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Essai d'élaboration et caractérisation d'un biocarburant à  base de manihot esculenta grantz


par Zacharie Merlin AYISSI
Université de DOUALA - DIPET II (Master II) 2007
  

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PARTIE II: ELABORATION ET ANALYSE DU BIOCARBURANT FAIT

À BASE DE MANIOC................................................................................33 CHAPITRE III : MATERIELS ET METHODES D'ELABORATION DU BIO

CARBURANT...............................................................................................34 III.1 Présentation des sites de travail.......................................................................34 III.2 Matériels utilisés.......................................................................................35 III.2.1 Matériel végétal......................................................................................35 III.2.2 Matériel et appareillage de production du bio éthanol.........................................35 III.2.2.1 Matériel de récolte et parage du manioc........................................................35 III.2.2.2 Matériel d'extraction et de conditionnement de l'amidon....................................36 III.2.2.3 Matériel de fermentation .........................................................................37 III.2.2.4 Matériel de distillation simple primaire ........................................................37 III.2.2.5 Appareillages de distillation fractionnée........................................................38 III.2.2.6 Appareillage de caractérisation chimico-calorifique..........................................40

A. Appareil de détermination de la masse volumique.............................................40

B. Matériel de dilution .................................................................................42

C. Matériel de réfractomètrie...........................................................................43

D. Matériel de calorimétrie............................................................................45

E. Matériel d'étalonnage de la sonde.................................................................46

F. Matériel de calibrage du calorimètre..............................................................46 III.3 Méthodes opératoires..................................................................................47 III.3.1 Mode opératoire d'élaboration du bioéthanol....................................................47 III.3.1.1 Méthode de récolte et de parage du manioc....................................................47

III.3.1.2 Méthode d'extraction de l'amidon..............................................................

.48

III.3.1.3 Méthode de fermentation du jus d'amidon.....................................................

50

III.3.1.4 La distillation simple ou primaire...............................................................

52

III.3.1.4.1 Mode opératoire de la distillation simple.....................................................

53

III.3.1.5 La rectification par distillation fractionnée.....................................................

53

III.3.1.5.1 But de la rectification fractionnée.............................................................

53

III.3.1.5.2 Principe de la distillation fractionnée.........................................................

53

III.3.1.5.3 Mode opératoire de la distillation fractionnée................................................

54

III.3.1.5.4 Autres types de distillations....................................................................

57

III.3.2 Mode opératoire de la caractérisation chimico-calorifique de la distillation.................

57

III.3.2.1 Présentation du distillat...........................................................................

57

III.3.2.2 Détermination de la masse volumique et déduction du degré alcoolique du distillat.....

57

III.3.2.2.1 Etalonnage du pycnomètre.....................................................................

.58

III.3.2.2.2 Détermination de la masse volumique du bio éthanol......................................

59

III.3.2.2.3 Détermination de la composition vraie par interpolation..................................

.60

III.3.3 Elaboration des coupes de biocarburants.........................................................

61

III.3.3.1 Miscibilité de l'éthanol avec l'essence.........................................................

.61

III.3.3.2 Principe de la dilution............................................................................

.61

III.3.3.3 Mode opératoire des dilutions...................................................................

.62

III.3.3.3.1 Détermination des volumes de carburants dans les coupes................................

.62

III.3.4 Etude réfractométrique des coupes...............................................................

.63

III.3.4.1 Présentation de la refractomètrie................................................................

.64

III.3.4.2 Définition de l'indice de réfraction.............................................................

.64

III.3.4.3 Principe de la refractomètrie.....................................................................

64

« Essai d'élaboration et analyse chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc »

Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007

III.3.4.4 Méthodes de correction de l'indice de réfraction..............................................65 III.3.4.5 Etalonnage du réfractomètre.....................................................................65 III.3.4.6 Exemple de mesure de l'indice de réfraction de la coupe E100 ............................66 III.3.4.6.1 Mode opératoire de la mesure..................................................................66 III.3.5 Détermination des chaleurs de combustion et du pouvoir calorifique des coupes de

