Topic description
Les bioraffineries, en développement depuis plusieurs années, sont des entreprises capables de valoriser complètement la matière première végétale en produits, matériaux et énergie (chaleur, électricité, biocarburants), comme le font les raffineries pétrolières. Il existe de nombreuses bioraffineries de première génération (utilisant des matières premières alimentaires comme les céréales, les plantes oléagineuses ou sucrières) qui, pour des raisons principalement éthiques, ont vocation à être remplacées par des bioraffineries de deuxième génération (utilisant de la biomasse végétale non alimentaire comme le bois, les plantes annuelles, les co-produits lignocellulosiques agricoles, les papiers et cartons recyclés …).
D'un point de vue plus technique, la valorisation de la biomasse végétale en produits biosourcés, biocarburants et bioénergie se fait dans une bioraffinerie qui fractionne, purifie et valorise tous les composants de la biomasse par des procédés durables. Les bioraffineries intègrent des procédés physiques, chimiques et/ou biologiques, ces derniers étant de plus en plus sollicités pour pallier les inconvénients des premiers. Le développement des bioraffineries ne pourra se faire sans la mise au point de procédés de purification des fractions, ni une caractérisation complète des molécules biosourcées obtenues.
Ces nouveaux développements devront veiller à utiliser les matières premières et à mettre en œuvre de nouveaux procédés dans le respect du développement durable. Ainsi, les calculs d'empreinte environnementale via la réalisation d'analyses du cycle de vie seront centraux dans ces développements. Par ailleurs, cette compétence est au centre des transformations des métiers de demain, permettant de mieux évaluer les impacts des transformations industrielles sur le cycle de vie complet des produits, en lien avec l'économie circulaire et la valorisation des co-produits, par exemple.
Sujet de thèse
Dans le cadre de ce projet, cette thèse s'appuiera sur les travaux en cours de développement de nouveaux modèles de bioraffineries afin de développer une méthode d'éco-conception de ces systèmes de production complexes. En effet, de nombreux choix de conception doivent être faits à plusieurs niveaux lors de la conception de bioraffineries intégrées valorisant la biomasse végétale: technologie, procédés, architecture, composants, matériaux ... De plus, dans le cas de l'introduction de nouvelles biotechnologies, il faut pouvoir gérer l'incertitude liée au fait que ces technologies n'ont pas été testées dans un environnement opérationnel réel (problématique d'upscaling).
Afin de faire ces choix de façon éclairée sur le plan des impacts environnementaux, il est nécessaire de développer des Analyses du Cycle de Vie adaptées ou modulaires, qui fourniront des indicateurs et leviers aux concepteurs/décideurs. Ils pourront ainsi tester plus rapidement différentes configurations de leur solution (ACV prospectives).
Nous attendons de ce travail de recherche qu'il produise les résultats suivants :
• Une Bibliothèque d'ACV des meilleures techniques disponibles dans les bioraffineries
• Une base de données ACV relative à des biotechnologies émergentes
• Une méthodologie pour modéliser des bioraffineries intégrées afin de réaliser le «juste» Inventaire de Cycle de Vie
• Une approche pour dériver les résultats de l'ACV de bioraffineries à partir de d'ACV existantes
• Une méthodologie d'écoconception de bioraffineries intégrées valorisant la biomasse végétale
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Biorefineries, which have been under development for several years, are facilities capable of fully converting plant-based raw materials into products, materials and energy (heat, electricity, biofuels), in much the same way as oil refineries do. There are many first-generation biorefineries (using food-based feedstocks such as cereals, oilseeds or sugar crops) which, for mainly ethical reasons, are set to be replaced by second-generation biorefineries (using non-food plant biomass such as wood, annual crops, agricultural lignocellulosic co-products, recycled paper and cardboard, etc.).
From a more technical perspective, the conversion of plant biomass into bio-based products, biofuels and bioenergy takes place in a biorefinery, which separates, purifies and utilises all the components of the biomass using sustainable processes. Biorefineries incorporate physical, chemical and/or biological processes, with the latter increasingly being used to overcome the drawbacks of the former. The development of biorefineries will not be possible without the development of fraction purification processes or a comprehensive characterisation of the bio-based molecules obtained.
These new developments must ensure that raw materials are used and new processes implemented in a manner consistent with sustainable development. Consequently, calculating the environmental footprint through life-cycle assessments will be central to these developments. Furthermore, this expertise lies at the heart of the transformations shaping the industries of the future, enabling a better assessment of the impacts of industrial change across the entire product life cycle.
As part of this project, this thesis will build on ongoing work to develop new biorefinery models in order to devise an eco-design method for these complex production systems. Indeed, numerous design choices must be made at various levels when designing integrated biorefineries that utilise plant biomass: technology, processes, architecture, components, materials, etc. Furthermore, when introducing new biotechnologies, it is necessary to manage the uncertainty arising from the fact that these technologies have not been tested in a real-world operational environment (the issue of upscaling).
In order to make informed choices regarding environmental impacts, it is necessary to develop tailored or modular Life Cycle Assessments, which will provide indicators and levers for designers and decision-makers. This will enable them to test different configurations of their solution more quickly (prospective LCA).
We expect this research project to produce the following results:
• A LCA library of the best available techniques in biorefineries
• An LCA database relating to emerging biotechnologies
• A methodology for modelling integrated biorefineries in order to produce an ‘accurate' Life Cycle Assessment
• An approach for deriving LCA results for biorefineries from existing LCAs
• An ecodesign methodology for integrated biorefineries using plant biomass.
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Début de la thèse : 01/10/
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