Chimie du bois : une filière d’avenir ? (Partie 1/2)

La chimie du bois, basée sur la valorisation des molécules qui composent le bois, est en plein essor. Souvent méconnue, cette filière est pourtant considérée comme une filière d’avenir pour de nombreux acteurs de l’industrie du bois. En témoignent les multiples exemples de valorisation existants en Europe.

Dans ce premier article consacré à la thématique, l’asbl ValBiom vous éclaire sur une série de questions : quels sont les liens historiques des secteurs « chimie » et « bois » ? quels sont les principaux constituants du bois ? Comment peut-on les valoriser ?

Une analyse[1] de Pierre-Louis Bombeck, chef de projet bois-énergie et chimie du bois chez ValBiom. L’analyse complète a été publiée dans le n°147 de la revue trimestrielle Forêt.Nature – Avril-Juin 2018.

Chimie et bois : retour aux sources

Ces dernières années, le bois fait son grand retour dans un domaine où on a peu l’habitude de le rencontrer : celui de la chimie du végétal. Étonnant ? Pas vraiment, quand on pense aux exemples dans lesquels chimie et bois se mélangent au fil de l’Histoire.

Il y a des siècles, un des premiers produits chimiques issus de la transformation du bois était le goudron végétal, employé tant pour protéger les structures (elles-mêmes en bois) que pour préserver la santé humaine (certains de ces goudrons pouvant servir d’antiseptique).

Dès l’Antiquité, l’extrait d’écorce de saule était réputé pour ses vertus médicamenteuses. A l’époque déjà, on utilisait la salicyline (principe actif de l’aspirine, aujourd’hui produite par synthèse) contenue dans le saule blanc comme anti-inflammatoire. L’exsudat résineux de pin était employé par l’industrie résinière pour goudronner les cordages et calfater les navires. Une fois distillés, ces exsudats donnaient alors l’essence de térébenthine et la colophane et servaient à la préparation de colles, peintures et vernis. Quant aux tannins, extraits d’écorces de chênes ou de châtaigniers, ils étaient employés en tannerie et en tonnellerie.

Parmi ces exemples, citons également l’utilisation du latex de l’hévéa comme caoutchouc naturel, du bois de santal ou de cèdres dans la confection des parfums, celle de l’écorce de cannelle pour l’alimentation ou la médecine ou encore l’utilisation des cendres de bois (par exemple de laurier), valorisées en intrant dans la composition des savons.

On constate donc que – depuis longtemps – l’Homme emploie et valorise les composés chimiques issus du bois.

Des procédés datant de l’ère industrielle

Bien que la chimie du bois ne soit pas une filière novatrice, son essor à grande échelle apparaît avec l’ère industrielle (XIX^e siècle), en particulier avec l’émergence du secteur papetier. Les papetiers, à la recherche d’autres sources de fibres, se sont rapidement tournés vers cette ressource abondante qu’est la forêt. Au départ de procédés mécaniques de séparation des fibres, ils ont ensuite basculé  vers des méthodes chimiques de purification de la cellulose. Afin d’obtenir une purification optimale des fibres, il était nécessaire de connaitre les composés du bois et d’en comprendre sa structure chimique.

Ces connaissances ont ouvert les portes au développement de diverses techniques de valorisation. Au XIX^e siècle, l’essor de la carbonisation du bois a notamment permis la production de méthanol, d'acétone, d'acide acétique et d'huiles de goudrons que l'on retrouve dans des produits désinfectants ou de traitement du bois.

Avant la pétrochimie, le bioraffinage du bois permettait déjà d’extraire des molécules entrant dans la composition de nombreux produits. A l’époque, la distillation du bois était une technique répandue. Il s’agissait d’isoler les composés organiques volatils (COV) tels que l’acide acétique, l’acétone ou l’alcool méthylique. On appelait d’ailleurs le méthanol « alcool de bois » ou « esprit-de-bois ».

Avec la montée en puissance de la pétrochimie et des procédés de synthèses chimiques, on tourne la page de la xylochimie. Le bois et la forêt sont relégués aux rôles de matériaux et de combustibles, et on favorise alors d’autres sources et procédés pour produire toutes ces molécules.

Aujourd’hui, la volonté de notre société de sortir de notre dépendance au pétrole pour des raisons écologiques et économiques poussent les scientifiques et – surtout – les industriels à se réintéresser au bois. On revoit en lui et en ses composés une source durable, abondante et renouvelable de produits et molécules.

