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VaValoris
Présentée par Hassan Chadjaa,.Directeur Scientifique, CNETE
Titulaire chaire de recherche en bioprocédésIndustriels et fermentaire du CRSNGCRIBIQ/Sherbrooke 19 octobre 2017
Valorisation de matières organiques en produits biosourcés: Cas de réussites au CNETE
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Localisation: Shawinigan (QC) Canada
03 Laboratoires d’une surface de800 m2
Équipements de recherche de plus de 10 000 000$ (cd)
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Localisation : Trois-Rivières(QC) Canada
Laboratoires d’unesurface égale à 700 m2
Équipements de recherche3 500 000$ (cd)
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Domaines d’expertises:
- Bioprocédés industriels et fermentaires- Filtration membranaire (MF, UF, Nanofiltration Osmose inverse)- Microbiologie industrielle et biologie moléculaire- Électrochimie- Catalyse chimique et photochimique- Méthanisation- Caractérisation des gaz - Formulation bioproduits- Nanotechnologie (caractérisation
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Valorisation des matières organiques issues agro-ressources et de procédés industriels:
Il existe plusieurs voies pour la valorisation possible des agro-ressources, des déchets organiques et produits déclassés issus de l'agriculture de l’agroalimentaire et des circuits de distribution (marché, centre d’achat) pour ainsi les réintroduire dans le circuit de la chaîne alimentaire ou énergétique sous diverses formes:
- Compost et substrats organiques,- Engrais organiques, - Alimentation animale,- Biogaz (méthanisation)…
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L’exploitation de ces ressources végétales, appelées aussi « biomasse », a permis l’émergence d’un secteur prometteur de bioproduits, celui des biomatériaux. Ils regroupent, les bioplastiques qui sont produits à partir des biopolymères (biosourcés).
Valorisation des agroressources:
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Quoi valoriser, comment et en quoi??
- Résidus agro-inustriels (résidus agrumicoles, résidus jus de fruits, résidus Industrie de transformation des légumes et fruits …..);
- Résidus de récoltes (fruits et légumes à terre, fin de récolte… etc…)
- Produits déclassés: Fruits et légumes-rejets/couleur, calibre, taille, difformes. Ex: tomates, carottes, patates, oignons, agrumes et autres fruits
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Quoi valoriser, comment et en quoi??
- Modèle de recyclage-valorisation en fonction des besoins du marché ou l’intérêt de l’industrie des bioproduits;
- Les produits d’intérêts: Bioproduits (molécules plate-forme/sucres (glucose-fructose-sucrose), acides (lactique, acétique, propionique…), flaveurs-saveurs, colorant naturels, huiles essentielles, antimicrobiens et agents naturels de conservation, huiles essentielles, biosurfactants, additifs naturels,ingrédients (Ex: fibres naturelles, vitamines, polyphénols,…)
- Produits industriels, cosmétiques, antioxydants, produits et ingrédients pour alimentation de bétail et poulet.
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Projet 1: Valorisation de biomasse en bioproduits à haute valeur ajoutée: Sirop de pomme «breveté».
Quoi valoriser, comment et en quoi??
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Broyage des pomme déclassées
Extraction du jus
Séparation des sucres naturels
concentration des sucres=Sirop
Résidus de pomme
Déshydratation et formulation:
Analyses microbiologiques et
nutritionnelles
Nouveau produit de niche
Valorisation concentrat:•Kéfir de pomme• Boissons santé
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Extraction du jus
Clarification du jus par ultrafiltration
Concentration du jus clarifié par osmose
Évaporation du concentré
Extraction du jus
Clarification et décoloration du jus par ultrafiltration
Concentration du jus décoloré désacidifié par osmose inverse
Concentration par évaporation du concentré osmose
Désacidification du jus décoloré par nano
Schéma du procédé avec et sans étape de décoloration
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Membranes
Réservoir alimentation
Réservoir perméat
Pompe
Concentré
Perméat
Schéma du montage de filtration utilisé pour la réalisation des essais
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Étapes 1: Caractérisation des cultivars de pommes utilisées (MacIntosh, Cortland et Spartan)
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Comparaison des performances de différentes membranes céramiques
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Effet des paramètres d’opération sur les performances de la membrane 300kD
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Résultats de concentration sur la membrane BW30 du jus de pommes clarifié.
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Résultats des analyses de quelques acides organiques dans différents concentrés.
