La chimie du végétal tente d'apporter une alternative au pétrole pour pallier sa pénurie prochaine et trouver des sources d'énergie plus propres grâce à la biomasse.

La biomasse peut représenter une alternative au pétrole. Cette source d'énergie est renouvelable et non polluante si on l'utilise bien et sans la mettre en concurrence avec les surfaces agricoles. L'utilisation de la biomasse est-elle une réalité ou représente-t-elle encore une perspective (trop) lointaine ?

Une nouvelle vague s’est mise en mouvement parmi les chimistes à l’échelle mondiale, dans des laboratoires académiques comme dans l’industrie, qui ont répondu présents pour relever ce nouveau défi : trouver une alternative au pétrole, ressource non renouvelable menacée de pénurie. Tout cela en gardant en vue l’objectif de développer des procédés respectueux de l’environnement en limitant le réchauffement climatique, en fabriquant des produits peu polluants, si possible recyclables et peu coûteux. Pour répondre à ces défis, on a pensé à une ressource considérée renouvelable : la biomasse.

 Les organismes peuvent devenir des sources d'énergie, c'est ce qu'on appelle la biomasse. Quand il s'agit d'organismes végétaux, on parle donc de biomasse végétale. ouestcommunicationcom, Flickr, CC by-nc-nd 2.0

L’enjeu est de taille et le défi ambitieux. Mais force est de constater que la chimie du végétal s’affirme déjà sur les marchés mondiaux (voir le tableau ci-dessous).

Production mondiale en tonne par an de biocarburants et produits biosourcés en 2006. Wim Soetaert, 2006

L’utilisation de surfaces agricoles pour des débouchés non alimentaires est déjà une réalité, en même temps que la recherche fondamentale est en phase avancée sur des pistes prometteuses pour développer les matériaux et l’énergie de demain. C’est ce qui ressort clairement du colloque « Innovations en chimie du végétal » qui s’est tenu le 27 octobre 2010 à la Maison de la chimie (Paris), et a réuni nombre de ceux qui seront peut-être les précurseurs de l’ère de l’après-pétrole, colloque sur lequel se base ce dossier.

Parmi eux, des chimistes des pôles de compétitivité Axelera, Industries et agro-ressources (IAR), Matériaux et applications pour une utilisation durable (Maud), dont de nombreux membres de l’Association française chimie du végétal (ACDV). Cette association a été créée le 10 janvier 2008 par l’Union des industries chimiques (UIC), l’Union des syndicats des industries des produits amylacés et de leurs dérivés (Usipa), l’IAR et les entreprises Rhodia et Roquette, ses membres fondateurs. Elle est une réponse concrète à ce qui est déjà une préoccupation depuis plus d’une dizaine d’années, notamment pour l’Ademe : développer une chimie du végétal [1].

Mais qu’est-ce que la chimie du végétal et que nous promet-elle ?

[1] Messal R., Produits renouvelables, vers un âge d’or du végétal ?, L’Act. Chim., 2002, 255, p. 41.


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Si le pétrole est aujourd'hui au cœur de notre production et de notre consommation, il n'a pas toujours été aussi omniprésent. Depuis sa découverte il est utilisé abondamment, pourtant il est dans notre intérêt de considérer les autres sources de carbone que nous offre la nature. Intéressons-nous brièvement à l'histoire du pétrole pour aborder l'avenir de l'énergie.

C’est au milieu du XIXème siècle qu’a été découvert le pétrole, cette huile provenant de la décomposition sédimentaire de composés organiques. Nous avons très vite su extraire cette source de carbone fossile, la transporter, la raffiner et, outre le fait de l’utiliser comme principale source d’énergie pour nos transports, nous savons la transformer en une quasi-infinité de molécules simples, briques élémentaires de molécules de plus en plus élaborées.

 La plateforme pétrolière représente l'industrie du pétrole, huile découverte au milieu du XIXe siècle. Nasa

Cela a été possible grâce aux progrès considérables de la recherche en synthèse chimique vers le milieu du XXème siècle, pour produire ce qui contribue à notre bien-être quotidien : vêtements, véhicules, habitats, emballages, produits d’entretien, cosmétiques, sans oublier les médicaments, véritable révolution du siècle dernier. Aujourd’hui, les ressources en pétrole se tarissent, le prix du baril a atteint des records sans précédent même si aujourd'hui il est en nette baisse, tandis que les problèmes environnementaux et climatiques nous alarment de jour en jour. Nous ne pourrons plus compter bien longtemps sur le pétrole.