carburants......................................................................................................67 III.3.5.1 Origine de la chaleur de combustion dans les carburants....................................67 III.3.5.2 La calorimétrie.....................................................................................68 III.3.5.3 La chaleur de combustion ou valeur calorifique...............................................68 III.3.5.4 Capacité calorique ou chaleur équivalente.....................................................68 III.3.5.5 Principe de mesure des chaleurs de combustion par calorimètre à la bombe..............69 III.3.5.6 Paramètres de détermination des chaleurs de combustion...................................70 III.3.5.7 Etalonnage de la soude............................................................................71 III.3.5.8 Calibrage du calorimètre..........................................................................73 III.3.5.9 Détermination de la capacité calorifique de la bombe calorimétrique......................76 III.3.5.10 Détermination des chaleurs de combustion des différentes coupes de carburants.......78 III.3.5.10.1 Exemple de calcul de la chaleur de combustion de la coupe E100......................79 III.3.6 Détermination du point éclair du bio éthanol.....................................................82 CHAPITRE IV : PRESENTATION ET INTERPRETATION DES RESULTATS .........83

IV.1 Résultats de la récolte et du parage..................................................................83 IV-1-2 Interprétation des résultats de la cueillette et du parage du manioc...........................83 IV.1.1 Justification du choix variétal......................................................................83 IV-1-2 Interprétation des résultats de la cueillette et du parage du manioc...........................84

IV.2 Résultats de la fermentation et de la distillation primaire.........................................84 IV.2-1 Difficultés liées au processus de fermentation..................................................84

IV.3 Résultats de la distillation fractionnée...............................................................85 IV.3.1 Analyses et commentaires..........................................................................85.

IV.4 Résultats de la pycnometrie...........................................................................86
IV.4.1 Analyse des résultats de la pycnometrie..........................................................88

IV.5 Dilution de l'éthanol (96.33 %vol.)..................................................................88
IV.5.1 Interprétation des données de dilution des coupes de carburants..............................88

IV.6 Résultats de la refractromètrie des coupes de biocarburant.......................................89 IV.6.1 Interprétation des résultats de la réfractomètrie..................................................90

IV.7 Résultats calorimétriques des coupes de carburants..............................................

.90

IV.7.1 Analyse des résultats de la calorimétrie à la bombe..........................................

.107

IV.8 Point éclair du bioéthanol...........................................................................

.107

CHAPITRE V : SUGGESTIONS ET PERSPECTIVES.........................................

.109

V.1 Atouts du Cameroun en matière de production des biocarburants..............................

109

V.2 Suggestions adressées aux pouvoirs publics......................................................

.109

V.3 Impact environnemental des biocarburants au Cameroun.......................................

110

V.4 Biocarburant et développement de l'économie du Cameroun..................................

.110

V.4.1 Le secteur agricole..................................................................................

.110

V.4.2 L'emplois ...........................................................................................

.111

V.4.3 Indépendance énergétique.........................................................................

.111

V.5 Dilemme énergie contre sécurité alimentaire......................................................

111

CONCLUSION GENERALE..........................................................................

.112

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES............................................................

.113

ANNEXES.................................................................................................

.115

« Essai d'élaboration et analyse chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc »

Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007

LISTE DES FIGURES

- Figure 1-1 : Schéma synoptique de l'effet de serre

- Figure 1-2 :protocole de production des biocarburants

- Figure 1-3 : Etapes d'élaboration d'un biodiesel

- Figure 1-4 : Volume de production d'EMHV dans le monde

- Figure 1-5 : Structure de la biomasse lignocellulosique

- Figure 1-6 : Principe d'élaboration du bioéthanol

- Figure 1-7 : Volume de production des bioéthanol dans le monde

- Figure 1-8 : Bilan comparatif des émissions de CO2 entre biocarburant et carburant traditionnels

- Figure 1-9 : Autre recyclage du CO2 par les biocarburant

- Figure 2-1 : Les tubercules de manioc (Manihot Esculenta Grantz)

- Figure 2-2 : Tubercule de manioc - Figure 2-3 : Cossette de manioc

- Figure 2-4 : Fufu

- Figure 2-5 : Mitumba

- Figure 2-6 : Water fufu

- Figure 2-7 : Clips de manioc - Figure 2-8 : Myondo

- Figure 2-9 : Bobolo

- Figure 2-10 : Variété culinaire du manioc

- Figure 3-1 : Une vue du bâtiment administratif du lycée technique de Nkolbisson