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Quantité de pommes : 60,8Kg (Spartan)
Extracteur de jus
Quantité de jus : 28Kg Fructose : 75,3 g/L Glucose : 27,4 g/L Sucrose : 22,4 g/L Total sucres : 125,1 g/L
Résidus : 27,5 Kg
Ajout d’eau : 27,5 Kg
Extracteur de jus Résidus : 27.2Kg (Rejet)
Liquide : 22.8Kg Fructose : 36 g/L Glucose : 13,6 g/L Sucrose : 12,3 g/L Total sucres : 61,9 g/L
Mélange des deux produits (filtration sur poche) Quantité : 46Kg Fructose : 55,7 g/L Glucose : 21,5 g/L Sucrose : 17 g/L Total sucres : 94,2 g/L
Clarification par UF et diafiltration
Concentré (rejet)
Jus clarifié Quantité : 50 Kg Fructose : 50 g/L Glucose : 18,3 g/L Sucrose : 14,8 g/L Total sucres : 83,1 g/L
Concentration par OI
Perméat (rejet)
Concentré : Quantité : 22 Kg Fructose : 115,14 g/L Glucose : 43,3 g/L Sucrose : 35,23 g/L Total sucres : 193,7 g/L
Quantité de sucres dans le concentré : 4,26 Kg. Taux de sucres par rapport aux pommes : 7%
Résultats de l’essai d’extraction, clarification et concentration des sucres (cultivar Spartan)
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Quantité de pommes : 61,4 Kg (Cortland)
Extracteur de jus
Quantité de jus : 25,6 Kg Fructose : 60,04 g/L Glucose : 26,21 g/L Sucrose : 22.94 g/L Total sucres : 109,2 g/L
Résidus : 29,9 Kg
Ajout d’eau : 44,8 Kg
Extracteur de jus Résidus : 30,6 Kg
Liquide : 37,9 Kg Fructose : 22,77 g/L Glucose : 10,27 g/L Sucrose : 9,61 g/L Total sucres : 42,65 g/L
Mélange des deux produits (filtration sur poche) Quantité : 57,3 Kg Fructose : 41,53 g/L Glucose : 17,54 g/L Sucrose : 16,51 g/L Total sucres : 75,58 g/L
Clarification par UF et diafiltration
Concentré (rejet)
Jus clarifié Quantité : 62,3 Kg Fructose : 37,27 g/L Glucose : 16,72 g/L Sucrose : 14,80 g/L Total sucres : 69,22 g/L
Concentration par OI
Perméat (rejet)
Concentré : Quantité : 19,3 Kg Fructose : 114,26 g/L Glucose : 50,90 g/L Sucrose : 46,40 g/L Total sucres : 211.56 g/L
Quantité de sucres dans le concentré : 4,08 Kg Taux de sucres par rapport aux pommes : 6,6 %
Résultats de l’essai d’extraction, clarification et concentration des sucres (cultivar Cortland)
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Quantité de pommes : 60,2 Kg (McIntosh)
Extracteur de jus
Quantité de jus : 25,9 Kg Fructose : 68,24 g/L Glucose : 25,28 g/L Sucrose : 12,81 g/L Total sucres : 103,3 g/L
Résidus : 28,5 Kg
Ajout d’eau : 42,8 Kg
Extracteur de jus Résidus : 24,6 Kg
Liquide : 39,6 Kg Fructose : 31,51 g/L Glucose : 11,43 g/L Sucrose : 8,55 g/L Total sucres : 51,49 g/L
Mélange des deux produits (filtration sur poche) Quantité : 60,6 Kg Fructose : 45,2 g/L Glucose : 16,34 g/L Sucrose : 8,01 g/L Total sucres : 69,55 g/L
Clarification par UF et diafiltration
Concentré (rejet)
Jus clarifié Quantité : 65,6 Kg Fructose : 41,37 g/L Glucose : 14,37 g/L Sucrose : 7,92 g/L Total sucres : 63,66 g/L
Concentration par OI
Perméat (rejet)
Concentré : Quantité : 21,9 Kg Fructose : 113,89 g/L Glucose : 39,41 g/L Sucrose : 20,99 g/L Total sucres : 174,29 g/L
Quantité de sucres dans le concentré : 4,82 Kg Taux de sucres par rapport aux pommes : 6,3 %
Résultats de l’essai d’extraction, clarification et concentration des sucres (cultivar McIntosh)
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La concentration des sucres de pommes, après l’étape de clarification par UF; Étape II. Concentration par nanofiltration ou osmose.
