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Le Jatropha curcas
Le Jatropha curcas appartient à la famille des euphorbiacées. Il est probablement originaire de l’Amérique tropicale. Son aire de distribution originelle se trouve au Mexique et en Amérique centrale (Costa Rica, Salvador, Guatemala, Honduras, Nicaragua et Panama) [34]. De l’Amérique tropicale, il serait introduit en Afrique et en Asie par les Portugais via les iles Cap Vert et la Guinée Bissau. On le retrouve ainsi aujourd’hui dans toutes les régions tropicales et subtropicales [35]. À Madagascar il est répandu dans presque toutes la grande ile[36]. La liste des noms vernaculaires par région connue pour le jatropha curcas sont dans le tableau 1.
Écologie
Le Jatropha curcas pousse dans les régions tropicales et subtropicales entre le 30 ° N et 35 ° S [37]. Son adaptabilité́ lui permet de se développer dans un large éventail de conditions climatiques à savoir des conditions semi-arides à humides (précipitations annuelles variant de 300 à 3000 mm). Les conditions appropriées ont été́ constatées avec des précipitations annuelles au-dessus de 600 mm, avec un optimum à 1500 mm [40]. La plante nécessite des températures moyennes comprises entre 18 et 28°C avec un optimal se situant autour de 26 à 27°C[40]. La plante s’adapte à un large éventail de sol (sol alluvial, sol latérite rouge, gravier, sol sableux, sols salins [41]. Les sols de pH neutre (entre 6 et 8) bien drainé et aéré́ sont préférés. La grande force de la plante se trouve dans sa capacité à s’adapter aux sols pauvres en termes de contenu nutritif. Néanmoins, les propriétés du sol ont un impact sur la productivité́ qui peut être mauvaise pour des sols pauvres en nutriment et induire par conséquent l’utilisation abondante de fertilisants [42].
Pratiques bionomiques
Trois modes de cultures sont couramment utilisés pour le Jatropha curcas :
semis direct qui consiste en l’enfouissement de 2 à 3 graines par trou, prégermé ou non, à une profondeur de 2 à 3 cm. Il doit se faire de préférence au début de la saison des pluies, quand les premières pluies ont suffisamment humidifié le sol[29];
L’installation de plants élevés en pépinière, ce qui permet d’avoir des plantes qui possèdent un système racinaire dense. La transplantation des plants se fait quand ils ont atteint 30 à 40 cm, ou après de 2 mois de culture, en pépinière ;
Le bouturage consiste à prélever des boutures de 25-30cm de long sur des branches d’au moins un an et de les transplanter soit en pépinière soit au champ. Elles peuvent être prélevées un à deux mois avant la saison des pluies.
Ci-dessous les avantages et inconvénients des différents modes de culture :
Atténuation des problèmes environnementaux
Le Jatropha curcas est capable de générer des avantages environnementaux, tels que l’amélioration de la qualité des sols, la prévention de l’érosion des sols, la promotion et la valorisation des terres marginales[42]. Les effets sur le sol sont liés à l’amélioration de la structure du sol et à l’augmentation de la matière organique contenue dans le sol. En effet, la racine pivotante se comporte comme une pompe permettant d’extraire les nutriments et de les ramener à la surface à travers les fruits et les feuilles. Les nutriments ainsi captés permettent d’améliorer la fertilité du sol[2]. La plante s’est également révélée très efficace dans le cadre de la lutte contre l’érosion provoquée par les pluies[18]. Cela est dû au développement d’un filet dense de fines racines près de la surface qui lie le sol, fixe la terre et préserve ainsi le sol contre les fortes pluies[45]. Le système racinaire joue également un rôle important pour la stabilisation des pentes et le contrôle des processus d’érosion[45]. La plantation de Jatropha curcas sous forme de haies convient également.
Elle empêche en effet, partiellement l’érosion due au vent et le déplacement des dunes de sable, par la réduction de la vitesse du vent[45]. Malheureusement, ces effets anti érosion éolienne sont limités par la chute des feuilles pendant la saison sèche, causant moins de protection quand la vitesse du vent est élevée [43].