- Figure 3-2 : Tubercule de manioc

- Figure 3-3 : Dispositif de distillation fractionnée

- Figure 3-4 : Tour de distillation fractionnée

- Figure 3-5 : Les pycnomètres

- Figure 3-6: Balance et hand book - Figure 3-7 : Four électrique

- Figure 3-8 : La hotte chimique

- Figure 3-9 : Réfractomètre ABBE ATAGO modèle 302

- Figure 3-10 : Rouleau de fil d'amorce

« Essai d'élaboration et analyse chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc »

Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007

- Figure 3-11 : Calorimètre à la bombe - Figure 3-12 : Récolte de manioc

- Figure 3-13 : Les grains d'amidon vu au microscope

- Figure 3-14 : Colonie de levures en microscopie optique

- Figure 3-15 : Une levure en microscopie électronique à transmission

- Figure 3-16 : Préparation du mélange et fermentation - Figure 3-17 : Premier passage de distillation

- Figure 3-18 : Deuxime passage de distillation - Figure 3-19 : Ebullition de flegme

- Figure 3-20 : La pompe à eau

- Figure 3-21 : Prélèvement des têtes de distillation - Figure 3-22 : Thermomètre sur colonne

- Figure 3-23 : Réfraction d'un faisceau lumineux à la surface d'un liquide

- Figure 3-24 : Champ visuel de l'oculaire pendant une mesure

- Figure 3-25 : Mesure réfractomètrique - Figure 3-26 : Fixation de fil d'amorce - Figure 3-27 : Porte échantillon

- Figure 3-28 : Vue de l'intérieur de la bombe - Figure 3-29 : Bombe à oxygène chargé

- Figure 3-30 : Fermeture du calorimètre

- Figure 3-31 : Vue de l'intérieur du calorimètre

« Essai d'élaboration et analyse chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc »

Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007

LISTE DES TABLEAUX

- Tableau 1 - 1 : Taux indicatif des polluants liés à l'exploitation d'une automobile

- Tableau 1 - 2 : Dilution de quelques alcools dans l'eau - Tableau 2 - 1 : Princjaux produits dérivés du manioc - Tableau 2 - 2 : Princjaux pays producteur de manioc - Tableau 3 - 1 : Ingrédients pour fermentation

- Tableau 3 - 2 : Résultat de la pycnometrie, étalonnage du pycnomètre

- Tableau 3 - 3 : Mesure des paramètres initiaux

- Tableau 3 - 4 : Evolution de la température de combustion de l'acide benzoïque

- Tableau 3- 5 : Récapitulation des données essentielles à retenir

- Tableau 3 - 6 : Mesure des paramètres initiaux pour les coupes E100

- Tableau 3 - 7 : Evolution des températures de la combustion du E100

- Tableau 4 - 1 : Résultat de l'étalonnage du pycnomètre - Tableau 4 - 2 : Données des résultats pycnomètriques - Tableau 4 - 3: Résultat des dilutions

- Tableau 4 - 4: Résultat des valeurs des indices de réfraction des coupes de carburants

- Tableau 4 - 5 : Résultat du dosage de la soude

- Tableau 4 - 6 : Résultats du calibrage du colorimètre

- Tableau 4 - 7 : Résultats récapitulatifs ; données essentielles du calibrage du calorimètre

- Tableau 4 - 8 : Résultat de la combustion de la coupe E10

- Tableau 4 - 9 : Evolution de la température de la coupe E100 - Tableau 4 - 10 : Résultats

- Tableau 4 - 11 : Evolution des températures de la combustion du E95

- Tableau 4 - 12 : Résultat de la combustion du E85

- Tableau 4 - 13 : Evolution des températures de la combustion du E 85

- Tableau 4 - 14 : Résultat de la combustion du E20

- Tableau 4 - 15 : Evolution des températures de la combustion du E20

- Tableau 4 - 16 : Résultat de la combustion du E15

- Tableau 4 - 17 : Evolution de la température de la combustion coupe E15

- Tableau 4 - 18 : Résultat de la combustion du E10

- Tableau 4 - 19 : Evolution des températures de la combustion de la coupe E10 - Tableau 4 - 20 : Température d'ébullition de quelques carburants

« Essai d'élaboration et analyse chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc »

Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007

SIGLES ET ABREVIATIONS

ETBE: Ethyl Tertio Butyl Ether

J-C: Jesus Christ

GIBC: Groupe intergouvernemental sur l'évolution du climat

Av.: avant

GES: Gaz à Effet de Serre

HCN : Acide Cyanhydrique

HC : Hydrocarbure

EMHV : Ethyl Méthyl d'Huile Végétale Fac.: Faculté

ONG : Organisation Non Gouvernementale GIC : groupe d'initiative commune

ETA: Ecole des Techniques de l'agriculture CRA : Centre de Recherche Agricole

USA: United State of America

PNVRA : Programme Nationale de Vulgarisation et de Recherche Agricole

PNDRT : Programme Nationale de Développement des Racines et Tubercules

IRAD : Institue de Recherche Agricole et de développement

Cf.: Confère

DIPET : Diplôme de Professeur d'Enseignement Technique

MA : Mécanique Automobile

C6H5COOH : acide benzoïque

HNO3: formule chimique de l'acide nitrique L : longueur [m]

WCAL : capacité calorifique du calorimètre à la bombe avant correction [cal. °C-1]

m1 : masse d'eau utilisée au calibrage du calorimètre [kg]

m2 : masse d'eau utilisée pendant la mesure calorifique d'un échantillon [kg]

W' : capacité calorifique du calorimètre à la bombe après correction [cal. °C-1]

Técl : température éclaire [°C]

Ce : chaleur massique de l'eau [Ce = 1J.k-1.kg-1]

K : constante évaluée à 0.736 (calcul du point éclair d'un carburant)

nD t : indice de réfraction

« Essai d'elaboration et analyse chimico-calorifiaue d'un biocarburant a base de manioc » Mémoire DIPET II -- ENSET de Douala 2007

% : pourcentage

m :masse [kg]

t : temps [s]

V : volume [l]

°C : degré Celsius

°K : degré kelvin

Cal. : Calorimetre

Kg : kilogramme

Cm : centimetre

J : joule

ml : millilitre

g : gramme

s : seconde

l : litre

eeb : température d'ébullition [°C]

Q : chaleur de combustion [kJ] ou [cal]

P : pouvoir calorifique [kJ.k.kg-1]

NaOH : formule chimique de la soude

Tab : température d'ébullition [°C]

mp, : masse du pycnometre vide [kg]

Peau: masse volumique de l'eau [kg.l-1]

AO : différence de température [°C]

Oi : température initiale [°C]

Of: température finale [°C]

ti : temps initial [s]

tf : temps final [s]

ft : autre indication de la capacité calorifique du calorimetre E100 : carburant composé de 100% d'éthanol

E10 : carburant composé de 10% éthanol et 90% d'essence E15 : carburant composé de 15% éthanol et 85% d'essence E20 : carburant composé de 20% éthanol et 80% d'essence E85 : carburant composé de 85% éthanol et 15% d'essence E95 : carburant composé de 95% éthanol et 5% d'essence

« Essai d'élaboration et analyse chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc »

Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007

CAHIER DE CHARGES

1- DESCRIPTION SOMMAIRE

1-1 NOM DU PRODUIT : Bioéthanol

1-2 FONCTION DU PRODUIT : Carburant des moteurs A combustion interne 1-3 ASPECT PHYSIQUE : liquide claire d'odeur piquante.

1-4 CARACTERISTIQUE : inflammable

2- CONTRAINTE D'ELABORATION

2-1 MATIERE PREMIÈRE : amidon de manioc de type Manihot Esculenta Grantz 2-2 SITES D'ELABORATION : Lycée Technique de Nkolbisson ; Ayene-Yaounde

3- CONTRAINTE QUANTITATIF : L e bioéthanol produit doit pouvoir être produit A grande échelle.

4- CONTRAINTES STRUCTURELLES

o Le degré alcoolique doit être supérieur ou égale A 95%vol. o Le pouvoir calorifique doit avoisiner 21.3 MJ.l-1

5- CONTRAINTES FONCTIONNELLES

5-1 COMPATIBILITE AVEC L'ESSENCE : le bioéthanol doit être miscible A l'essence en toute proportion.

5-2 CRITERES DE PERFORMANCES: la combustion du bioéthanol doit fournir une énergie calorifique susceptible de faire fonctionner un moteur A combustion interne.

6- UTILISATION :

o moteur A combustion interne usuelle 5% bioéthanol et 95% essence ;

o moteurs A combustion interne modifier 100% éthanol.