Les carburants verts, sont ils LA nouvelle source d'énergie pour les transports ? Quelles sont les filières qui ont une vraie chance d'aboutir dans les années à venir ? Où sont les priorités ? Avec les Biocarburants de 1ère génération utilisant des terres arables se pose la question : Faut-il plutôt remplir son réservoir ou nourrir la planète ? L'important est de trouver le bon équilibre... Les biocarburants de deuxième génération sont-ils pérennes ? Et qu'en est-il de la troisième génération, le pétrole bleu ? Reportage à Narbonne dans une entreprise Hi tech qui cultive des algues microscopiques gavées d'hydrocarbures. ademe 28/10/2012

Dans un souci environnemental général, l’industrie s’efforce de plus en plus de développer des procédés limitant les rejets de déchets et de dioxyde de carbone, et de fabriquer des produits rapidement biodégradables. Des matériaux polymères biosourcés sont là pour en témoigner : plastiques sans phtalates et emballages en polycarbonate sans bisphénol A grâce à l’utilisation d’isosorbide, plastiques biodégradables en acide polylactique (PLA) par fermentation d’amidon et alternatives au polyéthylène, vernis et adhésifs à base d’amidon et sans composés organiques volatils[2] (COV), mousses en polyuréthane souples, légères et avec peu d’émanation de COV, à partir de polyols pour l’habitacle des voitures, emballages compostables, compléments alimentaires… pour ne citer que quelques exemples.

[2] Dinh-Audouin M.-T., La pollution de l’air dans les espaces clos préoccupe, L’Act. Chim., 2008, 322, p. 45.


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La piste des biocarburants est intéressante mais souffre de la concurrence avec les surfaces agricoles, d'où la volonté de développer les biocarburants de deuxième génération. Autre perspective : les produits biosourcés (c'est-à-dire d'origine végétale).

La bonne nouvelle, on la trouve du côté des produits biosourcés : on évalue à seulement 4 % la surface agricole utilisée pour produire des intermédiaires chimiques à l’horizon 2020 (contre 15 à 20 % pour les biocarburants).

 La biomasse permet de fabriquer des produits biosourcés, comme c'est le cas pour la canne à sucre. Thomas Bucher, Fotopedia, CC by-nc-nd 3.0

D’autre part, il est aussi primordial de développer des procédés de transformation respectueux de l’environnement. Les scientifiques ont maintenant affaire à des biomolécules aux structures nouvelles, multiples et complexes (voir figure ci-dessous), qu’il va falloir extraire du milieu naturel, caractériser et transformer en intermédiaires d’intérêt industriel. Transformations qui peuvent être de type chimique ou biologique, comme l’utilisation d’enzymes ou de micro-organismes.


 Amidon de maïs et de pommes de terre, sucre de canne à sucre, huiles d’oléagineux (arachide, soja, palmier à huile), lignocellulose de bois… la biomasse est une source précieuse de matière organique pour fabriquer des produits biosourcés très divers (plastiques, peintures, adhésifs, détergents, cosmétiques, vêtements, additifs alimentaires, médicaments…). DR

La cellulose est un polymère du glucose, lequel permet de produire de l’éthanol par fermentation (« biocarburant de 2e génération »). L’hémicellulose, polymère de sucres de formule variable, est notamment une source de pentoses qui peuvent être transformés en intermédiaires pour l’industrie chimique. Les chercheurs s’efforcent de trouver des procédés peu coûteux et respectueux de l’environnement pour extraire cellulose et hémicellulose de leur solide matrice de lignine. Cette lignine pourrait quant à elle être une source précieuse, même la seule source renouvelable, d’intermédiaires aromatiques. Pourtant cette fibre, dont l’exploitation reste difficile du fait de l’hétérogénéité de sa structure (structure très variable selon les sources végétales), est actuellement principalement brûlée à des fins de valorisation énergétique. Le défi reste ouvert aux chimistes !

Ainsi s’ouvrent de nouveaux champs de recherche qui incitent de plus en plus à l’imagination, à développer une chimie sélective (manipuler une protéine ou un sucre est souvent un véritable casse-tête !), parfois dans la continuité de la chimie que nous avons développée à partir du pétrole. Ces nouvelles recherches poussent même parfois à la compréhension de ce qui reste encore très mystérieux : le monde du vivant ! Quel n’est pas un défi pour les chercheurs, chimistes et biologistes, que de comprendre entièrement les processus complexes de la catalyse enzymatique ?

La lignocellulose, composée de lignine, d’hémicellulose et de cellulose en proportions variables, est très présente dans la paroi des cellules végétales, en particulier dans le bois. Cellulose et lignine représentent près de 70 % de la biomasse totale. DR 



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Déchets, consommation d'énergie... La transformation industrielle doit elle aussi devenir plus verte. Les chimistes doivent tenir compte des différentes étapes de cette transformation, qui posent de nombreux problèmes, pour proposer une chimie tournée vers le développement durable.

