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Philippe Le Thuaut

Chargé de projets & innovation

NANOTRAP

Nouveau concept intégré pour la conversion de la lignine en produits chimiques utilisant des nanoparticules de palladium confinées.

Guichet de financement

Appel à projets de l’édition 2017 du programme de l’ANR

BUDGET & AIDE PUBLIQUE

Budget : 530443 k€

Aides publiques : k€

Durée du projet

49 Mois Date de début : 30/09/2018
Date de fin : 30/09/2022

RÉSUMÉ PUBLIABLE

L’objectif général de NANOTRAP est de développer un nouveau concept pour la transformation de biopolymères, comme la lignine, en composés chimiques valorisables.
En effet, la valorisation de la biomasse représente toujours un challenge important d’un point de vue scientifique et économique. Parmi les points requis pour le développement complet des bioraffineries se trouvent la fragmentation totale des composantes d’une biomasse, leur transformation efficace en produits de plus haute valeur ajoutée, à un coût compétitif. La transformation de biomasse implique souvent un catalyseur, préférentiellement un catalyseur hétérogène. Les catalyseurs hétérogènes possédant une fonction métallique sont très importants pour la transformation de la biomasse car ils peuvent aider à sa réactivité tout en influant sur une sélectivité particulière de la réaction. Pour une utilisation efficace des ce type de catalyseurs, quelques-uns des points clé sont une compréhension profonde de l’action du catalyseur sur le biopolymère, ainsi qu’une séparation et un recyclage aisés du catalyseur. C’est le contexte général dans lequel se positionne le concept de NANOTRAP.

Ce projet propose d’étudier la réactivité/transformation de diverses lignines en utilisant des nanocatalyseurs à base de Pd, spécifiquement synthétisés pour une utilisation immédiate par injection dans un réacteur à flux continu dans lequel se déroule la transformation du biopolymère, le tout couplé à une séparation magnétique du catalyseur.
Plus précisément, des nanoparticules de Pd (PdNPs) de taille et forme contrôlées seront préparées et supportées sur des oxydes métalliques, pour accroître la surface spécifique du catalyseur, pour être utilisées en conditions de flux continu, et pour être récupérés magnétiquement. Pour cela, des nanocatalyseurs PdNPs/Fe3O4/MxOy seront développés. Une technologie innovante à base de fluides supercritiques sera utilisée, qui offre la possibilité de préparer in-situ et/ou ex-situ en une méthode tout-en-un, tout en les fonctionnalisant, des nanocatalyseurs de structures et compositions variées. La façon dont ces catalyseurs réagissent sur les biopolymères pourra être étudiée juste après leur synthèse, à l’aide de techniques spectroscopiques in-situ. Cette technologie offrira une opportunité unique de comprendre en détails le rôle exact de nanocatalyseurs à base de Pd, indépendamment des réactions de recombinaisons d’intermédiaires réactionnels qui peuvent apparaître. L’influence des paramètres de réactions (température, pression…), dans des conditions oxydantes, réductrices ou neutres sera étudiée indépendamment dans des réacteurs fermés, avant un transfert vers des réacteurs ouverts pour une analyse plus fine. La récupération des nanocatalyseurs à base de Pd sera réalisée par piégeage magnétique. Des études de sédimentation seront faites en conditions statiques, puis en conditions de flux continu, pour ré-introduire les catalyseurs récupérés dans la boucle de transformation si possible par flux inversé. Une modélisation complète sera réalisée pour aider à l’élaboration du piège magnétique, afin de permettre l’utilisation des nanocatalyseurs à base de Pd en conditions de flux continu, qui est l’objectif final de NANOTRAP.

Pour atteindre cet objectif, ce projet sera conduit par 3 partenaires, IRCELYON, ICMCB et LGPC. Ces laboratoires académiques partageront leurs expertises relatives dans la préparation des catalyseurs, la catalyse pour la transformation de biomasse, l’utilisation de techniques in-situ, le génie chimique et des procédés.
NANOTRAP doit permettre de prouver un concept qui puisse être utilisé dans de futures bioraffineries pour une valorisation efficace de biomasse vers des plateformes chimiques.

 

PORTEUR & PARTENAIRES

Porteur :

Institut de Recherches sur la Catalyse et l’Environnement de Lyon (IRCELYON)

Partenaires :

  • ICMCB (Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux),
  • LGPC (Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques)

 

Enjeux et problématique

  • Nouveau concept pour déconstruire la biomasse complexe, i.e. la lignine, en produits chimiques,
  • Procédé intégré basé sur une approche fluidique,
  • Utilise des « nanocatalyseurs » : PdNPs @ MOx/Fe3O4 confinés dans le système,
  • Proposer aux « usines de pâte à papier » et aux « bioraffineries » une valorisation complète de la biomasse originelle. Améliorer l’équilibre financier,
  • NANOTRAP : concept unique adaptable à la demande pour une intégration proche des lieux de production ; Dépasse les frontières de la valorisation de la biomasse via les utilisateurs potentiels des produits.
  • Étudier, optimiser et maîtriser la préparation des nanocatalyseurs (NCats) en flux continu.
    • Compatible avec les objectifs de NANOTRAP,
    • Compatible avec le piégeage magnétique.
  • Comprendre le rôle et le mode d’action des NCats dans la déconstruction de la biomasse,
  • Développer et démontrer le concept de NANOTRAP,
  • Promouvoir le concept et ses résultats auprès des industriels. Au besoin, réaliser une étude technico-économique.

 

MARCHÉS VISÉS

CHIMIE

PREMIERS RÉSULTATS

Avancées du projet mi-2021

  • Approvisionnement et caractérisation de lignines (i.e. Kraft, Organosolv) par différentes techniques analytiques (RMN 1D et 2D, FTIR, Analyse élémentaires, ATG).
  • Développement d’outils analytiques et de procédures « simplifiées, rapides et fiables » pour l’analyse des milieux réactionnels complexes par HPLC, en particulier en lien avec le réacteur microfluidique.
  • Préparation et caractérisation de catalyseurs, à base de palladium, structurés à l’échelle nanométrique, incluant les Pd NPs@Fe3O4.
  • Etude de l’activité des catalyseurs nanostructurés à base de palladium sur des modèles moléculaires. Les résultats montrent que les catalyseurs nanostructurés à base de palladium sont très actifs et sélectifs pour l’oxydation des hydroxyles en position benzylique (caractéristique des liaisons b-O-4 de la lignine) avec des conversions quasi-totale sur les modèles simples (https://doi.org/10.1007/s10562-021-03581-0 ).
  • Etudes sur la dépolymérisation de lignines en réacteurs « batch » en mettant en œuvre les catalyseurs à base de Pd nanostructurés. Dans des conditions relativement douces, les catalyseurs nanostructurés à base de palladium montrent des effets de sélectivité en fonction des méthodes de préparation et de leur nature, sans toutefois permettre une forte amélioration des rendements en composés d’intérêts telle la vanilline
  • Design d’un réacteur microfluidique pour la conversion de la lignine à des temps de séjours courts. Etude de l’activité de catalyseurs Pd@PVP sur la dépolymérisation de la lignine.
  • Design d’un système de piégeage magnétique en sortie d’un réacteur microfluidique. Etude de faisabilité

CONTACT

LAURENT DJAKOVITCH, Directeur de recherches, IRCELYON: laurent.djakovitch@ircelyon.univ-lyon1.fr