Plongée au cœur du bois

Quelle que soit l’essence, le bois est composé en majorité de trois constituants : la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Ces polymères se retrouvent dans le bois suivant les proportions approximatives d’une moitié de cellulose, d’un quart d’hémicelluloses et d’un quart de lignine. Ces trois constituants majeurs interagissent pour donner au bois sa structure, comparable à celle d’un composite. C’est-à-dire, une matrice formée de lignine, renforcée par des fibres de cellulose et dont l’interaction fibre-matrice est assurée par les hémicelluloses. On retrouve ces composés structuraux dans des proportions variables selon qu’il s’agisse de bois de feuillus ou de résineux.

Tableau 1. Composition chimique moyenne des bois de résineux et de feuillus en zone tempérée (Stevanovic & Perrin, Chimie du bois, 2009).

Constituant	Résineux	Feuillus
Cellulose	40 – 44 %	43 – 47 %
Hémicelluloses	25 – 29 %	25 – 35 %
Lignine	25 – 31 %	16 – 24 %
Extractibles	1 – 5 %	2 – 8 %

En plus de ces principaux composés structuraux, on peut également retrouver toute une diversité d’autres substances non-structurantes et de faible poids moléculaire, et dont la présence varie selon les essences. De telles substances sont regroupées sous le terme « extractibles ».

Enfin, on retrouve également dans le bois des composés minéraux qui, après combustion, constitueront les cendres. On y retrouve ainsi du soufre, du phosphore, du silicium, du potassium, du magnésium, etc.

Graphe : ©Forêt.Nature (paru dans la revue trimestrielle d’avril-juin 2018)

1. La cellulose

La cellulose constitue le principal constituant du bois (environ 50 %) mais aussi le plus simple et le plus connu. Il s’agit d’un polymère de glucose qui se présente sous la forme d’une chaine linéaire dans laquelle se répètent de manière successive les unités de glucoses. La cellulose diffère de l’amidon (lui aussi composé de glucose) par l’arrangement différent de ses molécules de glucose. C’est la disposition linéaire, orientée et partiellement cristalline des chaines de cellulose qui confèrent aux cellules du bois leur nature fibreuse. La cellulose a toujours la même constitution, quelle que soit l’essence ou même la source (bois, coton, etc.). Le seul élément qui varie est le nombre plus ou moins élevé d’unités de glucose qui la compose, engendrant alors des fibres de cellulose plus ou moins longues.

Les potentialités. Si le débouché actuel principal (en terme de volume) de la cellulose est d’entrer dans la fabrication des papiers et cartons, il est également possible de la modifier chimiquement et de lui conférer de nouvelles propriétés. Des méthodes existent aussi pour « déconstruire » ces chaines de sucres et en récupérer alors les sucres simples (glucose, cellobiose, cellotriose). Ces sucres peuvent alors suivre des voies de fermentations ou de conversions chimiques spécifiques qui permettent d’obtenir une grande variété de produits. Dans ses prospections de filières d’avenir, ValBiom émet cependant des réserves sur l’intérêt de déconstruire le bois pour aller y chercher des sucres simples comme le glucose. Celui-ci est en effet bien plus facilement accessible dans d’autres matières premières.

Mais il n’est pas non plus nécessaire de déconstruire totalement la cellulose pour en obtenir de nouveaux produits. En effet, les fibres de cellulose sont comparables à un câble métallique : elles sont formées de chaînes de cellulose (les fils du câble) « tressées » entre elles pour former un élément semblable à un toron, lui-même tressé à d’autres pour former le câble (la fibre). Des procédés permettent de détresser ce câble pour en obtenir des éléments de très faibles diamètres (de l’ordre d’une centaine de nanomètres) tout en conservant une longueur suffisante. Ces nouvelles fibres sont appelées micro-fibrilles ou microcellulose ou bien nano-fibrilles ou nanocellulose selon le diamètre obtenu. Ces fibres possèdent des propriétés mécaniques supérieures à leurs fibres-mères. Les fibres de nanocellulose peuvent même avoir une résistance mécanique proche de celle du kevlar. À ce stade, bien que les technologies industrielles de production existent (par exemple : l’entreprise canadienne CelluForce), le marché ne semble pas encore mûr pour la nanocellulose.

2. La lignine

La lignine est le constituant caractéristique des plantes vasculaires et le composé structural du bois le plus complexe et le moins connu. À l’inverse de la cellulose et des hémicelluloses, elle n’est pas composée de sucres mais d’unités phénoliques formant des polymères aromatiques. Ses formes, basées sur trois monolignols différents, sont si variées qu’il serait plus juste de parler des lignines que de la lignine. Ses structures et sa composition sont également d’une grande variabilité inter- et intra-espèce.