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La concentration des sucres de pommes, après l’étape de clarification par UF; Étape II. Concentration par nanofiltration. L’étape III. Évaporation (sous vide).
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Filtration du sirop (65 Brix) par filtre à plaque avant remplissage des barils de 200 litres ou l’embouteillage.
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Implantation d’une usine d’une capacité de 100 000 litres/année de sirop de pommes
Le procédé et le produit développés, brevetés. Patent Number: US (61/641,551) 2012-05-02
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Développement de produits et de suppléments alimentaires
- Développement à partir de la «pommace» des granules et suppléments alimentairesde spécialité et gâteries pour l’élevage équin, pet-food
- Développement à partir de «pommace» déshydratée des produits solides (contenant des fibres naturelles, vitamines, polyphénols). Niches de marchés cibles: Pain supplémenté, barres tendres, collations santé…)
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Projet 2: Production d’acide lactique biosourcé par bioconversion de substrats issus de résidus industriels et agroalimentaires.
Substrats utilisés:
1) Résidus agroalimentaire (résidus d’une usine de production de jus d’orange/citrus)
2) Hydrolysat de pâte craft (résidus industrie des pâtes et papiers)
3) Hydrolysat de pâte thermomécanique (résidus industrie des pâtes et papiers)
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Substrat + Bioagent Acide lactique
Bioagent = (Lactobacillus rhamnosus)
Substrat 1= Glucose+ Fructose + sucrose/C6et C12 et présence d’inhibiteurs)
Substrat 2 = xylose (C5/présence d’inhibiteurs)
Substrat 3=Glucose (C6 peu d’inhibiteurs)
La bioconversion:
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Substrats complexe
Choix du micro-
organisme
Choix des conditions de
cultureChoix des
suppléments
Importance de la contrainte de substrats dans l’élaboration de plusieurs aspects critiques
de la production d’acide lactique
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Analyse RésultatsXylose (g/L) 0,10
Fructose (g/L) 18,53Glucose (g/L) 20,505Sucrose (g/L) 27,66
Phénol totaux UV/visible (g/L) 1,07Carbone Organique Total (g/L) 46,8
Azote Total kjeldahl (g/L) 0,802HMF (PPM) 2,1
Furfural (PPM) 0,5Acide Gallique (PPM) 0,0
Catechol (PPM) 31,3Vanilline (PPM) 0,1
Syringaldéhyde (PPM) 1,0pH 2,5
Acide lactique (g/L) 0,25Acide acétique (g/L) 0,10
Acide propionique (g/L) 0,31
Minéraux Fraction liquide (ppm) RésultatsAl
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Analyse RésultatsXylose (g/L) 18,06
Glucose (g/L) 1,06Phénol totaux UV/visible (g/L) 0,80Carbone Organique Total (g/L) 21,14
Azote Total kjeldahl (g/L) 0,039Acide lactique (g/L) 0,472Acide acétique (g/L) 4,5
Acide propionique (g/L) 0,032HMF (PPM) 112,2
Furfural (PPM) 411,7Acide Gallique (PPM) 23,1
Catechol (PPM) 370,4Vanilline (PPM) 39,8
Syringaldéhyde (PPM) 45,4pH 8
Minéraux Fraction liquide (ppm)
Résultats
Al
-
Hydrolysat Ratio Carbone/AzoteRLAF-004
Milieu de référence MRS 6,3
RLAF-005
Hydrolysat kraft détox +
minéraux et azote
1,42
RLAF-008
Hydrolysat kraft 3X et détox + minéraux et
azote
21
RLAF-009
Hydrolysat kraft + minéraux et
azote17
RLAF-010
Hydrolysat kraft + 20g/L glucose + minéraux et
azote
22
RLAF-011
20g/L xylose + suppléments +
minéraux et azote
7
RLAF-012
Hydrolysat kraft détox + 20g/L
glucose + minéraux et
azote
20
16,02
0,00 0,00 0,00 0,27 0,52 2,812,37 0,00 0,00 0,00 0,00 0,37 0,62
17,15
0,50 0,00 0,00 0,00 6,00 2,70
Conc
entr
atio
n (g
/L)
Production d'acide organique lors des fermentations
