213 - Transformation de la matière ligneuse en bioproduits

L'industrie des panneaux composites à base de bois continue de faire face à la fois à l'effondrement de ses principaux marchés, notamment les secteurs de la construction et du meuble, et à des difficultés d'approvisionnement dues, entre autres, à la concurrence de la filière des produits énergétiques en bois. La reprise économique tant espérée est si timide que de nombreux analystes craignent une nouvelle récession. Le taux de chômage, surtout aux États-Unis, reste élevé et les mises en chantier encore faibles, progressent très lentement.
Toutefois, les entreprises québécoises de panneaux développent des stratégies pour stabiliser leurs approvisionnements de matière première. Parallèlement, elles explorent des avenues innovantes en termes de procédés et de produits spécialisés pour intégrer le processus de mutation inévitable de cette industrie qui est déjà en cours.
Dans une perspective de conseiller industriel et après un bref portrait de la situation de l'industrie de panneaux et de produits composites à base de bois, la présentation revient sur les bioproduits les plus prometteurs développés ces dernières années par cette industrie au Québec et ailleurs dans le monde dans le but de susciter la réflexion.

Dans un contexte de bioraffinerie, les sucres à 5 carbones non fermentescibles représentent une problématique récurrente et ce pour tous les types de biomasse. Sous catalyse homogène acide, ces sucres peuvent être convertis en furfural, molécule qui pourrait devenir très prochainement la plaque angulaire de l'industrie des biocarburants et des composés chimiques verts. Le présent projet fait état de la conversion catalytique du furfural en alcool furfurylique, approche s'insérant dans le procédé industriel de production de biodiesel à partir des sucres à 5 carbones. En employant la réaction de Cannizzaro, il est possible d'obtenir l'alcool furfurylique sans utiliser un catalyseur métallique ni d'hydrogène, ce qui représente une économie substantielle sur un tel procédé de réduction. Les résultats obtenus montrent que ces réactions sont très sélectives, et ce, en utilisant des conditions opératoires relativement douces.

L'extraction de principes actifs à partir de substrats végétaux à l'aide de solvants est une opération unitaire classique. La plupart des industries d'extraction actuelles utilisent des matières végétales usuelles et des procédés conventionnels en «batch». Les procédés normés ASTM stipulent que l'extraction des métabolites secondaires est un procédé qui se fait en deux temps par alternance de solvants : organique puis aqueux. Dans ces procédés le temps d'extraction est long, pouvant atteindre 8 h, ce qui aura un impact direct sur les couts associés à cette opération.

La production d'éthanol cellulosique nécessite des prétraitements devant être faits sur la biomasse afin d'isoler les métabolites secondaires qui peuvent inhiber la fermentation des glucides. Avec la tendance grandissante vers la production de cultures énergétiques, potentiels intrants pour d'éventuelles bioraffineries, il importe de vérifier la composition et le potentiel des extractibles provenant de ces plantes.

La lignine, qui représente de 10 à 30% de la biomasse lignocellulosique représente un potentiel inestimable de valorisation. Celle-ci, considérée comme un sous-produit papetier, est dans la plupart des cas brulée afin de produire de l'énergie et de la chaleur (CHP). Toutefois, sa composition (enchaînement de phenyl propane) est une source potentielle de molécules aromatiques. Une dépolymérisation catalytique de cette macromolécule permet la production de composés aromatiques hautement valorisables (molécules monoaromatiques : monomères), ainsi que la production d'intermédiaires pour la synthèse de biocarburant pour l'aviation (molécules polyaromatiques : oligomères). Cette dernière représente un important marché puisque le domaine de l'aviation représente un potentiel marché d'ampleur pour les biocarburants et que pour l'instant, les pratiques d'addition de biocarburant à ce type de carburant sont peu développées.

La dépolymérisation par catalyse basique a été optimisée en réacteur continu au cours de cette étude. Les expériences effectuées à partir de la lignine Kraft montrent qu'un rendement proche de 10 %pds en monomères peut être atteint, avec une sélectivité importante en pyrocathecol à plus haute sévérité. La dépolymérisation génère également des oligomères partiellement désoxygénés, avec des rendements compris entre 45 et 70 %pds. Ces molécules polyaromatiques ont été caractérisées pas analyse élémentaire et par ³¹P NMR.