Malgré le fait que ce composant structural soit peu connu, il possède des fonctions essentielles. Cette « colle naturelle » du bois  assure le lien entre les fibres de cellulose. Très résistants et hydrophobes, les polymères de lignine insérés dans les parois cellulaires assurent l’imperméabilité des vaisseaux conducteurs de sève. De plus, la lignine confère de la rigidité aux parois cellulaires du bois. En jouant un rôle de barrière physique et hydrophobe, elle apporte ainsi aux tissus lignifiés une forte résistance aux attaques biologiques.

D’un point de vue structural, le bois est un composite formé de l’assemblage de divers types de cellules. Cet assemblage se fait via les lamelles moyennes, constituées presque exclusivement de lignine. Avec cette structure composite rendue possible, le bois acquiert des propriétés de résistance à l’impact, la flexion et la torsion. Cela rend possible son utilisation comme matériau et son adéquation aux traitements mécaniques impliqués dans les différents types de transformation du bois.

Les potentialités. Indésirables dans la fabrication des pâtes à papier dites chimiques et dotée d’un pouvoir calorifique important, les lignines sont habituellement dissoutes, extraites et brûlées par les papetiers. Cette phase de régénération des liqueurs sert un double objectif : la régénération des réactifs chimiques et une production d’énergie (généralement) via une unité de cogénération, afin de couvrir une partie des besoins importants des usines de papiers. Mais les lignines peuvent aussi être utilisées pour leur propriétés émulsifiantes (colorants, cires, bétons, asphaltes) ou dans la production de fibres de carbone. La vanilline (l’arôme artificiel de vanille), destinée au secteur alimentaire, peut aussi être produite au départ de la lignine. Si le procédé de mise en pâte du bois est un procédé au sulfite, la lignine qui y est dissoute est une « lignine sulfonée », permettant d’obtenir des lignosulfates. Ces dernières sont des lignines industrielles couramment disponibles sur le marché et principalement commercialisées par le papetier norvégien Borregaard et sa filiale LignoTech.

3. Les hémicelluloses

Le troisième constituant structural du bois est un ensemble de polymères plus complexes et plus courts que la cellulose : les hémicelluloses. Elles se présentent sous forme de chaînes ramifiées, composées de différents sucres (alors que la cellulose n’est composée que de glucoses arrangés linéairement). Ces sucres peuvent être composés de cinq atomes de carbone (les pentoses) ou de six atomes (les hexoses).

A l’inverse de la cellulose, qui présente la même structure dans les différentes essences, les hémicelluloses varient considérablement selon l'essence concernée. Les hémicelluloses des feuillus sont généralement plus riches en pentoses et celles des résineux, plus riches en hexoses.

Les potentialités. Actuellement, les hémicelluloses sont principalement utilisées dans l’industrie papetière afin de conférer une robustesse au papier. Mais elles pourraient aussi se retrouver dans une multitude d’autres applications (alimentaires, textiles, solvants, etc.) du fait de la diversité de type d’hémicelluloses que l’on retrouve.

4. Les extractibles

On désigne par le terme « extractibles » la large gamme de molécules que l’on peut extraire du bois à l’aide de solvants ou même d’eau. Ces molécules peuvent être valorisées dans des secteurs très divers comme la pharmaceutique, la cosmétique, l’alimentation, la construction (colles, vernis, peintures…).

Le bois peut notamment contenir :

• des résines, famille de molécules formées au départ d’acides gras et de terpènes ;
• des tannins, composés phénoliques extractibles du bois, des nœuds ou encore des écorces de certaines essences dont le chêne et le châtaignier ;
• des sucres extractibles, comme ceux que l’on extrait de l’érable à sucre ;
• des huiles aromatiques, comme l’huile de cèdre ;
• du latex, extrait – par exemple – de l’hévéa, arbre à caoutchouc ;
• …

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Les débouchés et marchés potentiels

Théoriquement, les molécules issues du bois pourraient remplacer la quasi-totalité des molécules issues de la pétrochimie ou de la chimie de synthèse.

Voici une liste non-exhaustive des produits et applications possibles au départ des molécules du bois.

A lire également

• Chimie du bois : une filière d’avenir ? (Partie 2/2) - Perspectives potentielles pour le secteur bois wallon. Une analyse ValBiom, réalisée avec le soutien de la Wallonie.

Plus d’infos ?

• Découvrez le projet français ExtraForEst – Extractibles forestiers de l’Est.
• Consultez les ouvrages suivants :
  • Hemicelluloses and Lignin in Biorefineries – par Jean-Luc Wertz, Magali Deleu, Séverine Coppée, Aurore Richel.
  • Chimie du bois – par Tatjana Stevanovic, Dominique Perrin (Presses polytechniques et universitaires romandes).
• Contactez notre chef de projet « chimie du bois ».