7- CONTRAINTE ECONOMIQUE :

n son prix sur le marché doit être abordable sur le marché des carburants

n le produit doit être accessible A tous et en toute saison

« Essai d'élaboration et analyse chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc »

Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007

INTRODUCTION

La consommation des carburants fossile est insupportable : Elle est responsable de l'augmentation rapide du réchauffement climatique planétaire qui a atteint des niveaux extrêmement dangereux et qui sont pratiquement irréversibles. De plus, les pays du sud en général et le Cameroun en particulier se trouvent sous l'emprise des véhicules dits << d'occasion », responsables de l'une des plus grandes pollutions de nos cités. On assiste aujourd'hui dans le monde à une grave crise énergétique responsable de l'instabilité des cours du pétrole et même, << des guerres dites du pétrole ».

Face à cet état des choses, les Etats Unis d'Amérique ont poursuivi les recherches entamées par J. Ford vers 1900 pour l'utilisation de l'éthanol comme carburant automobile. En rapport avec certains critères climatiques et techniques, le maïs comme matière première a donné des résultats très prometteurs. Les Brésiliens, pour utiliser l'excédent de production de la canne à sucre, en ont produit avec des résultats au dessus des attentes. La France en ce qui la concerne, a opté pour le blé et la betterave sucrière comme matière première, avec des résultats très encourageant. La méthode commune à ces différents pays a été la fermentation puis la distillation des plantes amylacées et sucrières. Dans cette recherche effrénée des sources d'énergie de moins en moins polluantes, plusieurs chercheurs ont mis au point des méthodes de production de l'éthanol, telles que : L'hydratation des alcènes (l'éthène) ; l'estérification de l'éthylène par l'acide sulfurique suivie d'une réaction d'hydrolyse ; l'hydrolyse de la biomasse lignocellulosique suivie par sa distillation fractionnée. La revue de la littérature a ainsi révélé plusieurs auteurs ayant intervenus dans ce domaine : ROBERT [11] ; ROBERTS [12]; ASADJEU [16] ; PROSKOURIAKOU [2]. De tous ces travaux, il ressort que la méthode par estérification de l'éthylène est très corrosive pour l'appareillage d'élaboration. Celle de l'hydratation des alcènes détient le meilleur rendement en matière de quantité produit mais reste étroitement lié au pétrole, donc impropre pour l'environnement. L'hydrolyse et la distillation de la biomasse lignocellulosique quant à elle est une technique complexe qui reste à parfaire. Seule la méthode par fermentation des plantes amylacées et sucrières a donc retenu notre attention. Ne disposant ni de betterave sucrière ni de blé en quantité industrielle au Cameron, nous avons orienté notre choix vers le manioc comme matière première en raison de touts les avantages qu'il offre.

« Essai d'élaboration et analyse chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc »

Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007

Nous souhaitons, à travers ce mémoire démontrer que l'éthanol à base d'amidon de manioc, est à même de faire fonctionner un moteur à combustion interne à travers une analyse chimique et calorimétrique. Pour se faire, il nous est demandé l'utilisation d'une méthodologie cohérente.

Pour mener à bien notre étude, La consultation des personnes ressources telles que les chimistes et les agronomes sera une nécessité. Le rapprochement vers les entreprises telles que : Brasserie du Cameroun ; HYDRAC ; IRAD ; SONARA, aura son importance. La réalisation du bioéthanol se fera au Lycée Technique de Nkolbisson. Les résultats théoriques seront vérifiés pratiquement par l'intermédiaire d'un appareillage moderne et conforme aux normes de contrôle de qualité en vigueur dans les industries pétrochimiques. Ce travail de recherche scientifique est destiné aux chercheurs en pétrochimie et aux thermiciens qui pourront exploiter les résultas obtenus ici comme élément de comparaison. Il est aussi destiné à la communauté Universitaire comme référence bibliographique dans l'étude des biocarburants. En fin il s'adresse aux politiques camerounais pour qu'ils mettent en oeuvre un cadre juridico-économique propice à l'émergence et au développement de la filière biocarburant.

Pour mieux comprendre cette approche des choses, notre travail consistera d'abord à situer le lecteur dans le contexte des carburants automobile à travers leurs corollaires environnementaux au chapitre 1. Le chapitre 2 présentera les généralités sur la matière première, par nous utilisée. Le chapitre 3 quant à lui présentera le matériel utilisé ainsi que Les méthodes d'élaboration et d'analyse chimico-calorifique du bioéthanol. La présentation et l'interprétation des résultats suivront au chapitre 4. Nous parachèverons notre étude par quelques suggestions utiles au chapitre 5.

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