Faire progresser les connaissances sur le bioraffinage durable
La lignine est un polymère naturel présent dans les tissus végétaux et l’un des principaux composants de la lignocellulose ou biomasse. Chaque année, l’industrie papetière rejette environ 130 millions de tonnes de lignines. Pourtant, bien qu’elle représente 30 % de la biomasse végétale et 40 % de son contenu énergétique, la lignine est sous‑utilisée, ne servant principalement que de source de combustible solide à faible énergie. Le bioraffinage «lignin-first» («la lignine d’abord») est une technique qui utilise la catalyse chimique et envisage la valorisation de la lignine dans la phase de conception de la déconstruction de la biomasse. Le projet LIGNINFIRST (The Lignin-First Approach for the Full Valorisation of Lignocellulosic Biomass), soutenu par le CER et hébergé par l’Imperial College de Londres, a été mis en place pour étudier les processus complexes de déconstruction de la biomasse et développer de nouvelles stratégies visant à améliorer le rendement individuel des composés précieux libérés lors du bioraffinage de la lignine. «Notre groupe de recherche a été le premier à adopter l’approche du bioraffinage de “la lignine d’abord” en utilisant des molécules organiques comme source d’hydrogène pour contrôler la réactivité des fragments de lignine», explique Roberto Rinaldi, chercheur principal du projet. «Une meilleure compréhension de la chimie complexe impliquée permettra d’améliorer notre procédé breveté.»
Stabiliser les produits de la lignine
La lignine est dotée d’une structure chimique complexe, chaque molécule qui la compose étant différente. Aux prémices du bioraffinage de la lignine, les chercheurs ont découvert que, quelle que soit la qualité des catalyseurs, les approches conventionnelles produisaient systématiquement des mélanges très complexes de composés, ce qui rendait leur utilisation difficile. Les catalyseurs, qui déconstruisent la lignocellulose, fonctionnent par dépolymérisation: les grosses molécules sont décomposées en fractions de cellulose, d’hémicelluloses et de lignine. Les travaux pionniers de Roberto Rinaldi ont contribué à la prise de conscience du fait que le problème ne résidait pas dans les catalyseurs eux‑mêmes, mais plutôt dans la dégradation de la lignine au cours du processus d’extraction et dans son impact sur sa réceptivité au traitement chimique. Les fragments de lignine étant réactifs, le processus de bioraffinage les amène souvent à se recombiner pour former des structures polymères moins réactives mais plus complexes, ou lignines «techniques». Le projet LIGNINFIRST a permis à l’équipe de perfectionner sa stratégie de traitement de la lignine sous sa forme «native». «Nous avons découvert que l’utilisation d’un catalyseur au stade de l’extraction de la lignine, d’où l’expression “la lignine d’abord”, au lieu de traiter la lignine extraite en présence d’un catalyseur, permettait de contrôler la recombinaison des fragments de lignine. Cela a permis de produire quelques composés de grande valeur plutôt qu’un mélange complexe de plusieurs d’entre eux», explique Roberto Rinaldi. L’équipe a également démontré que la relation entre la catalyse et la valorisation de la lignine ne se limite plus au traitement en aval: le traitement des déchets de lignine technique générés par l’industrie papetière. Les solutions de catalyse pour le processus de fabrication de la pâte à papier ont introduit des méthodes de déconstruction de la lignocellulose, appelées «bioraffinage catalytique en amont». En outre, la preuve de concept de la filtration sur membrane pour raffiner la lignine a également été réalisée. «Il est crucial de développer des procédés de séparation des composés de la liqueur de “la lignine d’abord”, afin de faciliter le recyclage des solvants de la liqueur et de transformer les produits de la lignine en biocarburants avancés», note‑t‑il.
Au service de la bioéconomie
L’industrie papetière crée directement plus de 180 000 emplois en Europe et 1,5 million indirectement. Avec un chiffre d’affaires de 90 milliards d’euros, le secteur contribue à hauteur de 20 milliards d’euros au PIB de l’UE. La recherche fondamentale de LIGNINFIRST profite aux efforts visant à accroître la valeur de la lignocellulose issue du bois et des résidus de culture. «Nous ne considérons pas un baril de pétrole brut comme un déchet car nous disposons de la technologie nécessaire pour le transformer en matériaux utiles, contrairement aux sacs de copeaux de bois malgré leur potentiel», explique Roberto Rinaldi. «En comprenant mieux l’interaction des processus chimiques dans le bioraffinage de “la lignine d’abord”, LIGNINFIRST a contribué non seulement aux efforts de valorisation de la lignine mais aussi à la maximisation de la biomasse en tant que matière première renouvelable pour une fabrication durable.»
Mots‑clés
LIGNINFIRST, lignine, bioraffinage, biomasse, bioéconomie, lignocellulose, catalyse, dépolymérisation, industrie papetière, déchets, composé