Utilisation comme clôture
Le Jatropha curcas est souvent planté pour protéger et limiter les jardins, les habitations, les champs. Les effets de protection sont possibles lorsque les feuilles sont matures et désagréables pour le bétail comme les moutons. Dans plusieurs régions de Madagascar, les plants de Jatropha curcas sont utilisées comme enclos et haie de séparation de terrain. Lorsqu’ils sont plantés très étroitement ensemble, les plantes créent une barrière impénétrable même pour des poulets. La teneur en humidité et de la tige et des feuilles, relativement élevée, confère à la plante une forte tolérance au feu. Les haies peuvent ainsi lutter également contre les feux de brousse[41]. Malheureusement, la production d’huile à partir des haies n’est pas très intéressante, car les espacements limités entre les plants ne permettent pas de forts rendements[18].
Utilisation médicale
Le Jatropha curcas est largement utilisé comme médicament traditionnel pour le traitement de diverses affections humaines et vétérinaires [37]. Cependant, ses propriétés médicinales traditionnelles doivent faire l’objet d’enquêtes approfondies et être soumises à des analyses médicales et toxicologiques[46]. La préparation de toutes les parties de la plante (feuilles, écorces, racines, graines) en décoction a des effets purgatifs et laxatifs [47]. Les feuilles peuvent être utilisées contre la malaria, les douleurs rhumatismales et musculaires [46,48].
Usage alimentaire
Le Jatropha curcas n’est pas un arbre comestible. Les graines sont toxiques et peuvent donc provoquer des intoxications chez les humains, en raison de la présenced’antinutritionnels (inhibiteurs de trypsine, curcine, tanins, saponines et phytates) et des facteurs toxiques (esters de phorbol). De nos jours, seule la variété du Mexique est non toxique. Elle est caractérisée par une teneur en ester de phorbol faible et peut être utilisée pour la consommation humaine après la torréfaction [2]. Des essais pour permettre la consommation de la variété non toxique ont été établis, mais des études supplémentaires sont nécessaires pour éviter les problèmes cliniques causés par les composants antinutritionnels.
Utilisation en tant que combustible solide
Les usages commerciaux du jatropha, notamment son huile et son tourteau, n’encouragent pas son utilisation en tant que bois de chauffe ou même en tant que charbon de bois. De plus, le bois du Jatropha curcas brule vite. Ce qui fait que son utilisation en tant que bois de chauffe n’est pas intéressante [47]. En outre, l’énergie contenue dans le bois est perdue à 70-80 % dans les procédés simples de fabrication de charbon de bois [2]. Il n’est donc pas intéressant d’utiliser le Jatropha curcas en tant que combustible solide.
Huile et tourteaux de Jatropha curcas
Extraction de l’huile et des coproduits
Les graines sèches de Jatropha curcas contiennent entre 30 et 40% d’huile par rapport à leur masse. Cette huile est facilement extraite en suivant les étapes suivantes :
le décorticage qui consiste à séparer la graine de sa coque manuellement (1,8-2 kg/h) ou mécaniquement à l’aide d’une décortiqueuse qui a une capacité de 200 à 300 kg/h ;
le séchage des graines dans un four (105°C) ou au soleil pendant au moins 3 semaines [49];
l’extraction de l’huile et la production des tourteaux et la filtration pour en extraire les impuretés.
Deux méthodes d’extraction sont aujourd’hui utilisées, à savoir l’extraction mécanique et l’extraction chimique. L’extraction mécanique est réalisée à partir de presses manuelles (presse Yenga ou presse bielenberg) pour des productions à petite échelle (1-10 kg/h) ou des presses à vis motorisées (presse Sundhara, presse Sayari ou encore des presses chinoises) pour des productions plus importantes. Le rendement en huile à partir de 1000 kg de graines se situe entre 220 et 260 litres au bout de 6 à 8 heures de fonctionnement en considérant que le rendement de la presse est autour de 75 à 80 %[43].
