Axe Lignocellulosiques

L'équipe Lignocellulosiques accompagne les valorisations de la biomasse lignocellulosique par l’étude de procédés de prétraitements et le développement de matériaux biosourcés (bois, fibres, composites). Le concept de jumeau numérique qui structure l’ensemble de la Chaire de Biotechnologie, est ici décliné selon deux domaines d’intervention grâce à une approche multiéchelle et multiphysique :
- La prédiction in-silico de propriétés à partir de la morphologie 3D des matériaux hétérogènes,
- La modélisation des procédés de transformation par des formulations macroscopiques adaptées et des outils de résolution numérique.
La démarche commune à ces deux domaines consiste à étudier les matériaux à l’échelle microscopique (morphologie 3D à haute résolution, observation sous chargement thermique, hydrique ou mécanique, mesure et caractérisation avec des dispositifs classiques ou originaux développés au laboratoire). Cela permet d’alimenter et de valider nos modèles prédictifs afin d’optimiser les procédés ou le comportement des matériaux à l’échelle macroscopique. Pour limiter les étapes intermédiaires, le changement d’échelle s’appuie sur un couplage entre instrumentation/expérimentation et modélisation/calcul hautes performances. L’équipe est notamment une référence pour les relations entre matériaux biosourcés et eau (équilibre, dynamique des transferts couplés, effet de double échelle …). 
Pour cela l’équipe dispose de compétences multidisciplinaires incluant la science des matériaux (physico-chimie, mécanique, morphologie), la science des transferts (transferts couplés de chaleur et masse, mécanique des fluides, mécanique des milieux hétérogènes), mathématiques appliquées (maillage de morphologies réelles, résolution des grands systèmes non-linéaires, simulation numérique), ainsi que la conception de dispositifs expérimentaux originaux à façon
Les applications étudiées sont variées et s’orientent vers différents marchés tels que la construction, les transports, l’emballage, l’énergie, la bioraffinerie.

 

Approches développées

 

 

Porteur de l'axe 

Patrick PERRE 

patrick.perre@centralesupelec.fr

 

Publications de l'équipe

 

 

Biomasse prétraité par explosion vapeur

Etude des procédés de prétraitement de la biomasse 

Les procédés de prétraitements de la biomasse permettent d’améliorer son usage ultérieur via des modifications morphologiques, physico-chimiques et de propriétés. Ainsi, différents prétraitements et leurs impacts sur la biomasse sont étudiés : broyage, cuisson acide, explosion vapeur, torréfaction, pyrolyse, grâce à des dispositifs expérimentaux originaux et la plateforme imagerie. La compréhension et la modélisation des modifications au cours du traitement permettent d’anticiper l’impact des procédés et d’optimiser leur conduite avec des conditions optimales en fonction de la biomasse. 
La modélisation s’appuie entre autres sur une approche DAEM (Distributed Activation Energy Modeling) pour prédire l’altération des propriétés de la biomasse à partir de n’importe quelles conditions opératoires (température en fonction du temps). La modélisation des transferts couplés de chaleur et de masse en milieu poreux permet d'étudier l’effet des changements brusques des conditions limites : par exemple phase d’échauffement très rapide en début cuisson acide et d'explosion vapeur.
 

matériaux biosourcés

Conception de composites aux propriétés optimisées 

L’étude des relations structures propriétés est développée à partir d’observation morphologique 2D/3D, d’observations in situ dynamiques sous sollicitations, et de caractérisations variées des propriétés (hydriques, thermiques, mécaniques), permettant de développer des modèles prédictifs des propriétés de matériaux composites biosourcés à partir de morphologie réelle. Nos équipements remarquables en imagerie à haute résolution permettent de tenir compte de l’hétérogénéité morphologique locale des biomasses et des matériaux (orientation des fibres, arrangement fibres-résines …), affinant ainsi les modélisation prédictive multiéchelle et anticipant de manière précise les comportements des matériaux. 
L’équipe souhaite s’appuyer sur le développement de morphologies virtuelles et des méthodes de type machine learning à partir des bases de données des matériaux déjà étudiés, pour innover en design de matériaux aux propriétés optimisés par des approches d’ingénierie réverse. 
 