Les principaux problèmes que peuvent poser les procédés chimiques industriels sont entre autres : l’utilisation de grandes quantités de solvants organiques, la génération de produits secondaires qui constituent souvent des déchets à traiter, l’utilisation importante d’énergie (pour le chauffage des réacteurs par exemple), ou encore les faibles rendements dus à de nombreuses étapes nécessaires pour accéder au produit final. Les chimistes doivent donc prendre en compte de multiples facteurs lorsqu’ils mettent au point des réactions chimiques, à l’échelle du laboratoire comme à l’échelle industrielle.

 Les chimistes travaillent sur des procédés industriels respectueux de l'environnement, pour promouvoir le développement durable au stade de la fabrication. uMontreal.ca-Flickr CC by-nc-sa 2.0

C’est ainsi que se développe par exemple la « chimie dans l’eau » pour éviter l’utilisation massive de solvants polluants, les réactions chimiques associant deux phases, qu’elles soient liquides (comme les liquides ioniques ou l’eau), solides ou gazeuses, pour faciliter les purifications, ou encore de la catalyse (homogène, hétérogène ou enzymatique). Parmi les réactions très prisées par les chimistes, citons la métathèse des oléfines, les réactions de couplages catalysés par le palladium ou encore les réactions de la « chimie click », qui permettent toutes, en une étape et avec peu d’énergie, d’obtenir une grande variété de motifs moléculaires, en générant très peu, voire aucun produit secondaire [3].

À l’heure actuelle, les recherches en synthèse chimique trouvent leurs applications majoritairement à l’échelle du laboratoire. Alors que les matériaux venant du pétrole ont été très optimisés pour des productions en usine, il faudra encore du temps pour un remplacement de grande envergure par les matériaux biosourcés, tout en garantissant une rentabilité économique…

[3] a) Astruc D., La métathèse : de Chauvin à la chimie verte, L’Act. Chim., 2004, 273, p. 3 ; b) Tkatchenko I., Le couple palladium-carbone invité à Stockholm : retour sur les prix Nobel 2010, L’Act. Chim., 2010, 346 p. 6 ; c) Bernard J., Drockenmuller E., Fleury E., Pascault J.-P., Fontaine L., Daniel J.-C., La « chimie click » : quelles perspectives pour les polymères ?, L’Act. Chim., 2010, 344, p. 51.


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Et pourquoi ne pas faire appel à la richesse et l’imagination de la nature pour mettre au point des procédés industriels ? C’est le principe des biotechnologies blanches qui pourraient être une bonne alternative à certains procédés chimiques classiques dans un souci économique et environnemental.

Elles consistent à employer des systèmes biologiques tels que micro-organismes ou enzymes pour la mise au point de procédés de fermentation ou catalytiques pour produire des intermédiaires chimiques et de la bioénergie à partir de la biomasse. Grâce aux progrès sans précédent de la biologie depuis la fin du XXème siècle, notamment dans la connaissance du vivant, le génie génétique est maintenant plus que jamais armé pour faire ce que la nature ferait en plusieurs milliers d’années !

 Les biotechnologies blanches utilisent des organismes naturels pour obtenir un produit, par exemple un médicament grâce à la synthèse d’hydrocortisone par une levure à partir de bioéthanol. David Reverchon, Flickr CC by-nc-sa 2.0

Citons les progrès de la mutagenèse dirigée, qui permettent de tirer profit de l’enzyme amylosaccharase pour produire à partir du saccharose différents types de sucres intéressants (amylose, maltose, maltotriose…). Il faut aussi mentionner les progrès dans l’évolution dirigée : on génère des banques d’ADN puis on sélectionne et on teste par criblages sur des cellules. Enfin, on peut envisager la synthèse de médicaments à partir de produits naturels (hémisynthèse), par exemple la synthèse d’hydrocortisone par une levure à partir de bioéthanol. Les procédés mis au point ensuite sont généralement compatibles avec l’environnement (température, pH, production de sels limitée, pas de solvants, utilisation de membranes, consommation d’eau et d’énergie réduite…).


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Si la biomasse comporte de nombreux avantages, il faut aussi pouvoir l’exploiter sans pour autant sacrifier le secteur alimentaire. Ainsi des recherches avancent dans le monde en vue de développer le « biocarburant de deuxième génération » plein de promesses.

Les biocarburants, que l’on préfère parfois appeler agrocarburants, sont des carburants produits à partir de la biomasse.