Les principales méthodes d’extractions chimiques sont l’extraction à l’aide d’un solvant, généralement le n-hexane (95% de l’huile est obtenue), l’extraction aqueuse de l’huile (40% de l’huile), l’extraction aqueuse enzymatique (70-80% de l’huile)[29]. Avec l’extraction chimique, on obtient un meilleur rendement et moins d’impuretés, comparativement à l’extraction mécanique. Cependant, l’extraction chimique n’est rentable que pour les grosses productions et peut avoir des impacts environnementaux plus importants [50]. L’huile produite contient des impuretés comme des particules solides, des poussières, de l’eau, des acides gras libres et des métaux pro-oxydants comme le cuivre et le fer. Même si la filtration de l’huile dépend de l’utilisation future, il convient d’éliminer ces impuretés pour éviter qu’elles n’altèrent la qualité de l’huile lors du stockage. L’utilisation de l’huile en tant que combustible pour les lampes pour éclairage et pour la fabrication du savon n’est pas très exigeante en qualité, par contre son utilisation en tant que combustible dans les moteurs diésel l’est. Les caractéristiques de l’huiles en comparaison avec le diésel sont représentées dans le tableau 4 Il importe donc d’éliminer les impuretés de taille supérieure ou égale à 5μm pour éviter que celles-ci ne bouchent les filtres dans le moteur. En outre, le phosphore, la moisissure et les acides gras libresont un impact négatif sur la qualité du biodiésel. Les poussières, les particules solides peuvent être éliminées par décantation, filtration ou centrifugation [51]. La décantation est recommandée pour les petits procédés et c’est le moyen le moins couteux et le plus simple de nettoyage de l’huile. Elle utilise la gravitation terrestre en laissant descendre au fond d’un réservoir les particules solides. La filtration s’effectue dans une membrane qui bloque toute particule plus grande que sa taille de pores. Plusieurs méthodes de filtration sont rapportées dans la littérature, comme la gravitation, les filtres à bandes ou les sacs, la presse à filtre, ou des filtres à feuilles de pression [49]. Les acides gras libres peuvent être réduits à partir de diverses méthodes comme la distillation à la vapeur, l’extraction à l’aide d’un alcool ou la transestérification. L’huile de Jatropha curcas contient entre 45 et 55% de matières grasses [52]. 14% de ces matières grasses sont des acides libres [51] et plus de 60% des matières grasses sont des triglycérides dont 70% sont des acides gras insaturés et 30% des acides gras saturés. 40% des acides gras insaturés sont des acides oléiques (18:1) et 35% des acides linoléiques (18:2) alors que 12% des acides gras saturés sont des acides palmitiques (16:0) et 3% des acides stéariques (18:0) [52]. Tout comme les graines, l’huile contient également des substances toxiques comme les esters de phorbol, mais qui ne sont pas polluants quand elles sont brulées [26]. La qualité de l’huile peut se détériorer si elle est mal stockée en raison de plusieurs réactions chimiques comme l’hydrolyse, la polymérisation et l’oxydation [26]. L’huile doit être stockée dans une chambre froide et sèche (moins de 30°C). Il faut éviter les variations de température, la condensation et l’exposition à l’air, à la lumière et à des substances volatiles comme les produits pétroliers. Le récipient de stockage devra être hermétique et rempli de préférence afin d’éviter la condensation et la présence d’eau dans l’huile [49].
L’extraction de l’huile génère des coproduits tels les coques et les tourteaux. La quantité d’huile restée dans le tourteau dépend de la méthode d’extraction (plus d’huile dans le tourteau pour l’extraction mécanique que pour l’extraction chimique). Compte tenu de l’efficacité des méthodes d’extraction, le tourteau de Jatropha curcas peut contenir entre 9 et 12% d’huile par rapport à la masse de la graine. Ce qui fais que le tourteau de Jatropha curcas a un contenu énergétique très important [29]. Tout comme l’huile, le tourteau contient aussi des substances toxiques qui font que le tourteau est impropre à la consommation animale. Le tourteau de Jatropha curcas a un contenu énergétique très important [29].