Caractérisation de matériaux biosourcés

Caractérisation des transferts couplés 

Pour alimenter et valider tous nos outils de simulation prédictive, l’équipe a développé un expertise inédite en caractérisation à différentes échelles. Cela nous permet de proposer une offre très complète de caractérisation de matériaux solides, que l’on peut décliner en trois catégories :
-    Thermique : conductivité, chaleur massique, stabilité,
-    Massique : isothermes de sorption, diffusivité de vapeur d’eau ou d’autres gaz, suivi d’imbibition par imagerie-X 2D et 3D,
-    Mécanique : machine d’essais mécaniques positionnées dans notre tomographe à rayon-X

L’extraction des propriétés à partir des mesures expérimentales se fait généralement à l’aide de code de simulation qui permettent de considérer, au niveau expérimental, les couplages entre propriétés (multiphysique) et/ou le couplage entre échelles. Cela nous permet de détecter et de quantifier les effets dus au non-équilibre local entre phases, très fréquent en transferts couplés.
 

Exemples de réalisation 

  • Caractérisation multiéchelle des transferts hydriques et thermiques au sein d’isolants biosourcés
  • Etude du comportement physico-mécanique de barriques de chêne lors de la maturation du vin 
  • Instrumentation fine d’échantillon pour l’étude des procédés de séchage et de torréfaction
  • Prédiction des propriétés macroscopiques par changement d’échelle et prise en compte de la morphologie réelle du milieu hétérogène – Projet 3D Biomat
  • Etude du prétraitement de la biomasse lignocellulosique par explosion vapeur : mesures sur prototypes inédits et modélisation prédictive, par modélisation DAEM, de la cuisson acide et de la phase explosive
  • Simulation numérique directe des transferts de chaleur et de masse dans les milieux poreux sur des morphologies 3D obtenues par nanotomographie – Projet PredicTBiomat
  • Développement d’outils et modèles dans le cadre de la rénovation énergétique - Projet Smart-Réno 


Equipements

Caractérisation des matériaux 

  • Nano-tomographe à rayons X (EasyTom XL 150-160, RX Solutions), très versatile équipé de deux sources (micro et nano) et de deux imageurs (flat panel à champ large et capteur CCD pour la haute résolution). Il permet de balayer des configurations allant d’échantillons de 80 kg et 20 cm de diamètre à de très petits échantillons permettant une résolution jusqu’à 400 nm.
  • Dispositifs de sollicitation mécanique, de conditionnement hydrique et d’imbibition adaptés au nano-tomographe. 
  • Microscope confocal Raman, pour la réalisation d’images de topochimie en 2D (Alpha 300R, WITec)
  • ATG-DSC, thermogravimétrie et calorimétrie différentielle simultanéess (Setaram TG-DSC SENSYS evo)
  • Rhéomètre
  • Analyseur de caractérisation de surface à haut débit et haute résolution (BET)
  • Chambres climatiques contrôlées en humidité relative et température
  • Microtome 
  • Titration calorimétrique isotherme (Setaram C80)
  • Analyseur de propriété thermique 
  • Générateur d’humidité

Prétraitement de biomasse 

  • Four de séchage 
  • Traitement thermique 
  • Réacteur original de cuisson acide accompagné d’un dispositif de mesures rhéologiques à hautes température et à pression de vapeur saturante
  • Broyeurs à couteaux, 
  • Broyeur à billes (Cryomill, Retsch)

Fabrication de matériaux

  • Thermopresse
  • Mélangeur 
  • Extrudeuse bi-vis 

L’axe Lignocellulosiques travaille en fort partenariat avec la plateforme Imagerie et la plateforme Conception & Instrumentation