Produits chimiques issus de la biomasse

chemicals from biomass

Les produits chimiques issus de la biomasse englobent une classe de produits chimiques dérivés de sources renouvelables et organiques. La majorité des matériaux issus de la biomasse comprennent des produits ou des sous-produits à base de plantes, bien que des substances d’origine animale comme les graisses ou les fumiers soient également incluses.

Alors que les produits chimiques issus de la biomasse ont suscité un regain d’attention lors des crises pétrolières des années 1970, il ne s’agit pas d’innovations récentes. En fait, l’industrie chimique s’est autrefois fortement appuyée sur le bois, les sucres, les amidons et les graisses animales pour fabriquer des produits chimiques.

Certains produits chimiques issus de la biomasse restent des composants vitaux de l’industrie chimique. Les fibres de cellulose, par exemple, continuent de dominer des marchés importants malgré la concurrence des matériaux à base de pétrole au fil des ans.

De nombreux autres processus chimiques de la biomasse étaient opérationnels jusqu’aux années 1960 et persistent encore dans les pays en développement ou les pays n’ayant pas un accès pratique au pétrole.

Parmi les exemples notables de produits chimiques importants de la biomasse, citons l’éthanol, l’acétone/butanol, l’acide itaconique, l’acide lactique, la gomme de xanthane, le sorbitol, les amidons industriels, les acides gras et les alcools provenant de végétaux et d’animaux, le glycérol, le savon, le furfural et ses dérivés, la rayonne, la cellophane, carboxyméthylcellulose, lignosulfonates, tall oil, vanilline et méthanol.

Lors des crises pétroliers des années 1970, plusieurs entreprises chimiques ont revisité le domaine des produits chimiques issus de la biomasse. Aux États-Unis, l’éthanol dérivé de la fermentation des céréales a fait l’objet d’une attention particulière, car il était activement soutenu par le gouvernement fédéral en tant que prolongateur d’essence et amplificateur des niveaux d’octane.

D’autres produits chimiques de base à base de biomasse qui ont fait l’objet d’une attention particulière au cours de cette période comprenaient le méthanol, l’acide acétique, le butanol/acétone et les dérivés de l’éthanol.

Avec la stabilisation des prix du pétrole, la plupart des producteurs de produits chimiques aux États-Unis ont abandonné leurs intérêts dans les produits chimiques issus de la biomasse.

Cependant, quelques fabricants explorent actuellement de nouvelles avenues dans les produits chimiques spécialisés de la biomasse, tels que les polymères d’amidon innovants, les nouveaux produits chimiques à base de lignine et les gommes de polysaccharides.

L’intérêt fluctuant pour les produits chimiques issus de la biomasse reflète, dans une certaine mesure, la fluctuation des prix du pétrole. Néanmoins, d’autres caractéristiques inhérentes aux produits chimiques de la biomasse ont contribué à une approche prudente de leur réaménagement.

Table des matières

1. Matières premières de la biomasse

La catégorie des matières premières de la biomasse est vaste et comprend diverses sources telles que les céréales, les cultures sucrières, les cultures oléagineuses, les déchets agricoles, les sous-produits liquides et solides de la transformation des aliments, le bois, les copeaux de bois, les écorces, les résidus d’usine, les résidus forestiers, les liqueurs de pâte à papier, les graisses animales, du fumier, des algues et même des cultures exotiques comme le guayule, le jojoba et l’euphorbe.

Tous les matériaux de la biomasse sont constitués de carbone, d’hydrogène et d’oxygène, mais la composition chimique de chaque type de matériau est distincte. En raison de la teneur importante en oxygène (jusqu’à 40 %) que l’on trouve dans la plupart des matériaux issus de la biomasse, ils sont généralement considérés comme des sources précieuses de produits chimiques oxygénés.

La diversité des matériaux issus de la biomasse nécessite la conception de procédés chimiques spécifiques à la biomasse pour chaque type de matériau. Contrairement au pétrole, qui est une substance plus simple et plus uniforme, la biomasse provenant de différentes sources ne peut pas être échangée.

La production et la collecte de matières premières de biomasse présentent également des défis. Lorsqu’une matière première de biomasse bien établie comme l’amidon est utilisée, la production et la collecte sont simples car il existe déjà une industrie de transformation de l’amidon.