 Les biocarburants de deuxième génération utilisent toute la plante (paille, tiges, tronc) pour en extraire la lignocellulose, molécule contenue dans toutes les cellules végétales (notamment le bois d’arbres à croissance rapide et la paille). Daniel Plazanet, Wikimedia Commons, CC by-sa 2.5

Les premières générations utilisent actuellement des céréales (graines) et des betteraves (racines) pour produire de l’éthanol à partir de sucre par fermentation, et du biodiesel à partir d’huile (procédé Fischer-Tropsch). Mais elles sont principalement critiquées pour leur faible rendement énergétique, en plus d’un surcoût élevé pour le consommateur et d’une utilisation de surfaces agricoles importantes au détriment de l’alimentation.

 Le carburant à l'éthanol est un exemple de biocarburant. La recherche se tourne désormais vers des biocarburants de deuxième génération, qui utiliseraient la plante entière. idé

L’avenir est plutôt à la deuxième génération qui utiliserait toute la plante (paille, tiges, tronc) pour en extraire la lignocellulose, molécule contenue dans toutes les cellules végétales (notamment le bois d’arbres à croissance rapide et la paille. Il serait alors possible d’exploiter la biomasse non alimentaire, voire ses déchets, dont la combustion fournirait par ailleurs de l’énergie pour l’extraction, avec peu d’émissions de gaz à effet de serre.

Une fois extraite par hydrolyse enzymatique (par exemple à l’aide d’enzymes de champignons pouvant être fixés aux troncs des arbres), la cellulose est décomposée en sucres simples, similaires à ceux des céréales et de la betterave, pouvant être ensuite transformés en éthanol par fermentation. Il est à noter que ce procédé génère du CO₂, qui peut néanmoins servir à nourrir des microalgues. Des pays du monde entier, comme la France, le Brésil, les États-Unis et le Canada, concentrent actuellement leurs efforts pour développer ces biocarburants de deuxième génération, très prometteurs pour l’avenir de la planète. Certains sont même rendus à la phase de production industrielle.

Mentionnons les études en cours sur les biocarburants de troisième génération, qui impliquent la culture de microalgues (consommateurs de CO₂ !), pouvant se révéler très efficaces et permettant d’éviter la concurrence avec les cultures alimentaires rencontrée avec les biocarburants de première génération, ou le risque de déforestation massive lié aux biocarburants de deuxième génération.


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Que retenir des recherches sur la biomasse et son rôle de remplaçant du pétrole ? Que peut-on conclure sur l'avenir de la chimie du végétal ?

Au vu de la dynamique mondiale actuelle, il nous est permis de croire que la chimie du végétal est promise à une place notable dans l’industrie et parmi nos biens de consommation courants. Le colloque « Innovations en chimie du végétal » nous l’a prouvé : les chercheurs des quatre coins du monde ont des objectifs convergents, des sujets de recherche communs, n’hésitent pas à établir des collaborations intercontinentales et interdisciplinaires, comme en témoignent les pôles de compétitivité mis en place dans de nombreux pays, qui s’avéreront décisifs pour parvenir rapidement à des solutions durables.

 La chimie du végétal reste un défi pour remplacer le pétrole. MaxLeMans-Flickr CC by 2.0

S’ajoutent à cette dynamique des encouragements politiques, voire financiers des gouvernements. Ainsi, le président américain Barack Obama a déclaré aux gouverneurs en 2010 : « Je pense que nous devons voter une loi globale sur l'énergie et le climat. Elle fera de l’énergie propre une énergie rentable, et la décision prise par d’autres pays en ce sens donne déjà à leurs industries un avantage en matière de création d’emplois et de technologies propres »[5].

Si l’on pense que végétal pourrait seconder le pétrole qui s’épuise, est-il prêt à en prendre entièrement le relais ? Cela reste un défi de taille pour les chimistes et pour l’industrie, mais l’aventure ne fait que commencer… Affaire à suivre, avec notamment le projet EuroBioRef, lancé en Europe début mars 2010.

Le projet EuroBioRef (« EUROpean multilevel integrated BIOREFinery design for sustainable biomass processing ») a été lancé pour une durée de quatre ans. Coordonné en France par le CNRS, il implique 28 partenaires de quatorze pays et rassemble de nombreux acteurs : industrie chimique et biochimique (PME et grandes entreprises telles Arkema, Merck…), tissu académique-universitaire, organisations européennes... Le projet, dédié à l’élaboration d’une bioraffinerie européenne pour traiter toute la chaîne de transformation de la biomasse, depuis les cultures jusqu’aux produits finaux au stade commercial, bénéficie d’un financement de 23 M€ alloués par le 7e Programme Cadre de Recherche et Développement technologique européen (www.eurobioref.org).

[5] L’objectif du département énergétique américain est de passer à l’horizon 2030, dans le secteur de la chimie, à 25 % de substitution des matières fossiles (contre seulement 5 à 6 % aujourd’hui) par des matières premières renouvelables.


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