Le charbon de biomasse, longtemps perçu comme un résidu, se présente maintenant comme un vecteur de développement durable dans la chaîne de valorisation de la biomasse. Le char de torréfaction (pyrolyse douce) est un combustible potentiel aux propriétés de conservation favorables et le charbon de biomasse pyrolytique a quant à lui le potentiel d'amender les sols et par la même occasion de constituer une méthode de séquestration de carbone. Dans le cadre de cette recherche, une plante lignocellulosique dite « énergétique », le panic érigé, a été pyrolysée dans une atmosphère de CO₂ en comparaison avec une atmosphère inerte « classique » d'azote. À l'aide d'un réacteur batch à lit fixe, 25 g de biomasse/batch ont été transformés à des températures de 300, 400 et 500 °C. Les bilans et la composition de l'ensemble des produits (chars, produits condensables et gaz non-condensables) ont été effectués et analysés. Le char a été analysé tant d'un point de vue physicochimique (analyse immédiate, élémentaire et valeur calorifique) que pour sa composition chimique de composés organiques extraits via Soxhlet et analysés par GC-MS; tout comme l'ont été les produits condensables. L'environnement gazeux utilisé a engendré des modifications significatives par rapport aux propriétés des produits obtenus et ce, en fonction des températures étudiées.

Dans la conjoncture actuelle, les papetières canadiennes ont un besoin pressant de diversifier leurs produits. Ces papetières génèrent aussi des tonnes de résidus qu'elles doivent éliminer de façon sécuritaire et économique. Les microorganismes et les enzymes industriels pourraient permettre aux papetières de traiter leurs résidus. Ces mêmes microorganismes et enzymes pourraient également valoriser les résidus pour obtenir des bioproduits qui intégreront des marchés fructueux ou répondront à leurs propres besoins. En effet, une bactérie cellulolytique comme Clostridium thermocellum produit du biohydrogène (H2) pouvant être utilisés à des fins énergétiques et convertit directement la cellulose en plusieurs métabolites d'intérêt (acétate, lactate, formate, éthnaol). Riches en matières cellulosiques, les boues papetières pourraient servir de milieu de culture alternatif et économique pour cultiver Cl. thermocellum. La récolte de coproduits permettrait de rentabiliser un procédé de production de H2 ou d'éthanol par Cl. thermocellum à partir de résidus contenant de la cellulose résiduelle comme les boues papetières. Cette bactérie croît seulement sous des conditions anaérobies et thermophiles et hydrolyse la cellulose grâce à un complexe enzymatique appelé cellulosome.

Quoique les papetières vivent actuellement des difficultés économiques, elles sont toujours actives et génèrent des volumes importants d'eaux usées à traiter. Le couplage du traitement des eaux usées à l'obtention de produits à valeur ajoutée est une façon de réduire les coûts de traitement et même de diversifier les produits de l'industrie. Parallèlement, la nanocellulose est un produit convoité par les papetières à la recherche de solutions pour leur relance. Elle est normalement obtenue par voie chimique à partir de la biomasse forestière, fraîche ou résiduelle. Elle peut aussi être obtenue par voie bactérienne à partir de sucres simples avec la bactérie Gluconacetobacter xylinus (produisant une pellicule de cellulose à la surface de son milieu de culture). La production de la cellulose bactérienne de G. xylinus est possible dans des milieux de culture bon marché comme des eaux usées ou des boues biologiques. Cette approche s'applique très bien à la culture de G. xylinus dans des eaux blanches papetières. Les sucres et les fines particules de cellulose résiduelle présents dans les eaux blanches pourraient servir de source de carbone pour G. xylinus qui produirait alors une cellulose bactérienne avec les propriétés recherchées de la nanocellulose. Cette cellulose bactérienne pourrait ensuite servir à la fabrication de composites au sein de la même papetière (ayant générées les eaux blanches utilisées pour la culture).

Une caractérisation de cinq différentes lignines industrielles est réalisée dans ce projet : une lignine kraft commerciale (Indulin), une lignine pyrolytique, une lignine Soda et deux lignines kraft précipitées des liqueurs noires de deux industries papetières Québécoises (Kruger Wayagamack et Domtar Windsor) suivant le protocole inspiré par le procédé breveté sous le nom de LignoBoost. Les analyses des ces lignines par spectroscopie infrarouge (FT-IR) et par pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse et à la spectrométrie de masse (Py-GC/MS) ont permis d'identifier leur nature. Diverses analyses chimiques et thermiques ont été effectuées pour déterminer leur pureté, leur composition, leurs propriétés thermiques ainsi que les groupements fonctionnels qui les composent. Une caractérisation de cinq différentes lignines industrielles est réalisée dans ce projet : une lignine kraft commerciale (Indulin), une lignine pyrolytique, une lignine Soda et deux lignines kraft précipitées des liqueurs noires de deux industries papetières Québécoises (Kruger Wayagamack et Domtar Windsor) suivant le protocole inspiré par le procédé breveté sous le nom de LignoBoost. Les analyses des ces lignines par spectroscopie infrarouge (FT-IR) et par pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse et à la spectrométrie de masse (Py-GC/MS) ont permis d'identifier leur nature.

