La lignine, une molécule d`intérêt issue du bioraffinage

La lignine, une molécule d’intérêt issue du
bioraffinage lignocellulosique
Dr Aurore Richel
Université de Liège – Gembloux
Agro-Bio Tech (Belgium)
Plan de l’exposé
1. Contexte : bioraffinage de 2ème génération
2. Structure moléculaire de la lignine
3. Quelles sont les opportunités de valorisation
potentielles ?
MeO
MeO
HO
O
O
Lignine
O
HO
OH
MeO
OH
MeO
O
OH
O
HO
HO
OH
MeO
O
H
O
Lignine
Contexte: bioraffinage lignocellulosique
Contexte
Bioraffinage 2ème génération
Valorisation optimale de la biomasse lignocellulosique
Lignocellulose
« Transformations »
Biocarburants
(EtOH)
Molécules
plateformes
(chimie)
Spécialités
Haute valeur
ajoutée
Bioraffinage de 2ème génération
Richel, Chimie Nouvelle, Oct. 2012
Cellulose (%)
Hémicelluloses
(%)
Lignine (%)
Miscanthus
47
25
20
Paille de blé
37
29
17
Chanvre
60
17
7
Peuplier
42
22
25
Epicéa
44
26
28
Bioraffinage de 2ème génération
1 Tonne
???
150-200 Kg
350-400 L
Faible valeur ajoutée
- additif alimentation animale
- combustion (27-29 MJ.kg-1 vs. 14 MJ.kg-1 pour la cellulose)
Structure moléculaire de la lignine
Structure moléculaire de la lignine
 Classe de molécules biosourcées très complexes
Hémicellulose
Lignine
 Plantes vasculaires
 Imprègne les parois des
cellules des tissus lignifiés
 Cohésion, résistance
(mécanique…)
Fibrilles de
cellulose
Richel, Paquot, 2011
Structure moléculaire de la lignine
Lignine native
G
S
G
S
-5

-O-4
Modèle d’une lignine native de peuplier
Structure moléculaire de la lignine
Lignine native: variabilité
 S/G/H
 Nature et % liaisons éthers et carbone-carbone
 Nature des bouts de chaînes
Epicéa
Miscanthus x.giganteus
Majoritairement G
-O-4, , et -5
S/G/H = 50/40/10
-O-4 et -5
Structure moléculaire de la lignine
Lignines « techniques »
Lignocellulose
Cellulose, hémicelluloses
Lignine
Prétraitement : altération de la structure de la lignine native
Rupture sélective de certaines liaisons
Masse moléculaire < lignine native
Prétraitement  structure/propriétés
Structure moléculaire de la lignine
Lignines « techniques »
Exemple: lignines « techniques » de Miscanthus x.giganteus
pH acide
Conditions basiques
OMe
O
O
5
HO

4
O
Guaiacyl unit
-5 bond
HO

OMe
MeO



 O

 O
OH
OMe
Syringyl unit
MeO
O
OMe
Ammonia lignin
O
OH
Coumarate ester
HO
-O-4' bond
Cinnamyl alcohol
end-group
O
FAL-107
Vanderghem, Richel, Jacquet, Blecker, Paquot Polym. Deg. Stab. 2011, 96, 1761-1770
OH
Quelles opportunités de valorisation ?
Opportunités de valorisation
Lignines techniques
 Grande variabilité
 Complexité
 OH phénoliques et aliphatiques
 Tg: 110-200°C
 2000-5000 g.mol-1
(20-80.103 g.mol-1 pour des
lignines papetières:
séquestrants, dispersants, synthèse
de la vanilline, liants, etc.)
Richel, Chimie Nouvelle 2012
 Pureté ?
 Coloration ?
 Faible solubilité
Opportunités de valorisation
Department of Energy (US) – 2007
Screening des opportunités de valorisation





Degré de difficulté technique
Marché
Risques du marché
Potentiel comme building block ou molécule plateforme
Mélange
 Nouvelles molécules vs. « drop-in »
 Court terme: énergie, carburants, gaz de synthèse
 Moyen terme: macromolécules
 Long terme: aromatiques, monomères divers
Opportunités de valorisation
SHORT TERM
MEDIUM TERM
LONG TERM
Process heat
MeOH/DME
Green fuels olefins
Fischer-Tropsch fuels
EtOh, propanol, butanol
Pyrolysis oils
Reformulated gasolines
Carbon fibers
Polymer fillers
Thermoset resins
Formaldehyde-free
resins
Adhesives and binders
BTX chemicals
Phenols
Monomeric lignin
molecules
Low molecular weight
byproducts
Fermentation products
Quinones
Opportunités de valorisation
Applications comme polyélectrolytes, matériaux
polymères et additifs
Développement de nouveaux procédés chimiques et catalytiques
Compréhension de la réactivité – relation avec la source végétale et le procédé
Projet DEXPLIMAR GreenWin (2012-2015)
Opportunités de valorisation
Production de dérivés aromatiques
Développement de nouveaux procédés de « dépolymérisation » non sélective ,
rupture C-C et C-O, catalyseurs très actifs
Opportunités de valorisation
Et à Gembloux Agro-Bio Tech ?
 Bioraffinage de 2ème génération
 Influence de la matière première (et variabilité) et du
prétraitement sur la structure et les propriétés des lignines
(approche expérimentale et modélisation)
 Valorisation à moyen et long terme: secteur des polymères et
aromatiques
Conclusions




Molécules complexes
Grande variabilité (structures, propriétés)
Relation entre le prétraitement et la structure
Pistes de valorisation à:
 Court terme: énergie
 Moyen terme: polymères
 Long terme: aromatiques
Dr. A. Richel
[email protected]
Unité de Chimie Biologique Industrielle
Université de Liège-Gembloux Agro-Bio Tech
www.fsagx.ac.be/cb/