204 - Les nouveaux produits d'origine lignocellulosique : outils pour une industrie plus verte

La lignine est une constituante majeure de plusieurs végétaux qui se distingue par sa polymérisation complexe et aléatoire. Elle complique la valorisation de la biomasse lignocellulosique car elle peut être extraite et devenir un ingrédient ou un produit biosourcé. Plusieurs affirment qu'on fait beaucoup avec de la lignine, mais malheureusement pas de profit. D'autres sont convaincus qu'en la démystifiant, les portes de l'industrie chimique et des matériaux de construction verts s'ouvriront. L'obtention de vanilline à partir de lignine forestière est un exemple probant.

Le futur de la lignine modifiée comme ingrédient ou produit biosourcés dépend des secteurs des biocarburants et des pâtes et papiers. Les industries de biocarburants conserveront leur lignine pour leur utilisation ou celle de leurs partenaires. Les papetières peuvent fournir de la lignine, mais elles tendent à bénéficier de sa valeur calorifique en la brûlant. Il reste le secteur agricole, qui a le potentiel de générer comme coproduit des tonnes de lignine. Quant aux utilisateurs de lignine modifiée comme l'industrie chimique, il paraît indispensable de faire le pont avec les fournisseurs et transformateurs de biomasse. En fait, l'industrie des produits forestiers doit faire le pont avec l'industrie chimique pour se diversifier et devenir prospère dans le futur. La présentation expliquera le besoin de comprendre la lignine pour en tirer son plein potentiel pour qu'elle réussisse à faire le pont entre ces industries.

Selon le Ministère des Ressources naturelles, chaque année, environ 10 Mm³ de biomasse résiduelle ne sont pas valorisés au Québec faute d'avoir une valeur commerciale.  L'utilisation de cette biomasse représente une source importante pour le développement d'une industrie basé sur les produits biosourcés. De plus, la fermeture de plusieurs papetières – notamment dans la région de Pontiac en Outaouais – a poussé les acteurs forestiers (scierie) à rechercher de nouveaux débouchés pour leurs copeaux.

Par ailleurs, considérant la faible densité géographique de la biomasse et la demande croissante pour l'approvisionnement en composante de la biomasse – dont le sucre cellulosique (sucre de 2^e génération) – il est nécessaire de repenser les procédés de transformation (fractionnement) de la biomasse afin d'arriver à des opérations à dimension régionale ou subrégionale rentable.

Ce projet regroupe deux technologies, l'extrudeuse à bivis qui a déjà démontré un potentiel intéressant pour le fractionnement de la biomasse à petite et moyenne échelle et les liquides ioniques, qui sont utilisés pour le fractionnement de la biomasse forestière.

Nous pensons que l'effet de cisaillement engendré par la bivis sur la matière à fractionner, ainsi que l'effet « solvant » du liquide ionique utilisé conjointement pourraient permettre le développement d'unité de fractionnement de moyenne dimension qui pourrait être rentable. Des résultats préliminaires seront présentés.

L'objectif de cette étude est d'évaluer l'effet de la durée d'acétylation sur l'hydrophobicité des fibres de lin, de kraft et PTM afin d'améliorer leur compatibilité avec des matrices polymériques.La réaction d'acétylation a été menée dans des conditions respectueuses de l'environnement et convenables pour un usage industriel. L'évolution de l'hydrophobicité de nos fibres a été étudiée par la mesure de l'angle de contact que forme une goutte d'eau avec la surface des fibres acétylées. L'hydrophobicité des fibres de kraft et PTM augmente avec le temps de réaction, et cette évolution devient de plus en plus faible au-delà de certains degrés d'acétylation. La présence d'une couche de lubrifiant hydrophobe sur les fibres de lin commerciales explique la diminution de leur hydrophobicité jusqu'à un temps de traitement de 4 heures. Certes, l'acétylation augmente l'hydrophobicité des fibres de kraft et PTM, mais elle touche également leur structure de forme. En effet, l'analyse des fibres par FQA a montré que la longueur des fibres diminue avec le temps d'acétylation tout comme les indices de courbure et d'entortillement qui voient aussi leur valeur diminuer. Un temps de réaction de deux heures a été déterminé comme la limite au-delà de laquelle la structure des fibres présente un comportement différent, ce qui aura probablement un effet sur leur dispersion dans l'eau et leur comportement dans les composites à matrice polymériques, lesquelles sont généralement hydrophobes.

Depuis 1995, la chute de la production de pâte thermomécanique (PTM) a entraîné la fermeture de plusieurs usines au Québec alors que les papiers d'emballage connaissent une croissance exceptionnelle. Les papiers d'emballage contenant des pâtes chimiques possèdent des propriétés barrières et mécaniques que la PTM seule ne peut satisfaire. Cependant, l'intérêt de la PTM est un coût de production et un impact environnemental moindre que les pâtes chimiques. Parallèlement, la cellulose fibrillée constituée de fibres très résistantes de dimensions micro (longueur) et nano (largeur) - cellulose micro-nano fibrillée (MNFC) permet de créer des réseaux fibreux avec des propriétés barrières tout en augmentant les propriétés mécaniques. L'intégration efficace de ce matériau renouvelable est essentielle à une utilisation généralisée en papeterie.