La raréfaction progressive des ressources pétrolières et les problèmes environnementaux engendrés par son utilisation amènent la communauté scientifique à rechercher une alternative aux produits pétroliers. La biomasse forestière se pose en solution de substitution intéressante. Elle présente l'avantage d'être disponible en quantité abondante, d'être renouvelable et d'avoir un bilan carbone neutre.Parmi les procédés de conversion, la pyrolyse rapide ou éclair est l'une des plus prometteuses pour valoriser la biomasse forestière comme source d'énergie et de produits chimiques. Actuellement, la biohuile obtenue connait plusieurs limitations en vue d'un développement commercial. Elle possède une viscosité élevée, un faible pouvoir calorifique dû à une forte teneur en oxygène (~ 40%), ainsi qu'un caractère acide marqué (pH ~ 2,5). Son amélioration est donc essentielle pour assurer la viabilité de cette filière bioénergie/bioproduits à partir de la biomasse forestière. Le projet de ce doctorat vise d'abord réduire l'acidité et à augmenter le pouvoir calorifique tout en assurant une meilleure stabilité de la biohuile par le biais d'un prétraitement par torréfaction. Cette étape a pour principal objectif d'éliminer au maximum les hémicelluloses, sources principales de l'acidité et des composés oxygénés, de la biomasse forestière. En modifiant la nature des composants de la matière première, la torréfaction influence ainsi sur la composition finale de l'huile.

Plusieurs utilisations de matière ligneuse requièrent des particules de longueur et de forme bien définies. La méthode traditionnelle de caractérisation de la longueur est le tamisage mécanique. Cependant des études récentes montrent que la densité des biomasses, la préparation des échantillons, la durée du tamisage et le tamiseur influencent les résultats. Depuis septembre 2010, nous avons accumulé neuf sources de biomasse de saule de forme différente (hachée, broyée ou déchiquetée) et de longueur variée (entre 20 et 100 mm).
Les échantillons sont analysés dans trois tamiseurs : celui de l'ASABE, le Porta-Screen® (PS-4) de Gilson et le Ro-Tap® (RX-30) de Tyler. Selon le type d'appareil, les formes de tamis diffèrent de même que la fréquence et le mouvement d'oscillation (horizontal ou vertical). Les plateaux ont des ouvertures inférieures à 32 mm. Les variables étudiées sont le temps de vibration (entre 1 et 15 minutes) et l'abrasion en tamisant un même échantillon dix fois au temps maximal de 15 minutes.
En parallèle, certaines classes de particules sont mesurées en deux dimensions par numérisation d'image et établissement des coordonnées avec MatLab. Enfin, une collaboration avec l'Université de Georgie permet d'utiliser un Camsizer muni de caméras filmant les particules individuelles en chute libre. Les coordonnées en trois dimensions seront mesurées en mars 2012 et comparées avec les mesures de tamisage en 1D et d'analyse d'images en 2D.

Le projet, a pour objectif de déterminer le potentiel de l'utilisation de lignines industrielles en tant qu'agent de couplage dans un bio-composite de polyéthylène haute densité (HDPE) et de fibres d'écorces. La valorisation de deux coproduits à faible valeur telles que la liqueur noire (source de lignines) et les écorces donne une dimension écoresponsable à ce projet. La réalisation de bio-composites par extrusion puis moulage par compression à chaud permettront de présenter l'impact de la présence d'un agent de couplage commun (5%) et le potentiel d'ajout de la lignine commerciale brute (IndulinAT). On va aussi étudier l'impact de l'estérification des lignines sur sa performance en tant qu'agent de couplage. L'utilisation jusqu'à 50% d'écorces de granulométries différentes a permis d'étudier ce facteur morphologique. La température d'extrusion a été mise en facteur, ce qui permet d'optimiser le procédé d'extrusion. Dans le but d'améliorer la compatibilité des écorces avec la matrice polymère, une extraction des fibres d'écorce à l'eau chaude a été réalisée et comparée avec des écorces non extraites. La caractérisation physico-chimique, de ces bio-composites, comporte des analyses thermiques (DSC, TGA) et d'hydrophobicité (angle de contact). La densité et la morphologie des écorces ont été analysées.

