. A simplified schematic model of mass distribution during AD of a complex fermentable organic matter such as WCLB was proposed. Along with the existing models, this schematic model will contribute to the predictive evolution of the initial biomass, the bacterial and archaebacterial biomass, the soluble organic metabolites (such as acetic acid), and the CH4 and CO2 biogas. Forecasts related to the installation and operation of a family sized anaerobic digester in Cameroon have a return on investment period of about 8.5 years (with an estimated life term of 25 years for the biodigester built in reinforced concrete). Moreover, the simulation of an integrated industrial production of biogas and bioethanol from 1 ton DM of WCLB subjected to SC210 showed that 284 L of ethanol would be produced from 800 kg DM of SF for a production cost of 85 €. This cost was calculated regardless of energy from the combustion of biogas produced during the AD of 200 kg DM of LF. Net income after tax for the integrated production was valued to 239 € t-1 DM WCLB. This study showed that BLB should now be taken into account within the energy recoverable BLC and that it is more adapted to the AD process. However, a better assessment of the energetic, socio-economical and environmental benefits that banana-producing countries can draw from the BLB, would require a pilot-scale investigation of the AD process where the bio-physico-chemical parameters prevailing in the industrial biodigesters can be reproduced.

Французский. Dans un contexte où s’impose la nécessité de trouver des alternatives soutenables aux énergies fossiles, cette thèse met en évidence les bénéfices socio-économiques, environnementaux et énergétiques que les pays producteurs de bananes peuvent tirer de la conversion énergétique de la biomasse lignocellulosique (BLC) du bananier (BLB). Elle met également en exergue les facteurs environnementaux, moléculaires et élémentaires influençant la production du méthane (CH4) via la digestion anaérobie (DA) de cette BLB. Les travaux ont montré que ce substrat d’origine tropicale nécessite des prétraitements visant l’amélioration de sa digestibilité et l’optimalisation de la production du CH4. Un pays en développement comme le Cameroun, producteur et exportateur de bananes à dessert et à cuire, génère annuellement environ 4,5 millions de tonnes de matière fraiche de BLB inexploitée. La biotransformation potentielle de ces déchets en bioéthanol, biométhane et pellets, constituerait de nouveaux débouchés pouvant assurer une importante source de revenus aussi bien aux cultivateurs de bananes qu’au pays tout entier. Cependant, ces bénéfices restent liés à une production théorique qui nécessite des études expérimentales pour sa validation. De par sa composition chimique, la BLB est sur le plan énergétique, plus adaptée aux voies biochimiques de transformation en général, et à la DA en particulier. La DA que nous avons investiguée porte sur la BLC du cultivar Williams Cavendish (WCLB), l’un des plus commercialisés au Cameroun. L’analyse de la production cumulée du biogaz à partir de chacune des six parties morphologiques (PMs) qui constituent cette biomasse (la tige souterraine, les gaines foliaires, les pétioles-nervures centrales, les limbes foliaires, la hampe-rachis et la tige florale) a montré que les limbes foliaires et la hampe-rachis ont généré respectivement la plus faible et la plus forte production de CH4 soit 98 et 162 mL g-1 matière sèche (MS de PM). Le rendement de conversion en biogaz combinée sur l’ensemble des six PMs présente une valeur inférieure à 50% du potentiel théorique (basé sur le contenu total en carbone). Ces résultats justifient ainsi la nécessité de déstructurer cette matière organique via des prétraitements estimant que la lignine qu’elle contient apparait comme l’un des principaux facteurs limitant l’accession des enzymes aux substrats fermentescibles. La composition biochimique de la BLC des six PMs combinées de WCLB a été comparée avant et après deux types de prétraitements physicochimiques sélectionnés pour leur avantage socio-économique et technico-écologique, c’est-à-dire le vapocraquage ou « steam cracking » (SC) et l’explosion à la vapeur ou « steam explosion » (SE). Ces derniers ont été réalisés à l’échelle pilote à différents facteurs de sévérités, notamment en ce qui concerne la température puisque le SC a été testé à 150°C (SC150), 180°C (SC180) et 210°C (SC210), et la SE à 210°C. La SC180 et la SC210 sont apparues comme les prétraitements les plus déstructurants de la lignine. La dégradation enzymatique des fractions solides (SFs) et liquides (LFs) issues des prétraitements a confirmé la présence d’oligomères dans les LFs ainsi que l’amélioration de la digestibilité des SFs. Cette amélioration de la digestibilité a été confirmée par une DA supplémentaire. La somme pondérée de la production cumulée du méthane des SFs et LFs pendant 135 jours montre que la SC210 et la SE améliorent la production du biométhane respectivement de 28 et 5% environ. Un modèle schématique simplifié de distribution massique lors de la DA d’une matière organique complexe fermentescible comme la WCLB a été proposé. Au même titre que les modèles existants, ce modèle contribuera à la prédiction de l’évolution de la matière organique initiale, la biomasse bactérienne et archaebactérienne, les métabolites organiques solubles (tels que l’acide acétique), le biogaz CH4 et CO2. Les prévisions liées à l’installation et au fonctionnement d’un digesteur anaérobie de taille familiale au Cameroun présentent un temps de retour sur investissement d’environ 8,5 ans (avec une durée de vie estimée à 25 ans pour le biodigesteur construit en béton armé). Par ailleurs, la simulation de la production intégrée industrielle de biométhane-bioéthanol à partir de 1 tonne MS de WCLB soumise au SC210 a montré que 284 L de bioéthanol seraient produits à partir de la 800 kg MS de la SF pour un coût de production de 85 €. Ce coût a été calculé sans tenir compte de l’énergie issue de la combustion du biométhane produit à partir de la DA appliquée aux 200 kg MS de la LF. Le bénéfice net après impôt pour cette production intégrée a été évalué à 239 € t-1 MS de WCLB. Cette étude a montré que la BLB doit désormais faire partie de la comptabilité des BLCs énergétiquement valorisables et qu’elle est plus adaptée à la DA. Toutefois, une meilleure évaluation des bénéfices énergétiques, socio-économiques et environnementaux que les pays producteurs de bananes peuvent tirer de la BLB passe nécessairement par le stade pilote où les paramètres bio-physico-chimiques prévalant dans les biodigesteurs industriels peuvent être reproduits.

Optimalisation de la production d’énergie par des procédés biochimiques à partir de substrat d’origine tropicale