Utilisation des tourteaux
L’extraction de l’huile de Jatropha curcas donne un coproduit appelé tourteau. Il est caractérisé par une teneur élevée en protéines, en nutriments, et un fort contenu énergétique. Il peut être valorisé sous plusieurs formes à savoir comme engrais ou comme combustible pour la production de biogaz [41]. Du fait d’importantes quantités de tourteaux de Jatropha curcas obtenues après l’extraction, et de nombreuses possibilités en matière de valorisation, il importe de valoriser ce coproduit pour améliorer la viabilité économique d’un projet de production d’huile de jatropha. Le stockage des tourteaux nécessite des conditions de température bien précises. La température idoine de stockage doit être inférieure à 6°C tout en évitant l’humidité, car cela entrainerait des attaques fongiques. Une autre méthode de stockage consiste à déshydrater le tourteau ou à le presser davantage afin de réduire sa teneur en humidité puis le stocker dans des récipients hermétiques ou dans des endroits secs et frais [49].
Utilisation comme fertilisants
Le tourteau de Jatropha, curcas riche en nutriments, convient comme engrais. Son application comme engrais (0,75-3 tonnes à l’hectare) augmente significativement le rendement en graines de jatropha, au-delà de 13% [55] et même le rendement de cultures comestibles. De plus, la substance toxique, à savoir les esters de phorbol, est totalement biodégradable dans le sol et les produits dégradés apparaissent inoffensifs. L’application des tourteaux comme fertilisants n’a pas d’impact sur la communauté microbienne, les insectes, les invertébrés du sol [56]. Des études devraient s’orienter davantage sur la présence des substances toxiques dans les cultures en provenance de terres où le tourteau de Jatropha curcas est appliqué.
Utilisation comme combustible
Le tourteau de Jatropha curcas ayant un contenu énergétique élevé, il peut être utilisé comme combustible en le brulant [29]. Pour ce faire, il peut être transformé en briquette qui est caractérisée par une densité plus élevée et donc un contenu énergétique plus élevé par rapport au tourteau simple [49]. Des machines de briquèterie existent déjà. Elles permettent d’augmenter la force de cohésion entre les particules du tourteau.
L’inconvénient des briquettes de tourteau de Jatropha curcas est le rejet d’importantes quantités de fumées lors de la combustion [49].
Production de biogaz
Le tourteau de Jatropha curcas peut être utilisé comme matière première pour la production de biogaz par digestion anaérobique. Entre 0,4 et 0,6m3 de biogaz pourrait être produit à partir de 1kg de tourteau de Jatropha curcas [33]. Cependant, la transformation du tourteau de Jatropha curcas en biogaz nécessiteux énormément d’eau.
La boue qui est le coproduit obtenu dans la production du biogaz peut être valorisée en engrais. Il a un volume nutritif très élevé et les agents pathogènes sont tués lors du processus de production du biogaz.
Utilisation comme protéines animales
À l’exception de la variété mexicaine non toxique, toutes les autres variétés de Jatropha curcas doivent faire l’objet d’élimination de la substance toxique à savoir les esters de phorbol afin d’envisager une utilisation du tourteau comme alimentation pour le bétail [3].