Cependant, l’utilisation de l’amidon pour la production de nouveaux produits chimiques ou pour augmenter la production de produits chimiques conventionnels à base d’amidon peut entraîner une concurrence avec les marchés de l’amidon existants. Le même raisonnement s’applique à l’utilisation de bois d’œuvre ou de bois à pâte comme matière première pour la production chimique.

Le choix d’une matière première de biomasse non conventionnelle, comme les résidus agricoles, pose des problèmes logistiques pour la collecte des matières dispersées. Généralement, les déchets de biomasse sont volumineux, dispersés et économiquement difficiles à collecter et à transporter sur de longues distances.

Les procédés chimiques de biomasse actuellement opérationnels utilisent principalement des matières premières de biomasse conventionnelles telles que le sucre, l’amidon et le bois, ainsi que des déchets de biomasse tels que des résidus forestiers, des liqueurs de pâte et des résidus agricoles.

Des recherches sont actuellement en cours pour explorer le potentiel de nouvelles cultures comme le guayule, le jojoba, l’euphorbe ou le crambe qui peuvent être cultivées sur des terres actuellement incultes exclusivement pour la production chimique.

Certains de ces projets, y compris la mise en place d’initiatives forestières à rotation courte, nécessitent encore un développement plus poussé des infrastructures de production et de collecte, des industries de transformation et des marchés.

2. Technologie de production de produits chimiques à partir de la biomasse

En raison de la composition complexe des matériaux issus de la biomasse, la conversion de ces substances en produits chimiques manque souvent d’efficacité. Les matières végétales, par exemple, sont constituées de trois composants principaux : la cellulose, l’hémicellulose et la lignine.

Lorsqu’un processus chimique n’utilise qu’un seul composant, tandis que les autres deviennent des déchets nécessitant une élimination, le processus global devient économiquement défavorable. Dans la pâte à papier traditionnelle, par exemple, la cellulose est séparée des fractions de lignine et d’hémicellulose, qui sont généralement brûlées pour produire de l’énergie ou parfois transformées en produits chimiques spécialisés.

Pour assurer le succès des plans chimiques de la biomasse à l’avenir, les nouveaux procédés chimiques du bois devraient probablement trouver des applications à plus grande valeur pour la lignine et l’hémicellulose. Certains experts dans le domaine de la biomasse ont proposé le concept d’une « raffinerie de biomasse » comme élément nécessaire pour de tels plans.

La séparation des composants des matériaux lignocellulosiques sans utilisation intensive de produits chimiques et d’énergie, comme cela se fait dans la pâte à bois traditionnelle, présente une tâche difficile. Le développement de nouvelles technologies de procédé pour convertir les sucres à six carbones de la cellulose de bois en éthanol a été considérablement entravé par ce problème de séparation, malgré des efforts de recherche intensifs.

Les produits chimiques de la biomasse dérivés des composants purifiés de la lignocellulose sont souvent produits par fermentation. Le sucre ou l’amidon est généralement utilisé comme matière première pour ces produits chimiques, notamment l’éthanol, le butanol/acétone, l’acide citrique et la gomme de xanthane.

Bien que la fermentation soit un processus bien établi, son application plus large à la production chimique se heurte à certains défis. Un processus de fermentation typique génère un flux de produit dilué contenant seulement 10 % ou moins du produit souhaité, ce qui nécessite une concentration ultérieure.

L’éthanol, par exemple, est couramment séparé du mélange de fermentation par une distillation énergivore. Bien que des progrès aient été réalisés dans la recherche et le développement sur la séparation de l’éthanol, le problème n’a pas été complètement résolu.

Les produits chimiques issus de la biomasse peuvent également être produits par des voies de conversion chimique. Les amidons industriels modifiés par des procédés chimiques, ainsi que les polymères à base d’amidon, sont fabriqués selon cette approche. De plus, des acides gras et des alcools à base d’huiles végétales sont produits par des procédés chimiques.

En raison de la difficulté et du coût associés à la séparation des composants de la biomasse, certains produits chimiques de la biomasse sont créés par des voies thermochimiques qui utilisent l’intégralité du matériau.

L’exemple le plus ancien et le plus connu de ce type de procédé est la distillation destructive du bois pour produire du méthanol. Dans les procédés plus récents, la biomasse est gazéifiée en gaz de synthèse puis reformée en méthanol.

La biomasse peut également être gazéifiée en méthane ou pyrolysée en goudrons et en hydrocarbures liquides. Cependant, la plupart des travaux sur la gazéification et la pyrolyse pour la production chimique en sont encore au laboratoire ou aux premiers stades de développement de l’usine pilote.

