La lignine, polymère organique complexe, est au cœur des recherches visant à transformer les déchets de l’industrie papetière en ressources chimiques renouvelables. La démarche s’inscrit ici dans une perspective de valorisation des sous-produits et d’optimisation des ressources naturelles.
La lignine : un potentiel inexploité au service de la chimie verte
La lignine constitue l’un des principaux composants du bois, lui conférant solidité et résistance. Toutefois, lors de la transformation du bois en papier, la lignine est généralement écartée et devient un déchet.
Marcus Foston, professeur associé en génie énergétique, environnemental et chimique à l’École d’Ingénierie McKelvey de l’Université de Washington à Saint-Louis, s’attache à revaloriser la lignine en la décomposant en petites molécules semblables aux hydrocarbures oxygénés. Ces composés chimiques renouvelables sont essentiels dans de nombreux processus et produits industriels, mais sont traditionnellement issus du pétrole, une ressource non renouvelable.
Une étude collaborative pour transformer la lignine
L’étude de la désassemblage de la lignine menée par Foston, en collaboration avec Sai Venkatesh Pingali, scientifique en diffusion de neutrons au Laboratoire National d’Oak Ridge (ORNL), a été publiée le 17 janvier dans la revue Sustainable Chemistry & Engineering.
« La structure de la lignine ressemble beaucoup à ce que nous obtenons à partir du pétrole », explique Marcus Foston, qui est également directeur du Centre de Recherche en Fabrication de Matériaux Avancés de Biologie Synthétique (SMARC) de WashU. « Dans les processus de fabrication actuels, nous passons du temps à faire en sorte que le pétrole ressemble aux éléments de la lignine. Au lieu de cela, j’utilise un catalyseur pour décomposer plus facilement la lignine de manière à produire des chimiques spécifiques. Une fois que nous pouvons produire des chimiques à partir de la lignine sous la forme souhaitée, nous pouvons alors utiliser la lignine plus efficacement, qui est un sous-produit abondant de la transformation du bois en papier. »
Des avancées technologiques pour une chimie durable
Avec ses collaborateurs de l’ORNL, Marcus Foston a utilisé la diffusion de neutrons pour étudier comment la lignine interagit avec les solvants et les catalyseurs pendant sa désassemblage dans des conditions de réaction, y compris à haute température et pression.
Les installations avancées de l’ORNL ont permis aux chercheurs d’observer le processus de réaction en temps réel pour améliorer leur catalyseur et simplifier davantage les systèmes de réaction pour la dépolymérisation de la lignine. Cette vue directe au niveau moléculaire est cruciale, selon Marcus Foston, pour comprendre comment le catalyseur et la lignine se comportent en solution et pour s’assurer que la lignine ne se recondense pas en un polymère avec des liaisons que les scientifiques ne peuvent pas facilement rompre.
Une vision élargie pour l’avenir de la chimie renouvelable
« Dans cette étude, nous réfléchissons spécifiquement à la manière dont nous pouvons prendre la grande quantité de lignine produite lors de la production de biocarburants ou de papier et l’utiliser pour fabriquer des chimiques renouvelables qui remplacent certains des chimiques que nous obtenons actuellement à partir du pétrole », ajoute Marcus Foston.
« Plus largement, les mêmes principes de dépolymérisation que nous explorons avec la lignine pourraient être utilisés dans d’autres applications. Par exemple, les mêmes leçons de cette étude s’appliquent aux scénarios de déchets plastiques, où une approche consiste à déconstruire les déchets plastiques en petites molécules qui pourraient être utilisées pour fabriquer du plastique ou d’autres produits utiles. »
« En fin de compte, nous voulons prendre un ensemble de chimiques provenant du pétrole et découvrir comment nous pouvons les produire de manière renouvelable », conclut Marcus Foston. « Tout ce que nous apprenons sur la lignine s’appliquera également à d’autres domaines. »
Légende illustration : Marcus Foston (à gauche) et ses collaborateurs étudient comment utiliser la lignine, un déchet courant de la fabrication du papier, comme source d’alternatives renouvelables aux produits chimiques dérivés du pétrole. (Photo : Jerry Naunheim)
Article : « Structural Evolution of Lignin Using In Situ Small-Angle Neutron Scattering during Catalytic Disassembly » – DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c06368