Table des matières
RESUME
ABSTRACT
REMERCIEMENTS
TABLESDESMATIERES
LISTE DESTABLEAUX
LISTE DESFIGURES
ABREVIATIONS
NOMENCLATURES
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I.ÉTUDES BIBLIOGRAPHIQUES
I.1. Le Jatropha curcas
I.1.1. Écologie
I.1.2. Pratiques bionomiques
I.1.3. Usages du Jatropha curcas et ses différents produits
Atténuation des problèmes environnementaux
Utilisation comme clôture
Utilisation médicale
Usage alimentaire
Utilisation en tant que combustible solide
I.1.4. Huile et tourteaux de Jatropha curcas
Extraction de l’huile et des coproduits
Utilisation de l’huile
Utilisation des tourteaux
I.2. Le Biodiésel à Madagascar
I.2.1. Aperçu général du secteur
I.2.2. Projets Biodiesel des investisseurs
Recensement des investisseurs en Biodiésel
Zones de concentration des grands projets en Biodiésel
Réalisation des investisseurs en Biodiésel
Mode d’exploitation
I.2.3. Types de terrains occupés par les projets Biodiesel
Selon l’affectation du terrain : agricoles, pâturage, foret
Selon la toposéquence
Selon la qualité du sol
I.2.4. La collecte des graines de Jatropha curcas
I.2.5. Technologie de transformation
Transformation au niveau industriel
La transformation au niveau des paysans
I.2.6. Commercialisation et utilisation des produits
Au niveau de la commercialisation
Au niveau de l’utilisation
I.2.7. Analyse économique du secteur Biocarburant
I.2.8. Analyse économique du sous-secteur Biodiésel
Revenu des acteurs dans la collecte de graines de Jatropha curcas
Revenu et cout théorique de la production de graines de Jatropha curcas au niveau paysan
Cout d’extraction d’huile de Jatropha curcas
I.3. La réaction de transestérification
I.3.1. Les généralités sur les réactions de transestérification
I.3.2. Les alcools
Le méthanol
L’éthanol
I.3.3. Les paramètres affectant la réaction de transestérification
Effet du type de catalyseur
Effet du ratio alcool/huile
Effet du temps de réaction
Effet de la température de réaction
Effet de la vitesse d’agitation de réaction
I.3.4. Purification du biodiésel et des coproduits
I.3.5. La transestérification directe (in situ)
I.3.6. Les caractéristiques du biodiésel
La viscosité
Le pouvoir calorifique
I.4. L’Analyse exergétique
I.4.1. L’exergie : Définition
I.4.2. Transfert de travail
I.4.3. Transfert de chaleur
I.4.4. Transfert de flux de matière
I.5. Conclusion du chapitre
CHAPITRE II.MATERIELS ETMETHODES
II.1. Matériaux
II.2. Description du procédé et limites du système d’extraction de l’huile de Jatropha curcas
II.2.1. Séchage
II.2.2. Décorticage
II.2.3. Préchauffage
II.2.4. Extraction d’huile avec une presse à vis mécanique
II.3. Description du procédé de Transestérification
II.3.1. Synthèse de processus
II.3.2. Analyse des processus
II.3.3. Intégration du processus
II.3.4. Production de biodiésel
Détermination des compositions de matières premières
Détermination du catalyseur
Estimation des données thermodynamiques des composants
Calculs des flux d’alimentation
Type de réacteur et paramètre de fonctionnement
Simulations et conceptions de processus
II.4. Analyse exergétique
II.4.1. Calcul du rendement exergétique
II.4.2. Calcul des exergies physiques et chimiques
II.4.3. Méthodologie d’analyse exergétique des procédés
Aperçu général de la méthodologie
Efficacité à l’échelle de l’opération unitaire
Motivation et limite de l’efficacité intrinsèque
II.5. Calculs d’incertitudes
II.5.1. Développement d’un modèle
II.5.2. Identification de l’incertitude
II.5.3. Analyse du modèle avec simulation
II.5.4. Variables de sortie
CHAPITRE III.RESULTATS ET DISCUSSION
III.1. Évaluation des rendements exergétiques des flux et opérations du processus l’extraction mécanique d’huile de Jatropha curcas
III.1.1. Introduction
III.1.2. Les expérimentations
III.1.3. Résultats et discussions
III.1.4. Conclusions
III.2. Évaluation des rendements exergétiques des flux et opérations du processus de transestérification méthanoïque de l’huile de jatropha
III.2.1. Introduction
III.2.2. La simulation
III.2.3. Bilans et analyse exergétique du procédé de production biodiésel
Définitions des zones du procédé
Prétraitement des intrants
Transestérification
Lavage à l’eau
Purification du biodiésel (FAME)
Enlèvement du catalyseur alcalin
Purification de la glycérine
Rendement exergétique global de l’ensemble du procédé de production
III.2.4. Conclusion
CONCLUSIONS GENERALES ETPERSPECTIVES
REFERENCES
ANNEXES
Annexes 1. Résultats de l’analyse d’incertitude sur les données d’expérimentation
Annexes 2. Conditions opératoires de simulation et résultats détaillés
1. Conditions opératoires
2. Résultats détaillés