Une autre voie de conversion chimique impliquant l’ensemble du matériau de la biomasse est la digestion anaérobie des solides ou des liquides de la biomasse. Développée à l’origine comme une méthode de traitement des eaux usées liquides, la digestion anaérobie qui produit du méthane a été initialement conçue comme un moyen moins énergivore de réduire la demande chimique en oxygène des déchets. Ce processus a également été exploré comme moyen de produire du méthane de qualité pipelinière.

3. Produits chimiques issus de la biomasse

3.1. Éthanol et ses dérivés

L’éthanol est un produit chimique de la biomasse largement étudié. Au début des années 1980, les États-Unis ont soutenu la production d’éthanol de fermentation comme prolongateur de carburant grâce à une exonération de la taxe sur les carburants. Cette incitation a entraîné une croissance significative de la production de l’éthanol comme carburant et de qualité industrielle.

L’éthanol de fermentation de qualité industrielle a commencé à remplacer l’éthanol synthétique sur le marché des produits chimiques, et il était prévu que l’éthanol de fermentation dominerait le marché de l’éthanol industriel d’ici 1990.

L’éthanol carburant est généralement produit par fermentation discontinue d’amidons ou de sucres à l’aide de la levure Saccharomyces cerevisiae. Des procédés de fermentation continue étaient également en cours de développement pour la commercialisation.

L’éthanol peut être converti en d’autres produits chimiques de base à grand volume. Un exemple est la conversion d’éthanol en éthylène en faisant passer de la vapeur d’éthanol sur un catalyseur d’alumine à lit fixe chauffé. Le mélange éthylène-eau résultant est séparé en ses composants. Cette méthode, bien que coûteuse, est utilisée au Brésil, où il existe un programme d’éthanol de fermentation soutenu par le gouvernement.

L’acétaldéhyde, actuellement produit par voie pétrochimique, peut également être dérivé de l’éthanol. L’éthanol est vaporisé et passé sur un catalyseur de cuivre activé au chrome à lit fixe chauffé. L’acétaldéhyde peut ensuite être converti en n-butanol via l’acétaldol et le crotonaldéhyde, bien que ce processus soit coûteux.

Le butadiène, un produit chimique précédemment produit à partir d’éthanol dans un processus en une seule étape, impliquait de faire passer de l’acétaldéhyde et de l’éthanol sur un catalyseur d’oxyde de tantale sur gel de silice. Cependant, la distillation énergivore requise pour la purification du produit a rendu ce procédé coûteux.

3.2. Autres produits chimiques de fermentation

Outre l’éthanol, il existe divers autres procédés de fermentation chimique. Un exemple est la fermentation butanol/acétone, qui était autrefois d’une grande importance industrielle, en particulier en Afrique du Sud.

Ce processus de fermentation utilise des céréales ou de la mélasse comme matières premières et emploie la bactérie Clostridium acetobutylicum. Le procédé donne un mélange de butanol/acétone/éthanol, qui doit être séparé par distillation.

Les fermentations aérobies submergées ont été développées pour la production d’antibiotiques depuis la Seconde Guerre mondiale. Ces fermentations ont permis la production de produits chimiques comme l’acide citrique, l’acide gluconique, l’acide itaconique, la gomme xanthane et d’autres polysaccharides avec des applications comme épaississants, émulsifiants, stabilisants et potentiellement dans la récupération ou le nettoyage du pétrole.

3.3. Produits chimiques du sucre

Le dextrose, obtenu à partir d’amidon, est une matière première importante pour la fabrication de sorbitol, un produit chimique largement utilisé dans les aliments, les dentifrices, les cosmétiques et comme intermédiaire chimique. Les polyols de saccharose jouent également un rôle dans la fabrication de mousse d’uréthane.

3.4. Produits chimiques d’amidon

L’amidon industriel dérivé de céréales et de pommes de terre trouve de nombreuses applications. Il peut être utilisé tel quel ou modifié par des processus tels que la dépolymérisation pour produire des dextrines ou par des réactions chimiques qui remplacent les groupes hydroxyle par d’autres substituants.

Les amidons modifiés comprennent l’amidon oxydé, les acétates, les phosphates, les amino alkyl éthers et d’autres éthers. Ces matériaux peu coûteux sont utilisés comme encollages et liants pour le papier et le textile.