Les résidus solides récupérés au traitement des eaux usées des usines de pâtes et papierssont appelés boues. La boue est riche en fibres et pourrait donc être utilisée comme composante bois dans les composites bois-plastique (CBP). Ainsi, l'objectif général de l'étude est d'évaluer la faisabilité de produire des CBP avec différentes sources et proportions de boues. Les résidus furent échantillonnés selon 3 procédés papetiers (thermomécanique (TMP), chimico-thermomécanique (CTMP), et Kraft) et caractérisés en termes de composition chimique, de chimie de surface à l'aide de la spectroscopie de photoélectrons X et de morphologie des fibres. Enfin, des échantillons de CBP furent produits selon 3 proportions de boue (20%, 30% et 40%) et 3 procédés papetiers. La matrice utilisée est le polyéthylène haute densité (PEHD). Les boues PTM et PCTM contiennent plus de cellulose et moins de cendre (impuretés) que la boue issue du procédé Kraft. Toutefois, les fibres dans les boues Kraft sont plus longues. Les propriétés mécaniques des CBP les plus élevées furent obtenues avec la boue Kraft. La résistance à la traction des CBP Kraft est 35% plus élevée que celle des CBP TMP et 38% plus élevée que celle du PEHD seul. La rigidité des échantillons Kraft est 24% plus élevée que celle des échantillons TMP et 92% plus élevée que celle de la matrice seule.

L'objectif de cette étude est d'évaluer les dépôts de nano couches de ZnO par plasma sur l'érable à sucre sans et avec revêtements pour vérifier leur influences dans les propriétés superficielles du bois. Dans une première étape, les dépôts ont été réalisées sur un substrat de silice pour déterminer les effets des différents paramètres (puissance, ratio de gaz O2 et Ar, distance et pression) sur les taux de croissance du film. Les taux de croissance varient de 0,75 à 7,5nm.min-1. Dans une deuxième étape, les couches de ZnO ont été déposées sur le bois sans et avec revêtements avec différentes conditions de procédés de traitements plasma. Avec les dépôts de ZnO sur le bois sans revêtements, on observe un changement dans le comportement de la mouillabilité. Il y a un passage d'un caractère hydrophile vers hydrophobe qui se stabilise quelques jours après le traitement. Les valeurs d'angles de contacts chutent de 60 à 13°, 2 jours après le traitement et, quelques jours après, des valeurs supérieures à 100° sont trouvées. Les paramètres de couleur ont aussi été évaluées, avec un changement de ΔE entre 3 à 12, dépendant de la condition du traitement. Avec la microscopie électronique de balayage, on est capable d'observer deux mécanismes différents de nucléation des nano couches et l'impact des paramètres de procédés sur la microstructure des dépôts.

Pour des raisons d'apparences naturelles (couleur, grain et texture) de ses surfaces, le bois, matériau écologique, est très utilisé dans l'industrie du meuble au Québec. Cependant, les variations dimensionnelles du bois représentent une problématique majeure de ce biomatériau et par conséquent, limitent son utilisation en particulier dans le cas des usages intérieurs à forte teneur en humidité, principale raison pour laquelle les surfaces de bois se doivent d'être bien protégées. L'utilisation des photons de la lumière ultra-violette (UV) en tant que source d'énergie afin de polymériser le produit de finition appliqué à la surface du bois, pourrait être considérée comme étant une technologie non polluante, mais aussi économique. En ce qui concerne les performances des revêtements à la surface du bois, grâce à l'utilisation de la nanotechnologie, il serait possible d'améliorer certaines propriétés des revêtements suite à une bonne dispersion des agents de renfort dans la matrice polymère. L'objectif général de ce travail était de préparer et d'étudier les propriétés rhéologiques des formulations nanocomposites UV ainsi que d'évaluer la qualité de dispersion des nanoparticules d'argile dans la matrice à partir des films de revêtement.