Acide Lactique (g/L) Acide Acétique (g/L)
Consomation de sucre (g/L)
Résultats de la fermentation avec l’hydrolysat
-
Substrat d’agrume
Ratio Carbone/Az
oteRLAF-004
Milieu de référence MRS 6,3
RLAF-006
Jus d'agrume 1/3 + minéraux
et azote9,5
RLAF-007
Jus d'agrume + minéraux et
azote15,9
RLAF-013
Jus d'agrume + Azote 19,9
RLAF-014 Jus d'agrume 57,1
RLAF-015
Jus d'agrume 1/3 + minéraux et azote + Feed
jus d'agrume
12
16,0220,54
62,70
42,78
0,002,37 5,68 0,00 0,53 0,0017,15 19,18
51,92
41,88
0,00
RLAF-004 RLAF-006 RLAF-007 RLAF-013 RLAF-014
Conc
entr
atio
n (g
/L)
Production d'acide organique lors des fermentations
Acide Lactique (g/L) Acide Acétique (g/L) Consomation de sucre (g/L)
Résultats de la fermentation avec le substrat d’agrumes
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Les rendements d’acide lactique obtenus:
Substrat 1= Résidus d’agrumes Rdt= 62,7g/l)
Substrat 2 = hydrolysat de pâte Kraft Rdt
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Un procédé de recyclage de matière organique
Digestion Anaérobie
Option pour respecter la nouvelle loi de gestion de matières putrescibles
Technologie prouvée
Besoin de études pour chaque cas afin de bien réussir une exploitation industrielle
Biométhanisation
-
Biométhanisation
Chen et al., 2015
-
Biométhanisation
Digestion Anaérobie
CommunautéMicrobienne
Matière organique
Biogaz (CH4, CO2)
Digestat
Origine :- Municipal- Agro-industriel
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Biométhanisation
Digestion Anaérobie
CommunautéMicrobienne
HydrolyseMO BiogazAcido-genèse
Acéto-genèse
Méthano-genèse
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Biométhanisation
Chen et al., 2015
Typical composition of biogas
Component (%) Agricultural waste Landfills Industrial waste
Methane CH4 50-80 50-80 50-70
Carbon dioxide CO2 30-50 20-50 30-50
Hydrogen sulphide H2S 0.70 0.10 0.80
Hydrogen H2 0-2 0-5 0-2
Nitrogen N2 0-1 0-3 0-1
Oxygen O2 0-1 0-1 0-1
Carbon monoxide (CO) 0-1 0-1 0-1
Ammonia NH3 Traces Traces Traces
Siloxanes Traces Traces Traces
Water H2O Saturation Saturation Saturation
Typical composition of biogas
Component (%)
Agricultural waste
Landfills
Industrial waste
Methane CH4
50-80
50-80
50-70
Carbon dioxide CO2
30-50
20-50
30-50
Hydrogen sulphide H2S
0.70
0.10
0.80
Hydrogen H2
0-2
0-5
0-2
Nitrogen N2
0-1
0-3
0-1
Oxygen O2
0-1
0-1
0-1
Carbon monoxide (CO)
0-1
0-1
0-1
Ammonia NH3
Traces
Traces
Traces
Siloxanes
Traces
Traces
Traces
Water H2O
Saturation
Saturation
Saturation
Typical composition of biogas
Component (%)
Agricultural waste
Landfills
Industrial waste
Methane CH
4
50
-
80
50
-
80
50
-
70
Carbon dioxide CO
2
30
-
50
20
-
50
30
-
50
Hydrogen sulphide H
2
S
0.70
0.10
0.80
Hydrogen H
2
0
-
2
0
-
5
0
-
2
Nitrogen N
2
0
-
1
0
-
3
0
-
1
Oxygen
O
2
0
-
1
0
-
1
0
-
1
Carbon monoxide (CO)
0
-
1
0
-
1
0
-
1
Ammonia NH
3
Traces
Traces
Traces
Siloxanes
Traces
Traces
Traces
Water H
2
O
Saturation
Saturation
Saturation
Typical composition of biogas
Component (%) Agricultural waste Landfills Industrial waste
Methane CH
4
50-80 50-80 50-70
Carbon dioxide CO
2
30-50 20-50 30-50
Hydrogen sulphide H
2
S 0.70 0.10 0.80
Hydrogen H
2
0-2 0-5 0-2
Nitrogen N
2
0-1 0-3 0-1
Oxygen O
2
0-1 0-1 0-1
Carbon monoxide (CO) 0-1 0-1 0-1
Ammonia NH
3
Traces Traces Traces
Siloxanes Traces Traces Traces
Water H
2
O Saturation Saturation Saturation
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Biométhanisation
Processus de mise à l'échelle
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Biométhanisation
Fuente: Baldwin, 2009
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Biométhanisation
Baldwin, 2009
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Biométhanisation