Certains produits chimiques à base d’amidon plus largement modifiés ont été introduits, tels que le copolymère greffé amidon-acrylonitrile, qui a des utilisations spécialisées dans les produits de soins personnels et les applications médicales. L’amidon peut également être converti en α-méthyl glucoside, un polyol d’amidon utilisé dans la production de mousse d’uréthane rigide.

3.5. Produits chimiques dérivés des graines oléagineuses

Les graines oléagineuses telles que les graines de lin, de soja, de coton, de noix de coco, de palme et autres huiles végétales et graisses animales ont toujours été des matières premières importantes dans la fabrication de produits chimiques. Ces huiles contiennent un mélange de triglycérides d’acides gras avec des chaînes carbonées allant de 8 à 20.

Malgré la concurrence de leurs homologues pétrochimiques, les acides gras de la biomasse conservent toujours une part de marché considérable dans les tensioactifs, les liants pour peinture et les plastifiants.

La production d’acides gras naturels implique l’hydrolyse de graisses ou d’huiles végétales dans des conditions de vapeur à haute pression, nécessitant des investissements importants dans des équipements à haute pression et une capacité de distillation sous vide pour la séparation des acides.

Cependant, ces produits trouvent des marchés importants dans les tensioactifs, les plastifiants, les graisses, les lubrifiants synthétiques, les cosmétiques, les articles de toilette, les produits chimiques textiles, les émulsifiants, les produits de récupération secondaire du pétrole et la valorisation minérale.

Les triglycérides donnent également des alcools gras à longue chaîne avec des applications comme lubrifiants et tensioactifs. Le savon, un autre produit pétrolier naturel, a perdu du terrain au profit des détergents synthétiques, mais le glycérol, un sous-produit de la production de savon ou d’acides gras, reste compétitif par rapport au glycérol synthétique.

Les dérivés d’acides gras, tels que les acides azélaïque et pélargonique, obtenus par ozonolyse de l’acide oléique, ont trouvé des créneaux sur les marchés spécialisés. Ces acides sont utilisés dans les fibres de polyester modifiées, les élastomères, les adhésifs, les plastifiants, les lubrifiants synthétiques et les revêtements de surface.

Le nylon 11, dérivé de l’acide ricinoléique présent dans l’huile de ricin, est commercialisé comme plastique pour les pièces moulées dans les automobiles, les équipements de transport et d’autres machines. D’autres nylons spécialisés peuvent également être dérivés d’acides gras naturels, tels que le nylon 9 de l’huile de soja et le nylon 1313 de l’acide érucique provenant de l’huile de crambe.

L’huile de jojoba, extraite des graines de la plante de jojoba, un arbuste exotique du désert, trouve des applications dans les cosmétiques. Sa structure chimique ressemble étroitement à celle de l’huile de sperme, qui est maintenant restreinte dans de nombreux pays en raison des efforts de conservation du cachalot presque éteint.

Les producteurs d’huile de jojoba explorent les possibilités d’introduire cet ester d’acide gras à longue chaîne et d’alcool à longue chaîne sur le marché des lubrifiants haute pression et potentiellement sur le marché des lubrifiants automobiles.

3.6. Furfural et ses dérivés

Le furfural (2-furaldéhyde) et ses dérivés, y compris l’alcool furfurylique, les résines de furane et le tétrahydrofurane, sont produits dans de nombreux pays à l’aide de matériaux de biomasse tels que les épis de maïs, les coques de blé et d’avoine et d’autres sources.

Le furfural est dérivé des pentoses, des sucres à cinq carbones présents dans l’hémicellulose, un composant majeur des matériaux lignocellulosiques. Le processus de production implique un traitement à la vapeur suivi d’une déshydratation. Le furfural était considéré comme un produit potentiel pour les pays en développement disposant d’abondantes ressources en biomasse au début des années 1980, et plusieurs pays ont établi avec succès des usines de production.

Environ un tiers du furfural produit est utilisé comme solvant, tandis que les deux tiers restants servent d’intermédiaires dans la fabrication de dérivés du furfural.

Le dérivé le plus important est l’alcool furfurylique, qui est utilisé dans la production de résines furanniques pour les liants de sable de fonderie.

Un autre dérivé, le tétrahydrofurane, peut également être produit par des méthodes pétrochimiques. L’expansion de la production de furfural pourrait conduire à la découverte d’utilisations supplémentaires, telles que la production d’adiponitrile.

