Lundi 6 Avril 2009

Quand le bois ou la paille se substitue au pétrole …

Catherine Lapierre
Stéphanie Baumberger

Agro ParisTech

Bois, pailles, sons … ces matières premières forestières et agricoles ont un point commun : la paroi ligno-cellulosique, constituants majeurs des fibres végétales. Véritables édifices macromoléculaires, ces parois deviennent sources de molécules pour la chimie, les matériaux et l’énergie lorsque le végétal est soumis au processus de bioraffinerie.

La cellulose, les lignines et les hémicelluloses sont les trois principaux polymères constitutifs des parois des végétaux terrestres. Leur association par liaisons covalentes et non covalentes (Figure 1) permet aux plantes de résister aux contraintes mécaniques et aux enzymes des microorganismes. La conversion de la biomasse ligno-cellulosique en molécules d’intérêt passe par une étape de déstructuration et/ou de séparation de ces constituants (fractionnement) afin d’augmenter l’accessibilité des polymères aux agents de conversion chimique ou enzymatique.

Figure 1. Organisation supramoléculaire de la paroi de graminée montrant les différents polymères constitutifs (cellulose, hémicellulose, lignines) et la réticulation de certains de ces polymères via les acides phénoliques.

Ainsi, en traitant les parois lignifiées en milieu alcalin (en condition de sévérité variable selon la matière première), on élimine une partie des lignines, véritable ciment enrobant les chaînes de cellulose et les hémicelluloses, pour libérer des fibres enrichies en cellulose (Figure 2). Ces fibres de cellulose constituent la matrice de la pâte à papier et peuvent être utilisées comme renfort dans des agro-matériaux. Elles représentent en outre une importante source de glucose qui, libéré par hydrolyse enzymatique ou acide (Figure 3), peut être fermenté en bio-éthanol et autres molécules « synthons » pour la chimie. Les lignines, solubilisées en milieu alcalin grâce à l’ionisation de leurs groupes phénoliques, peuvent être récupérées par acidification, ce qui provoque leur précipitation. Une fois purifiées, ces lignines peuvent être utilisées dans des applications diversifiées allant des matières plastiques biodégradables aux boues de forage en passant par l’utilisation comme liant dans des produits formulés destinés à l’alimentation animale (Figure 4).

Figure 2. Fractionnement d’un échantillon de paille de blé : (1) suspension de la paille broyée dans une solution de soude 2M avec coloration brune de la phase liquide par les lignines dissoutes ; (2) solution de lignines récupérée par filtration de la suspension ; (3) précipitation des lignines par acidification du filtrat et stockage à 4°C. L’acidification régénère les fonctions OH carboxylique et phénolique libres qui sont sous forme ionisée en milieu alcalin. La même expérience réalisée sur de la sciure de bois ne permet de récupérer qu’une très faible proportion de lignines car les lignines de bois présentent moins de fonctions OH libres.

Figure 3. Effet d’un traitement alcalin préalable sur l’efficacité de la conversion enzymatique de la paille de blé en glucose : les trois échantillons de paille pré-traitée (à droite) sont davantage dégradés par les cellulases que les échantillons natifs (à gauche).

Essentielles aux plantes avant récolte, les lignines sont des polymères phénoliques qui constituent le principal obstacle aux transformations biologiques ou industrielles des parois. Existe-t-il des parois lignifiées plus aptes à ces transformations et, dans ce cas, quelles sont les spécificités structurales de ces parois? Il existe deux stratégies complémentaires pour répondre à cette question importante pour la valorisation rationnelle des ligno-celluloses. On peut utiliser des plantes modèles affectées dans leur lignification par voie génétique et étudier l’impact des modifications structurales des lignines sur les propriétés des parois. Par ailleurs, on peut mimer, in vitro, le processus de lignification, processus radicalaire initié par oxydation enzymatique. En réalisant cette réaction dans des conditions contrôlées, il est possible de faire varier la structure des lignines afin de mieux comprendre l’impact de ces polymères sur les propriétés des parois.

Figure 4. Utilisation potentielle des lignines comme agent hydrophobant de biomatériaux : échantillon de lignines industrielles ; film d’amidon greffé par des lignines ; mouillabilité du film avant (a) et après (b) hydrophobation.

VIDEO de la conférence

UMR de Chimie Biologique Agro ParisTech INRA