Baldwin, 2009
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Composants mélange R01 Proportion de MS dans R01 (%) Teneur en MS intrant brut (%)MOTS+ICI 63 21Boues 37 33
Composants mélange R07 Proportion de MS dans R07(%) Teneur en MS intrant brut (%)MOTS+ICI 36 21Gazon 41 25Boues 23 33
Biométhanisation
-
Biométhanisation
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 5 10 15 20 25 30
Ren
dem
ent d
e bi
ogaz
(m3 /t
on M
O)
Temps (jour)
Rendement de production de biogaz(BMP)
R01R07
-
Biométhanisation
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20 25 30Ren
dem
ent d
e m
étha
ne (m
3 /ton
MO
)
Temps (jour)
Rendement de production de méthane(BMP)
R01
R07
-
BiométhanisationVariation de la concentration de méthane et du pH dans le digesteur thermophile
4
5
6
7
8
0
20
40
60
80
10 15 20 25 30 35
pH
Con
cent
ratio
n de
mét
hane
(%)
Semaine
Digesteur Thermophile - R01
CH4 (%)pH
-
BiométhanisationVariation de la concentration de méthane et du pH dans le digesteur mésophile utilisant comme intrant la recette d’hiver R01
7,0
7,5
8,0
40
50
60
70
80
10 15 20 25 30 35
pH
Con
cent
ratio
n de
mét
hane
(%)
Semaine
Digesteur mésophile - R01
CH4 (%)pH
-
Biométhanisation
Variation de la concentration de méthane en fonction de la capacité tampon du digestat pour des digesteurs thermophiles alimentés avec les recettes R01 ou R07 et des boues d’abattoir.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100 120 140
Con
cent
ratio
n de
mét
hane
(% v
/v)
Capacité tampon (meq NaOH)
Variation de la concentration de CH4 en fonction de la capacité tampon
R01R07
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Développement et optimisation du procédé de biométhanisation pour l’usine de Rivière du Loup
Clients: Terix-Envirogaz et SEMER
Déterminer le potentiel énergétique de la matièreBMP- Biomethane Potential
Pilote au CNETE: Plateforme biométhanisation 300L
CNETE: Pilote chez le client: Digesteur pilote 4 500L
Usine de production de biogaz 2 M litres (Rivière-Du-Loup)
Nos réalisations:
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Conclusion:
Ils existe plusieurs voies de valorisation de la matière organique, des résidus solides ou liquides industriels et agro-industriels.
Le développement de bioproduits reste une voie attrayante puisque les marchés des Bioproduits et des extractibles est en développement continu.
Le développement de produits par bioconversion, fermentation et bioprocédés Fermentaires est une autre voie en pleine expansion et d’avenir.
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Merci
Une équipe, une force
Diapositive numéro 1Diapositive numéro 2Diapositive numéro 3Diapositive numéro 4Diapositive numéro 5Diapositive numéro 6Diapositive numéro 7Diapositive numéro 8Diapositive numéro 9Diapositive numéro 10Diapositive numéro 11Diapositive numéro 12Diapositive numéro 13Diapositive numéro 14Diapositive numéro 15Diapositive numéro 16Diapositive numéro 17Diapositive numéro 18Diapositive numéro 19Diapositive numéro 20Diapositive numéro 21Diapositive numéro 22Diapositive numéro 23Diapositive numéro 24Diapositive numéro 25Diapositive numéro 26Diapositive numéro 27Diapositive numéro 28Diapositive numéro 29Diapositive numéro 30Diapositive numéro 31Diapositive numéro 32Diapositive numéro 33Diapositive numéro 34Diapositive numéro 35Diapositive numéro 36Diapositive numéro 37Diapositive numéro 38Diapositive numéro 39Diapositive numéro 40Diapositive numéro 41Diapositive numéro 42Diapositive numéro 43Diapositive numéro 44Diapositive numéro 45Diapositive numéro 46Diapositive numéro 47Diapositive numéro 48Diapositive numéro 49Diapositive numéro 50Diapositive numéro 51