Nous proposons une structuration dans l'épaisseur d'un papier PTM de façon à produire un papier multicouche PTM-MNFC directement en partie humide de machine à papier par couchage rideau. Les propriétés physiques de papiers structurés, en laboratoire et sur machine à papier, analysées en fonction du grammage de MNFC et du degré d'intégration, valident le potentiel technico-économique de la MNFC et l'approche de structuration. Nos travaux démontrent le potentiel de fabrication d'un papier emballage sans pâte chimique, à haute valeur ajoutée à partir de technologies existantes (installations PTM) de MNFC, un  matériau novateur et durable.

La pression exercée par la communauté internationale en matière de protection de l'environnement a incité les chercheurs et les industriels à explorer d'autres sources de matières premières et une technologie moins polluante. Le secteur de l'industrie papetière n'est pas en reste. Afin de préserver la forêt, le recyclage du vieux papier et l'usage de fibres lignocellulosiques issues de plantes annuelles ou pérennes ont connu un développement important depuis la fin du siècle dernier. Dans cette étude, nous avons d'abord extrait et blanchi des fibres à partir de plantes poussant sur le sol marocain. Des formettes ont ensuite été réalisées à partir des fibres seules et additionnées de particules ferroélectriques sous forme de céramiques de type BaTiO₃ et SrTiO₃. Les propriétés mécaniques, optiques et de surface de divers échantillons ont été mesurées selon les normes canadiennes de l'ATPPC. La présence dans nos fibres de fines, en fort pourcentage, handicape leur utilisation seule comme matières premières pour l'industrie du papier mais les prédisposent à être utiles comme appoint pour les fibres pauvres en fines. Il y a une concordance entre l'énergie de surface mesurée par angle de contact et la valeur de la permittivité relative mesurée. Les propriétés mécaniques et les images MEB de composites papier-émulsions vinyliques ou acryliques donnent une bonne mouillabilité des fibres et un bon module de Young. Notre procédé est à la fois économique et écologique.

Myrianthus arboreus est un arbre de forêt secondaire des régions tropicales d'Afrique dont les différents tissus contiennent plusieurs molécules bioactives à effets thérapeutiques. Dans la pharmacopée congolaise, les écorces de racines de M. arboreus sont utilisées dans le traitement traditionnel contre le diabète du type II. Nous allons présenter les résultats des études phytochimiques des extraits d'écorces de M. arboreus obtenus par des solvants «verts» : l'eau, le méthanol et l'éthanol. L'extrait méthanolique servira d'isoler la fraction enrichie en composés alcaloïdiques. La présence des alcaloïdes (de type cyclopeptique) est révélée par chromatographie sur couche mince (CCM) à l'aide du réactif de Dragendorff et la fraction riche en alcaloïdes est étudiée par HPLC. L'extrait éthanolique a servi à la quantification des phénols totaux, des flavonoïdes, des proanthocyanidines et des acides hydroxycinnamiques et pour le criblage chimique réalisé pour identifier la présence des composés triterpéniques à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse GC-MS. L'analyse du profit massique des composés triterpéniques a permis d'attribuer, à partir de la banque de données du GC-MS, le pic majoritaire au β-sitostérol. Cependant, les autres pics inconnus de la banque de données sont assimilés aux triterpènes isolés sur certaines parties de la plante M. arboreus, en attendant d'être confirmés par des molécules standards.

Une étude a été menée à l'été 2011 dans trois unités d'aménagement situées près du barrage de Manic V sur la Côte-Nord. Notre objectif était de déterminer le potentiel de la ressource pour la production de trois grades de bois classé mécaniquement (bois MSR) en utilisant la vitesse de propagation des ondes mécaniques prise sur l'arbre debout. Les résultats ont montré qu'il est possible de faire une discrimination entre les peuplements en ce qui concerne la qualité de la ressource. Avec une mesure de la vitesse du son sur l'arbre et le diamètre de celui-ci, nous pouvons estimer le module d'élasticité statique (MOE_stat) des planches (R²=0,41) de manière à évaluer le taux de passage des pièces produites pour différents grades MSR. Nous avons obtenu les proportions suivantes pour trois grades MSR, en considérant uniquement la ressource en épinette noire.

1.      1650Fc-1.5E       Taux de passage de 92%;

2.      2100Fc-1.8E       Taux de passage de 58 à 71% selon la structure du peuplement;

3.      2400Fc-2.0E       Taux de passage de 20 à 44% selon la structure du peuplement.

Par la suite, une analyse par simulation dans LogiLab (revenu maximum) a permis d'estimer les revenus potentiels associés à une production de bois MSR par rapport à une production de bois d'œuvre classé visuellement. Selon les simulations, une usine ayant une capacité de transformation de 100 000 m³, pourrait générer un revenu additionnel pouvant atteindre jusqu'à $420 000 annuellement.