3.7. Polymères cellulosiques

Les polymères de cellulose, y compris la rayonne, l’acétate de cellulose, l’ester de cellulose, la cellophane et la cellulose modifiée, continuent d’être importants malgré la forte concurrence des alternatives pétrochimiques.

L’intérêt pour la cellulose découle des recherches sur les carburants alternatifs issues des crises pétrolières des années 1970. La cellulose est considérée comme une source potentielle de sucres hexose, qui peuvent être fermentés pour produire de l’éthanol.

La recherche sur la conversion de la cellulose en éthanol a conduit à de nouveaux schémas de fractionnement de la lignocellulose, qui peuvent contribuer au développement de technologies de réduction en pâte qui préservent la valeur des fractions d’hémicellulose et de lignine dans les matériaux lignocellulosiques.

3.8. Produits chimiques de lignine

Les usines de pâte à papier génèrent d’importants flux de déchets contenant des fractions de lignine et d’hémicellulose provenant du bois. En règle générale, ces flux de déchets, qui contiennent des produits chimiques issus du processus de réduction en pâte, sont principalement utilisés pour leur valeur énergétique via la combustion. Cependant, une petite partie peut être convertie en divers produits chimiques.

La pâte semi-chimique au sulfite neutre produit de la liqueur noire, à partir de laquelle les acides acétique et formique peuvent être extraits. La liqueur de pâte noire kraft peut servir de source de diméthylsulfoxyde, produit en chauffant la liqueur pour convertir les groupes méthyle de la lignine en sulfure de méthyle, suivi d’une oxydation en sulfure de diméthyle.

Les lignines sulfonées, un composant majeur de la liqueur noire Kraft, peuvent être récupérées sous forme de lignosulfonates, qui sont utilisés comme dispersants, séquestrants, stabilisateurs d’émulsion et humectants. Le lignosulfonate de calcium brut peut être oxydé en vanilline, faisant concurrence à l’extrait obtenu à partir de la gousse de vanille.

Le tall oil, un sous-produit du procédé Kraft utilisé pour réduire en pâte les résineux, est un mélange de colophane et d’un groupe d’acides gras.

De nouveaux procédés de séparation de la lignocellulose, tels que l’explosion à la vapeur, ont permis la production de lignine non modifiée et de faible masse moléculaire. Bien que ce matériau fasse encore l’objet de tests approfondis, il semble prometteur comme substitut partiel des résoles phénoliques dans les adhésifs phénol-formaldéhyde.

D’autres utilisations potentielles de ce type de lignine comprennent le fait d’être un liant pour les aliments pour animaux, un agent d’encapsulation, un revêtement de céréales fourragères, des produits chimiques pour le traitement de la poussière des routes, des charges de renforcement dans les caoutchoucs et un agent de prise dans le ciment Portland.

Les partisans du « raffinage de la biomasse » proposent l’hydrocraquage et l’hydroalkylation de la lignine pour produire du phénol et du benzène.

3.9. Méthanol

Les méthodes traditionnelles de production de méthanol de la biomasse, connues sous le nom de distillation destructive, impliquent le chauffage du bois dans des fours en acier, ce qui entraîne la production de charbon de bois, d’acide acétique, de méthanol, de goudron et d’huile. Cependant, ce processus n’est pas économiquement réalisable dans les pays industrialisés, bien qu’il puisse être viable dans les pays moins développés.

De nouvelles méthodes de production de méthanol nécessitent une gazéification de la biomasse, souvent à l’aide de gazéificateurs soufflés à l’oxygène, pour produire du gaz de synthèse, qui est ensuite reformé pour produire du méthanol. Plusieurs projets sont actuellement au stade de l’usine pilote ou de la démonstration.

3.10. Méthane

Diverses méthodes peuvent être employées pour produire du méthane à partir de la biomasse. La méthode la plus largement utilisée est la digestion anaérobie, initialement développée pour le traitement des déchets liquides organiques à faible concentration.

La digestion anaérobie est un processus de fermentation lente dans lequel les bactéries convertissent d’abord la matière organique en acides organiques, puis en méthane. De nombreuses expérimentations sont actuellement menées dans ce domaine, avec pour principales applications le traitement des déchets.

Bien que la production de méthane soit souvent secondaire dans ces applications, le gaz étant utilisé pour alimenter le procédé, le procédé peut également être utilisé uniquement pour la production de méthane.

Références