Valorisation de la biomasse

Le laboratoire a développé une expertise dans la valorisation de la biomasse dite secondaire, c’est-à-dire, dans les déchets non comestibles, par l’usage de deux outils technologiques. 

D’une part, les ultrasons, en particulier ceux de basse fréquence par leurs effets physiques intenses, se sont révélés être une technologie disruptive très prometteuse. Pouvant être combinés à d'autres technologies physiques, agents chimiques ou enzymes, la littérature révèle de nombreux exemples de traitement/pré traitement/dissolution préférentielle efficaces et rapides de la biomasse sous toutes ses formes sous ultrasons basse fréquence, hybridés ou non, à l'échelle du laboratoire. 

D’autre part, les solvants ioniques ésotériques que sont les liquides ioniques et les solvants eutectiques qui sont considérés à l’heure actuelle comme les alternatives les plus prometteuses pour substituer les solvants organiques moléculaires traditionnels, vecteurs de gros problèmes HSE. Ces solvants recyclables et non volatiles présentent des propriétés physicochimiques remarquables et modulables qui peuvent jouer plusieurs rôles dans une même réaction en tant que solvant mais aussi comme co-solvant, catalyseur, réactif, etc. Ils permettent d’ouvrir de nouvelles voies de valorisation jusqu’à maintenant impossibles dans les solvants
organiques moléculaires traditionnels ou dans l’eau notamment en raison de leur grand pouvoir de dissolution de la biomasse. 

Ces deux outils de la chimie verte peuvent être utilisés seuls ou couplés pour autoriser des effets additionnels voire synergiques (Baup et al, 2021) et plusieurs exemples concrets du laboratoire montrent que ces outils technologiques sont très prometteurs et amènent à des exemples concrets dans la valorisation de ces déchets de la biomasse. Ainsi, dans le cadre d’une thèse de cotutelle avec l’Université Autonome de Léon, Mexique (2020-2023), des boues d’épuration et des huiles de récupération de restauration profesionnelle ont été converties en biodiesels.

La méthodologie utilisée a permis de convertir rapidement (30 minutes) et quantitativement (98%) en biodiesels ces déchets organiques bruts sous irradiation ultrasonore de basse fréquence en présence de quelques pourcents (1-5%) de solvants eutectiques profonds (DES pour Deep Eutetic Solvent) utilisés comme catalyseurs acides recyclables. Remarquablement, aucune étape préalable de préparation/ conditionnement de ces déchets n’a été nécessaire, déchets qui ont été utilisés « tels quels » après collectes dans des stations d’épuration ou des cuves à graisse de restaurants. Parallèlement, la quantité de méthanol a été réduite et l’utilisation de DES a permis de supprimer l’usage d’acide sulfurique concentré qui engendre des problèmes forts de corrosion et de sécurité en usage industriel. Ces biodiesels présentent de plus des caractéristiques physicochimiques très proches de ceux actuels issus du pétrole qui ne demandent pas de
changements drastiques de technologie dans les moteurs à explosion mais juste l’ajout d’additifs non toxiques comme CaO ou MgO.

Similairement, dans le cadre d’une thèse de codirection avec l’Université d’Oulu, Finlande, de la sciure de bois dur a été convertie en furfural en présence de 1-3% d’acide formique et en bois hydrolysé en l’absence d’acide formique sous irradiation ultrasonore basse fréquence. La Finlande est couverte à 80% par des forêts et son industrie de sylviculture est très forte et génère beaucoup de déchets pour la plupart valorisés comme source d’énergie par combustion. La valorisation de la matière lignocellulosique reste cependant complexe et énergivore car elle implique dans un premier temps l'extraction sélective de ses 3 principaux composants, à savoir la cellulose, l'hémicellulose et la lignine, pour ensuite les traiter séparément par des voies spécifiques. Ceci est encore plus vrai pour la sciure de bois qui contient beaucoup de lignine, biopolymère bidimensionnel très réfractaire et il est nécessaire de pouvoir extraire les hémicelluloses et cellulose de cette dernière pour ensuite les valoriser séparément. Pour se faire, une technologie ultrasonore originale permettant d’atteindre des conditions expérimentales inhabituelles avec des hautes températures (180-200°C) et pression (10-15 bar) ont permis la dissolution sélective de 3 composants de la matière lignocellulosique en plus d’une déstructuration rapide et totale des copeaux de bois jamais observée auparavant aussi rapidement, 15-30 minutes. Cette déstructuration conduit à une meilleure séparation des hémicelluloses par hydrolyse et à la formation de bois hydrolysé qui est un mélange cellulose/lignine oxydée biodégradable pouvant être manufacturée en objets du quotidien (couverts, assiettes, verres, brosses à dents, ustensiles de cuisine, etc.) se biodégradant après usage.

Références

 S. Baup et al., Ultrasonics Sonochemistry, 2021 https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105407