[Flash Info Chimie] #20 Transformer les déchets agricoles en carburant

Utiliser les ressources agricoles pour fabriquer du « bio »-carburant, ce n’est pas nouveau. Le Bio-éthanol, qui peut remplacer le diesel en est un exemple, comme le SP 95 – E10, qui est un mélange d’essence issue de pétrole et de bio-éthanol. On peut aussi remplacer le diesel par des huiles végétales, colza, tournesol, etc… Le problème, c’est que ces bio-carburants là sont complètement néfastes pour l’environnement, et pour l’alimentation humaine : il encourage des monocultures dopées aux pesticides et engrais, au détriment de cultures variées. Des zones sont déforestées pour étendre les terres arables, des cultures vivrières sont remplacées par des cannes à sucres ou des oléagineuses, pour satisfaire l’appétit né de la hausse des prix des énergies fossiles. (La notice de wikipédia « Biocarburant » est assez complète sur le sujet) Par contre, il existe une autre possibilité de réaliser des bio-carburants : c’est d’utiliser les déchets agricoles. Ce qui ne peut pas être consommé ni par l’homme, ni par les bêtes d’élevage, ni pour faire des engrais naturels. Même s’il ne s’agit pas de la panacée, c’est une solution acceptable, à petite échelle, pour la fameuse « diversification énergétique ». Ces déchets sont riches en cellulose (et hémicellulose) et en lignine. En fait, tous les végétaux sont composés en majorité de cellulose et de lignine (70 %). Le soucis, c’est que ces espèces chimiques, qui sont des bio-polymères, sont très difficiles à traiter et à transformer sous une forme exploitable. La cellulose et l’hémicellulose sont un polymère composés de longues chaînes dont les maillons sont des sucres simples (uniquement glucose pour la cellulose, et des sucres plus variés pour l’hémicellulose).

Cellulose : on voit le motif (2 molécules de glucose liées entre elles), qui se répète un très grand nombre de fois.

Cellulose : on voit le motif (2 molécules de glucose liées entre elles), qui se répète un très grand nombre de fois.

La lignine est un polymère qui a quatre unités de base, et fait donc des structures complexes, dont on peut trouver un joli exemple ci-dessous (source : wikipédia)

Un exemple de structure de la lignine. Mais il n'existe pas en réalité de structure "type", les 4 monomères se trouvant dans chaque végétaux dans des proportions différentes.

Un exemple de structure de la lignine. Mais il n’existe pas en réalité de structure « type », les 4 monomères se trouvant dans chaque végétaux dans des proportions différentes.

Ces matériaux sont donc difficiles à traiter :

  • Très peu solubles, il est difficile de les dissoudre dans l’eau, comme dans la plupart des solvants usuels en chimie.
  • Les procédés qui permettent d’avoir des composés valorisables (sucres simples ou autres) existant sont trop coûteux en énergie ou en solvants : ils sont obtenus très dilués, ou mélangés avec beaucoup d’impuretés, ou le procédé est intrinsèquement onéreux (procédé enzymatique, ou nécessitant des catalyseurs métalliques coûteux).

Dans deux publications, l’une dans le journal Angewandte, et l’autre dans Science, des chimistes proposent de nouvelles méthodes, plus efficaces, pour valoriser chimiquement ces bio-polymères. Dans la première, l’équipe de M.R. Gagné propose une nouvelle méthode pour désoxygéner les sucres, et la cellulose, sans faire intervenir les très coûteux catalyseurs à l’Iridium ou au Rhénium, ni procéder à des réactions à hautes températures, gourmandes en énergie. Les produits obtenus sont des alcanes ou alcènes de 5 ou 6 atomes de carbones, propres à être utilisés par l’industrie chimique des carburants et solvants. desoxygenation1 Le catalyseur à base de bore B(C6F5)3 permet d’obtenir en quelques heures, à température ambiante, les composés linéaires (à droite). (MP = méthylpentane). L’exemple donné est la réaction avec du glucose comme produit de départ, mais cela marche aussi avec de la cellulose (qui hélas, doit être partiellement méthylée pour augmenter sa solubilité…). Il s’agit encore d’un travail universitaire, et beaucoup d’éléments doivent être optimisés. En particulier la question de la solubilité de la cellulose dans les solvants usuels reste un des problèmes majeurs, qui doit être résolu pour le passage à des transformations à plus grandes échelles. Mais la « preuve du concept » est faite : on peut obtenir des hydrocarbures à partir de sucres simples ou complexes, y compris avec des dérivés de la cellulose, à température ambiante, sans catalyseurs métalliques.

Dans la seconde, publiée dans la prestigieuse revue Science, la mise au point du procédé industriel est plus avancé, et les coûts, contraintes ont commencé à être évalués. Il s’agit de la production efficace de sucres simples utilisant cellulose, hémicellulose, lignine. Les techniques actuelles ne sont pas véritablement intéressante d’un point de vue industriel: soit elles nécessitent des procédés non transposables à des échelles importantes (temps de réaction de quelques fractions de seconde à haute température par exemple, ou des dilutions des produits finaux trop grandes, qui nécessitent donc de grandes quantités de solvants), soit elles sont coûteuses (les auteurs mettent en particulier en avant les techniques enzymatiques, mais le prix de production des enzymes elles-mêmes risque d’être prohibitif). L’équipe de J.A. Dumesic a donc proposé un mélange de solvant (eau et γ-valerolactone, ce dernier étant aussi un produit issus de déchets agricoles), permettant de très bien solubiliser les composants lignocellulosiques, et de réaliser une hydrolyse acide efficace de ces polymères, qui permet l’obtention de sucres simples sans produits secondaires gênants, en concentration importante, dans des gammes de températures acceptables (environ 100 °C-200 °C). L’évaluation économique rudimentaire de ce procédé montre tout son intérêt comparé à ceux qui sont aujourd’hui envisagés.

Si les tentatives de valorisation chimique des déchets agricoles sont peut-être une bonne chose, je crois qu’il ne faut pas oublier qu’on ne trouvera pas dans ces procédés de quoi remplacer le pétrole : plusieurs ordres de grandeurs sépareront toujours notre consommation d’essence et la production de bio-carburants respectueux de l’écologie. D’autant plus que ces dérivés ligno-cellulosiques peuvent déjà être valorisés tels quels en étant simplement incinérés (ce qui me semble énergétiquement bien plus rentable, même si je n’ai pas creusé la question).

« Metal-Free Deoxygenation of Carbohydrates«  L.L. Aducci et al.Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, Early View

« Nonenzymatic Sugar Production from Biomass Using Biomass-Derived γ-Valerolactone«  Jeremy S. Luterbacher et al. Science 2014343, 277-280

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