Un nouveau procédé de traitement peut améliorer la durabilité de la bioraffinerie

Les eaux usées des bioraffineries qui transforment les plantes en carburant sont pleines de matières organiques qui ne peuvent pas être traitées efficacement avec les systèmes d’eaux usées conventionnels, ce qui les rend coûteuses et énergivores à gérer.

Cependant, ces matières organiques riches sont une source inexploitée d’énergie chimique qui peut être récupérée sous forme de produits de valeur, notamment le biogaz, un carburant renouvelable à combustion propre.

Une étude menée par des chercheurs du Centre for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) du Département de l’énergie a révélé que la récupération des ressources des eaux usées peut considérablement améliorer la durabilité économique et environnementale des bioraffineries de deuxième génération, soutenant la transition vers des biocarburants durables à base de plantes. et l’industrie des bioproduits.

L’équipe du CABBI a conçu un procédé qui traite simultanément les eaux usées et récupère l’énergie du biogaz qui pourrait générer des revenus pour les bioraffineries, tout en réduisant les coûts et les émissions de gaz à effet de serre par rapport aux systèmes de traitement conventionnels.

L’ouvrage, publié en ACS Chimie & Ingénierie Durablesont réuni des chercheurs des trois thèmes du CABBI – production de matières premières, conversion et durabilité – qui développent des alternatives végétales au pétrole pour les carburants et les produits chimiques.

Avec un modèle « les plantes comme usines », ils visent à produire des biocarburants, des produits biochimiques et des molécules de base directement dans les feuilles et les tiges des plantes ; développer des outils, des levures et des méthodes de traitement uniques pour les convertir en bioproduits de grande valeur, tels que le biodiesel, les acides organiques, les lubrifiants et les alcools ; et évaluer la durabilité économique et écologique des matières premières, des biocarburants et des bioproduits du CABBI, du champ à la bioraffinerie en passant par la bioéconomie.

L’étude sur les eaux usées a été dirigée par deux chercheurs du CABBI en développement durable à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign : Jeremy Guest, professeur agrégé de génie civil et environnemental (CEE) ; et la chercheuse scientifique Yalin Li de l’Institut pour la durabilité, l’énergie et l’environnement (iSEE).

Les co-auteurs du CABBI comprenaient Vijay Singh, chercheur en conversion, directeur adjoint pour la science et la technologie et professeur de génie agricole et biologique (ABE) à l’Illinois ; et Fredy Altpeter, chercheur en production de matières premières, professeur d’agronomie à l’Institut des sciences alimentaires et agricoles de l’Université de Floride.

Les bioraffineries de deuxième génération qui traitent le miscanthus, les tiges de maïs ou d’autres matières premières non alimentaires ont le potentiel de produire des biocarburants et des bioproduits avec un impact environnemental bien inférieur à ceux des combustibles fossiles ou des bioraffineries de première génération, qui utilisent du maïs et d’autres cultures comestibles. Mais ces bioraffineries de deuxième génération sont toujours confrontées à des obstacles financiers qui empêchent leur déploiement réussi dans le monde réel.

Si elles ne sont pas correctement gérées, les bioraffineries peuvent nécessiter une quantité d’eau prohibitive et générer un important flux d’eaux usées. Pour produire du carburant et des produits biochimiques précieux à partir de la biomasse végétale, les bioraffineries peuvent utiliser jusqu’à 10 litres d’eau par litre de biocarburant produit, selon une précédente étude du CABBI. Les eaux usées qui en résultent contiennent de fortes concentrations de matières organiques (sucres, produits de fermentation résiduels, sous-produits de procédé ou autres produits chimiques), ce qui les rend difficiles à réutiliser.

Mais ces analyses préalables sont souvent basées sur des technologies conventionnelles de traitement des eaux usées à faible débit qui sont coûteuses, énergivores et nécessitent une empreinte physique énorme qui, selon la taille de l’usine, peut équivaloir à 30 terrains de football ou plus. . Les systèmes de traitement conventionnels à faible débit utilisent de grands réacteurs aérobies, qui consomment de grandes quantités d’électricité pour l’aération, et convertissent les matières organiques des eaux usées en dioxyde de carbone sans créer de produits de valeur.

L’équipe du CABBI a conçu un processus d’eaux usées à dominance anaérobie à haut débit qui a largement éliminé l’aération, économisant de l’électricité, et a plutôt incorporé des technologies émergentes, y compris la circulation interne et des bioréacteurs à membrane anaérobie pour récupérer l’énergie intégrée dans les matières organiques sous forme de biogaz.

Pour leur conception, ils ont utilisé les données expérimentales des eaux usées générées par le traitement de la canne à sucre et de la canne à huile cultivées par le groupe Altpeter pour le projet Feedstocks to Fuels du CABBI. Le processus extrait les huiles de la plante puis génère de l’éthanol à partir des sucres végétaux par fermentation par des levures. Le groupe Singh a fourni du bouillon de fermentation épuisé, après l’extraction de l’éthanol, et des collaborateurs de la Pontificia Universidad Católica de Chile ont déterminé la quantité de méthane pouvant être produite à partir des vrais échantillons.

À l’aide de leur logiciel open source BioSTEAM, les chercheurs ont ensuite simulé l’intégration du nouveau procédé de traitement des eaux usées dans sept conceptions de bioraffinerie, couvrant une large gamme de matières premières et de biocarburants/bioproduits. Grâce à l’analyse technico-économique et à l’évaluation du cycle de vie (TEA-LCA) rendue possible par BioSTEAM, ils ont découvert que le nouveau procédé pouvait réduire considérablement le coût en capital et la consommation d’énergie des bioraffineries, améliorer leur viabilité financière et réduire leur impact environnemental.

Le processus pourrait convertir efficacement les contaminants organiques des eaux usées de la bioraffinerie en biogaz, réalisant simultanément une récupération d’énergie et un traitement des eaux usées. Il réduirait la consommation d’énergie, les coûts d’exploitation et les émissions de gaz à effet de serre par rapport aux systèmes de traitement conventionnels.

« Grâce à des processus de gestion appropriés, les eaux usées peuvent être une source potentielle de revenus pour les bioraffineries tout en améliorant la durabilité environnementale des biocarburants et des bioproduits », a déclaré Li.

Le processus de traitement des eaux usées conçu dans cette étude peut améliorer considérablement la viabilité financière des bioraffineries de deuxième génération tout en réduisant leurs impacts environnementaux, contribuant ainsi à la transition de la société vers une bioéconomie circulaire – et la mission de CABBI de soutenir une industrie domestique viable et durable des biocarburants et des bioproduits en utilisant biomasse végétale.