Grace à une plus grande sensibilisation pour l'environnement, cette dernière décennie a connu une utilisation croissante des fibres naturelles comme renfort dans les matériaux composites. L'objectif principal de ce travail est la valorisation des fibres de bois produit au Canada. Deux types de fibres de bois très connues sont testés : le bouleau et le tremble. Pour ce faire, nous avions étudié l'effet indépendant des deux types de fibres, et leur effet combinée (composites hybrides) sur les propriétés en traction des composites Homo-polypropylène/fibres de bois, avec et sans agent de couplage (3% en masse). Après préparation sur un mélangeur, des éprouvettes sont moulées sous forme d'altère, en respectant la norme ASTM D 3039 type V. Le moule est maintenu à 205°C au moyen d'une presse Dake et pendant 20 min sous une pression de 20 MPa, refroidie jusqu'à 60° C. Chaque lot d'éprouvettes contient 6 échantillons pour nos essais de traction. D'après les résultats des tests de traction, à 30% et 40% de fibres, les propriétés sont améliorées avec addition d'un agent de couplage pour tous les composites renforcés (tremble, de bouleau, tremble+bouleau). En outre, la contrainte et le module de traction sont maximal pour le composite à fibres de bouleau. La performance mécanique n'est pas améliorée avec les composites hybrides comme l'a prouvé des recherches avec d'autres fibres naturelles.

Les matières plastiques issues de la filière pétrolière jouent un rôle important dans notre société actuellement. Cependant, la ressource pétrolière est épuisable et non-renouvelable. C'est pourquoi le développement des matériaux bio-composites est actuellement en plein essor. Les lignines sont la seconde ressource renouvelable majeure de la biosphère, juste derrière la cellulose. Pourtant, elles sont considérées comme un déchet des industries des pâtes et papiers. En remplaçant des polymères synthétiques par des bio-polymères renouvelables tels que les lignines, ceci contribue à la séquestration des gaz à effet de serre. Dans ce contexte, nous cherchons à incorporer des lignines industrielles dans le polyéthylène de haute densité (HDPE) afin de fabriquer un matériau composite à haute performance.
Comme la plupart des matériaux composites, l'incompatibilité entre les composants est un obstacle majeur à franchir. L'objectif de la recherche vise donc à comparer deux méthodes pour améliorer la compatibilité entre les lignines et la matrice polymère : l'ajout d'un agent de couplage dans le mélange et par l'estérification de la lignine avant son introduction dans le composite.

Les échanges des produits commerciaux et leurs matériaux d'emballage à l'échelle intercontinentale sont devenus une piste importante pour l'introduction des espèces envahissantes au Canada et aux États-Unis. Les matériaux d'emballage en bois sont identifiés comme étant une des causes qui a facilité l'introduction des pathogènes et des insectes qui menacent les forêts de l'Est de l'Amérique du Nord. Afin de faire face à cette problématique, un groupe de travail de la Convention Internationale pour la Protection des Végétaux (CIPV) a passé une réglementation qui consiste à effectuer un traitement phytosanitaire de tous les matériaux d'emballage en bois. Cette réglementation exige la désinfestation ou la désinfection des envois de végétaux et de produits végétaux faisant l'objet d'échanges internationaux, ainsi que des conteneurs, des installations d'emmagasinage et des moyens de transport de tout ordre qui sont utilisés. Plusieurs alternatives sont utilisées pour le traitement phytosanitaire tels que le traitement thermique, la fumigation, etc. L'irradiation aux micro-ondes est une alternative prometteuse étant donné qu'elle est plus rapide et plus facile à intégrer dans une ligne de production. Cependant, plusieurs incertitudes sur l'efficacité d'un tel traitement à pénétrer le bois et à tuer les microorganismes et les insectes restent à vérifier.

L'acétate de polyvinyle (PVA) est un polymère thermoplastique qui est grandement utilisé dans l'industrie de transformation du bois pour le collage de pièces. Malgré ses avantages, le polymère PVA montre de très faibles performances en ce qui concerne sa plastification en présence d'eau et à des températures élevées. Dans cette recherche, nous étudions la possibilité d'améliorer la résistance du polymère PVA à l'eau et à la chaleur par l'ajout d'un nanomatériau vert, la nanocellulose. Divers mélanges de PVA et de nanocellulose furent préparés. Pour mesurer la résistance mécanique des collages, la force d'adhérence a été évaluée en cisaillement. La technique de nanoindentation a également été utilisée pour mesurer la dureté, le module élastique (MOE) et le fluage dans le polymère PVA témoin et dans les nouveaux composites PVA-nanocellulose. La force en cisaillement du collage à l'état humide et à la chaleur a été doublée en ajoutant des nanocelluloses. À l'état sec, l'ajout de nanocellulose a eu un effet positif en termes de pourcentage d'arrachement de bois. Les résultats des mesures de nanoindentation ont démontré que la nanocellulose a augmenté la dureté et le MOE de façon significative.