Eco-conversion de résidus lignocellulosiques de l’agriculture en matériaux composites durables à matrice biopolyester

L’agriculture génère chaque année des milliards de tonnes de résidus organiques liquides, solides et gazeux. Un résidu peut être défini comme une matière qui résulte d’un processus de production et qui n’est pas le produit final que ce processus vise à produire (article L. 541-1-1 du Code de l’Environnement). Il est considéré que ce terme inclut les déchets, les sousproduits et les coproduits. Un déchet consiste en une substance ou tout objet dont le producteur cherche ou a l’obligation de se défaire. Les sous-produits représentent toute matière n’étant pas le produit final visé, mais dont l’utilisation ultérieure et directe est certaine. Leur valorisation est partielle, spécifique ou locale. Au contraire, la valorisation économique des coproduits est totale. Les résidus agricoles peuvent être considérés comme l’une des ressources les plus abondantes, peu chères et renouvelables [1]. En Europe, les résidus de l’agriculture représentent 50% de la masse des récoltes et une énergie potentielle de 89 millions de tonnes d’équivalent pétrole [2]. Or actuellement une part non négligeable de ces résidus est incinérée ou enfouie sans contrôle, ce qui cause des problèmes environnementaux dans tous les compartiments : air, sol et eau. Le potentiel de pollution des résidus agricoles est élevé à long terme. Valoriser ces résidus permet de ne pas consommer des ressources primaires tout en produisant des produits durables. Il existe une grande diversité de résidus agricoles, issus de cultures annuelles (pailles, canes, fanes) ou pérennes (sarments, bois de taille), d’effluents d’élevage (fumier, lisiers), de déchets de bocage ou encore de cultures de plantes à parfum (paille de lavandin), qui peuvent être utilisés dans de nombreux secteurs. Ces effluents solides sont valorisables comme engrais mais peuvent également être convertis pour la production de bioénergies, biomatériaux ou biomolécules. Ils constituent donc une ressource importante dont il faut tirer profit. Leur utilisation ne requiert pas de culture dédiées et n’entre donc pas en compétition avec des usages alimentaires et ne présente pas d’effets néfastes sur la biodiversité. Au-delà de la réduction et du recyclage des résidus agricoles, de nouveaux procédés émergent pour utiliser cette matière première. Ceci répond aux ensembles de règles et de réglementations concernant l’environnement (Directive Européenne 2008/98) mais également à la production de nouveaux produits à plus haute valeur ajoutée. La Commission Européenne finance ainsi de nombreux projets relatifs aux technologies de traitement des résidus de l’agriculture visant à valoriser les sous-produits et à récupérer de l’énergie tout en minimisant les impacts sur l’environnement.

L’équipe internationale de NoAW entend mettre en pratique les principes de l’économie circulaire en valorisant des résidus agricoles, et plus particulièrement les résidus de productions viti-vinicoles (e.g. sarments et marcs de vin), de blé (e.g. paille) et animales (e.g. fumier). NoAW vise à étudier le potentiel des agro-résidus afin de les transformer en un éventail de produits éco-efficaces, et ce en utilisant moins de ressources et en polluant moins. L’accent est mis sur la production de bioénergies, biofertilisants, biomatériaux et biomolécules. La conversion de ces résidus en bioproduits permet de remplacer une gamme importante de produits équivalents d’origine non-renouvelable, tout en apportant de la valeur ajoutée à des résidus pas ou peu valorisés. Ce travail est réalisé en se focalisant sur les contraintes et les opportunités territoriales et saisonnières ainsi que sur le développement d’outils de prédiction précoces des bénéfices environnementaux. Trois régions sont à l’étude : le Languedoc-Roussillon en France, la Vénétie en Italie et la Bavière en Allemagne. Un processus en cascade de valorisation des résidus agricoles est appliqué afin de maximiser leur potentiel . Un concept de bioraffinerie durable est élaboré autour de la digestion anaérobie. Les effets attendus sont la diminution de l’utilisation des ressources fossiles et la réduction des impacts négatifs d’une gestion inappropriée de la biomasse. Le projet NoAW cherche à apporter des solutions aux décideurs politiques et aux entreprises via :

➤ La création de concepts durables de bioraffinerie des résidus agricoles,
➤ Le développement et l’utilisation d’approches intégratives, en accordant une attention particulière aux impacts environnementaux du produit et de son processus, notamment en phase de conception,
➤ L’apport d’outils innovants et robustes pour le développement de stratégies de récupération des ressources résiduelles et minimiser les impacts négatifs sur l’eau, l’air et le sol.

Le projet s’appuie sur 8 tâches (work packages ou WP) étroitement connectées . Des stratégies optimales de valorisation des résidus agricoles à une échelle régionale sont proposées (WP1), leur impact sur l’environnement est pris en compte (WP2) et de nouveaux modèles économiques sont élaborés(WP5). Des technologies sont développées notamment pour améliorer la digestion anaérobie (méthanisation) et la production d’un biopolyester bactérien, le polyhydroxybutyrate-co-valérate (PHBV) (WP3). Dans le WP4, des schémas de bioraffinerie sont proposés via l’exploration de nouvelles voies de valorisation en amont et en aval de la méthanisation afin de donner le maximum de valeur ajoutée aux résidus agricoles. En amont d’une valorisation par digestion anaérobie, l’extraction de molécules d’intérêts tels que les polyphénols et la production de charges de renfort pour des applications composites sont à l’étude. La digestion anaérobie conduisant à la production d’acides gras volatiles (VFAs) conjointement à la production de biogaz est explorée ainsi que leur valorisation de ces derniers pour la synthèse de PHBV en aval de cette technologie. Finalement, les technologies les plus prometteuses et les plus matures sont transposées à plus grande échelle dans le cadre du WP6.

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Table des matières

INTRODUCTION
I. LIGNOCELLULOSIC FILLERS
I-1 SOURCES OF LIGNOCELLULOSIC BIOMASS
I-1.1 Dedicated cultures
I-1.2 Forest, agricultural and food industries residues
I-2 BIOCHEMICAL COMPOSITION OF LIGNOCELLULOSE BIOMASS
I-2.1 Cellulose
I-2.2 Hemicellulose
I-2.3 Lignin
I-2.4 Pectins
I-2.5 Proteins
I-2.6 Extractives
I-2.7 Methods to assess the biochemical composition of lignocellulosic biomass
I-3 FOCUS ON VINE SHOOTS
I-3.1 Vineyard cultivation practices
I-3.2 Other wine residues
I-3.3 Chemical composition
I-3.4 Current and potential uses of vine shoots
I-4 KEY PROPERTIES OF FIBERS FOR COMPOSITE
I-4.1 Chemical composition
I-4.2 Morphology
I-4.3 Surface condition: surface chemistry
II. LIGNOCELLULOSE FILLER MODIFICATION
II-1 MOTIVATION FOR FILLER MODIFICATION
II-2 PHYSICAL SURFACE TREATMENTS
II-2.1 Plasma treatment
II-2.2 Gamma or e-beam irradiation
II-3 CHEMICAL SURFACE TREATMENTS
II-3.1 Treatment with isocyanates
II-3.2 Treatment with organosilanes
II-3.3 Esterification
II-3.4 Other chemical treatments
II-4 CHARACTERIZATION OF THE GRAFTING EXTENT
CONCLUSION