Ingénieur-e en mécanismes de transformation structurale des biopolymères lignocellulosiques par extru

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La biomasse lignocellulosique est une ressource renouvelable prometteuse pour la production de matériaux et d'énergie. Toutefois, sa valorisation requiert une déconstruction contrôlée, qui est essentielle pour maîtriser les propriétés finales des produits. Certains traitements chimio/enzymatiques et/ou mécaniques préservent la structure des fibres, tandis que d’autres, plus intensifs, décomposent jusqu’aux monomères (Himmel et al., 2007; Siqueira et al., 2010; Thygesen et al., 2014). Le défi actuel est de développer des procédés de déconstruction contrôlée respectueux de l’environnement et économiquement viables, dans un contexte où la chimie verte privilégie les ressources renouvelables. Parmi les technologies de valorisation, l'extrusion bi-vis se distingue par sa capacité à intensifier les procédés, tout en étant peu énergivore et respectueuse de l’environnement. Utilisée dans les industries agroalimentaires et des polymères, elle combine des opérations unitaires (mélange, déstructuration, extraction) tout en générant peu d’effluents. Des études montrent qu'elle réduit de 50 % l’utilisation de solvants et consomme entre 30 et 50 % moins d'énergie que d'autres procédés (Evon et al., 2018). 

Le projet de thèse EXTRABIO vise à explorer la déstructuration contrôlée des biomasses lignocellulosiques lors du procédé d'extrusion bi-vis. La biomasse lignocellulosique, une ressource renouvelable essentielle pour la production de matériaux biosourcés et d’énergie, présente une composition et une structure complexes, ce qui en fait un défi pour une transformation efficace et durable. L’extrusion bi-vis, déjà largement utilisée dans les secteurs agroalimentaires et des polymères, se distingue par sa capacité à combiner des opérations unitaires tout en minimisant l'impact environnemental et énergétique. Cependant, la compréhension des mécanismes structuraux intervenant lors de l’extrusion des biomasses lignocellulosiques reste limitée. Contrairement aux fondus d’amidon qui forment un milieu monophasique et homogène, les biomasses lignocellulosiques en suspension forment un mélange biphasique (solide-liquide) complexe et évolutif pendant l’extrusion, rendant la transformation imprédictible (Evon et al., 2018).

Cette thèse a pour objectif principal d’élucider les transformations structurales des biopolymères (cellulose, hémicelluloses, lignine) au cours de l'extrusion, en tenant compte des interactions physico-chimiques, thermiques et rhéologiques des matériaux. Elle s’attachera à modéliser ces mécanismes pour optimiser les procédés de bioraffinerie, en reliant les variables d'extrusion (température, énergie mécanique spécifique, pression) à la structure des produits extrudés. Les relations entre procédé et qualité des produits restent peu explorées en bioraffinerie et représentent un défi scientifique crucial. Quelques biomasses modèles, couvrant une large gamme de compositions, seront étudiées afin d’apporter des connaissances génériques sur les propriétés des mélanges, présentées sous forme de diagrammes de phase. Les résultats fourniront des bases solides pour le développement d'outils de modélisation d’extrusion appliqués à la valorisation des biomasses dans les bioraffineries, contribuant ainsi à la transition vers des procédés plus durables et économiquement viables.

Le programme de cette thèse se déroule en trois phases. Après sélection des matières premières (biomasses modèles et réelles), la première année sera dédiée à l’étude des mécanismes de déconstruction des biomasses par extrusion bi-vis, avec des expérimentations (incluant des essais d’arrêt brutal de l’extrudeuse, dits « dead-stop ») et des caractérisations multi-échelles pour relier la structure du produit aux variables d’extrusion T, EMS, P. La deuxième année portera sur la création d'une base de données pour un modèle global 1D d’extrusion, avec une étude de la compression des biomasses humides et la détermination des lois de comportement rhéologique dans des conditions similaires à celles de l’extrusion. Enfin, la troisième année sera consacrée à la simulation des essais d’extrusion (pour valider les propriétés des biomasses déterminées en année 2), à l’aide d’un modèle global 1D (Della Valle et al., 1993; Vergnes et al., 1998). Chaque phase inclut des présentations en conférence et la rédaction de publications, ainsi que la rédaction du mémoire en fin de thèse. La technique des « dead-stop » (arrêts brutaux de l’extrudeuse) sera mise en œuvre pour accéder aux mécanismes de transformation le long de la vis. Les lois de comportement établies seront intégrées dans le logiciel de simulation Ludovic©, assurant un transfert vers l’ingénierie prédictive.

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