This study aimed to evaluate the effects of mechanical treatment through twin-screw extrusion for the enhancement of biomethane production. Four lignocellulosic biomasses (i.e., sweetcorn by-products, whole triticale, corn stover and wheat straw) were evaluated, and two different shear stress screw profiles were tested. Chemical composition, particle size reduction, tapped density and cellulose crystallinity were assessed to show the effect of extrusion pretreatment on substrate physico-chemical properties and their biochemical methane production (BMP) capacities. Both mechanical pretreatments allowed an increase in the proportion of particles with a diameter size less than 1 mm (from 3.7% to 72.7%). The most restrictive profile also allowed a significant solubilization of water soluble coumpounds, from 5.5% to 13%. This high-shear extrusion also revealed a reduction in cellulose crystallinity for corn stover (i.e., 8.6% reduction). Sweetcorn by-products revealed the highest BMP values (338–345 NmL/gVS), followed by corn stover (264–286 NmL/gVS), wheat straw (247–270 NmL/gVS) and whole triticale (233–247 NmL/gVS). However, no statistical improvement in maximal BMP production was provided by twin-screw extrusion. Nevertheless, BMP kinetic analysis proved that both extrusion pretreatments were able to increase the specific rate constant (from 13% to 56% for soft extrusion and from 66% to 107% for the high-shear one).

Prétraitement par extrusion réactive pour améliorer la production de biométhane à partir de co-produits agricoles et agro-industriels: La biomasse lignocellulosique, en particulier les co-produits agricoles, constitue une ressource attractive pouvant être valorisée par méthanisation. Cependant, son utilisation est limitée par ses propriétés physico-chimiques complexes et sa faible biodégradabilité initiale, nécessitant une étape de prétraitement. L'extrusion bi-vis est un prétraitement mécanique déjà appliqué à l'échelle industrielle, qui pourrait être amélioré via l’extrusion réactive, à savoir sa combinaison avec des additifs chimiques, pour améliorer le potentiel méthanogène (BMP) et les cinétiques de production de biogaz à partir de ces substrats en améliorant leur biodégradabilité. Une revue bibliographique évaluant l'impact de l'extrusion sur les co-produits agricoles lignocellulosiques pour la production de biométhane a d'abord été réalisée. Elle détaille les paramètres clés de l'extrusion et ses effets importants sur certains aspects physico-chimiques tels que : réduction de la taille et teneur en matière sèche, mais limités sur la composition lignocellulosique et la cristallinité de la cellulose. L'extrusion réactive, peu étudiée dans ce contexte, s'est avérée quant à elle prometteuse pour altérer la composition lignocellulosique, améliorant ainsi le BMP. En outre, la nécessité de mener davantage de tests pilotes a également été mise en évidence afin de valider l'applicabilité et la faisabilité de ces prétraitements à plus grande échelle, tout en évaluant leurs aspects énergétiques, économiques et environnementaux. Des tests d'extrusion ont d'abord été réalisés à l’échelle du laboratoire sur un extrudeur Clextral BC45 en utilisant deux profils de vis avec des niveaux de contrainte mécanique différents. Quatre biomasses lignocellulosiques, des co-produits de maïs doux ensilé, du triticale frais, de la paille de blé et des cannes de maïs, ont été sélectionnées en fonction de leurs différentes teneurs en lignine. Les résultats ont démontré une amélioration de la cinétique du BMP jusqu'à +106%, en raison de changements morphologiques après l'extrusion, mais pas d'amélioration du BMP. Une extrusion réactive a ensuite été réalisée sur les cannes de maïs en utilisant de la chaux (Ca(OH)2) afin de bénéficier de ses effets délignifiants connus pour améliorer le BMP. Un taux d'humidité de 70% et une dose de chaux de 10 g/100gMS se sont avérés efficaces pour améliorer le BMP jusqu'à +28%, en raison d'une dépolymérisation de la lignocellulose jusqu'à +17%. Une comparaison des effets de l'extrusion entre échelles laboratoire, pilote et industrielle a été effectuée à l'aide de trois extrudeurs : Clextral BC45 (laboratoire), Clextral Evolum HT 53 (pilote) et Lehmann MSZK-B74e (industriel). Ici, l’objectif était de s'assurer de la reproductibilité des procédés développés. Les résultats ont montré une homogénéité des BMP et de la composition lignocellulosique, démontrant une bonne reproductibilité malgré les différences de capacité entre ces trois appareils. La production semi-continue de biométhane en réacteurs de 20L a ensuite été étudiée. Ces essais ont révélé des paramètres biologiques stables, et une augmentation du BMP (jusqu'à +35%) et de la cinétique de production (jusqu'à +18%) pour les cannes de maïs extrudées imprégnées à la chaux, en raison de l'amélioration de leurs propriétés rhéologiques jusqu'à un facteur de 17, ainsi que de bonnes propriétés fertilisantes des digestats produits. Enfin, une analyse technico-économique a été réalisée afin d’estimer la viabilité industrielle des résultats de l'extrusion réactive, sur la base de données provenant d'un site de production de biogaz. Différents scénarios de remplacement ou d'ajout ont été développés. Ils ont montré que l'incorporation de cannes de maïs extrudées ou extrudées puis imprégnées de chaux pourrait théoriquement augmenter la rentabilité du site jusqu'à +109%.