La biomasse

La directive européenne 2009/28/CE, reprise dans toutes les lois, se référant à elle, définit la biomasse comme « la fraction biodégradable des produits, déchets et débris d’origine biologique de l’agriculture (y compris les substances végétales et animales), des forêts et des industries connexes, y compris les pêches et l’aquaculture, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et municipaux. ».

Le bois est la principale source de biomasse aujourd'hui ; on peut citer en particulier les résidus forestiers (par exemple les arbres morts, les branches et les souches d’arbres), les déchets verts, les résidus de scierie. Souvent la biomasse du bois est également désignée sous le nom de

26 biomasse lignocellulosique, en raison de sa structure chimique. Le terme concerne la biomasse sèche, principalement composée de polymères (cellulose, hémicellulose et lignine).

La composition chimique du bois ne peut être définie précisément pour une espèce d’arbre donnée ou même pour un arbre donné. La composition chimique varie avec la partie de l’arbre (racine, tige ou branche), type de bois, emplacement géographique, climat et conditions du sol [4,5]. En général, le bois a une composition élémentaire d’environ 50 % de carbone, 6 % d’hydrogène, 44 % d’oxygène [4] sur base sèche et sans cendres. La présence de grandes quantités d’oxygène dans les polymères végétaux signifie que la chimie pyrolytique diffère nettement de celle des combustibles fossiles.

Les parois cellulaires des plantes sont constituées de trois éléments de base : cellulose, hémicellulose, lignine (figure 1.4) : il s’agit dans tous les cas de polymères organiques contenant de l’oxygène. Les principaux composants chimiques structurels sont des polysaccharides (65-75%) : la cellulose, un polymère de glucosane, et l’hémicellulose, qui est un autre type de polyose constitué de pentoses et d’hexoses. La lignine est un polymère à base phénylpropane et représente 18 à 35 % dans une biomasse lignocellulosique. Schématiquement, les parois cellulaires des plantes sont constituées de fibres de cellulose qui renforcent une matrice d’hémicelluloses et lignine en une ou plusieurs couches (figure 1.4 (c)), la fraction volumique et l’orientation des fibres cellulose variant dans chaque couche. D'autres produits à faible poids moléculaire, principalement extraits organiques et minéraux inorganiques, sont également présents dans le bois (habituellement 4-10 % sur base sèche) [6].

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Figure 1.4: Représentation schématique du bois d’après [7]. (a) la structure moléculaire de la cellulose, avec les molécules de glucose alternativement tournées de 180° (ligne pleine, liaisons covalentes, pointillé, liaisons hydrogènes) ; (b) les microfibrilles de cellulose, avec des régions cristallines et non cristalline, regroupées en

une macrofibrille ; (c) une macrofibrille d’une paroi cellulaire primaire et (d) la paroi cellulaire du bois, constituée d’une couche primaire et de trois couches secondaires (S1, S2 et S3), avec les microfibrilles de

cellulose disposées dans des orientations différentes dans chaque couche.

1.2.1.1 Cellulose

La cellulose est la fibre structurale principale dans le règne végétal et possède de remarquables propriétés mécaniques pour un polymère : son module de Young est à peu près 130 GPa, et sa résistance à la traction est proche de 1 GPa [7]. La cellulose est un polymère de glucane constitué

28 de chaînes linéaires de glucose liées par des liens 1, 4--glycosidique (figure 1.5). (La notation 1,

4- décrit le lien entre les connexions et la configuration de l’atome d’oxygène entre les unités de glucose adjacentes.)

Figure 1.5: une chaine linéaire d’unités anhydroglucose liées par des liaisons 1,4-

Le nombre d’unités de sucre dans une chaîne moléculaire est le degré de polymérisation (DP). Même l’échantillon le plus uniforme comporte des chaînes moléculaires avec des valeurs légèrement différentes de DP. La moyenne de DP pour les chaînes moléculaires dans un échantillon donné est désignée par DP— . Goring and Timell ([8]) ont déterminé le DP— pour la cellulose native provenant de plusieurs sources de matériel végétal. Ces déterminations de poids moléculaire indiquent que la cellulose de bois a un DP— d’au moins 9,000-10,000, et peut-être jusqu’à 15,000. Un DP— de 10,000 reviendrait à une longueur d’une chaîne linéaire d’environ 5 μm dans le bois. En raison de son haut degré de polymérisation et la cristallinité, la cellulose est responsable de la force dans le sens de la fibre de bois [9].

1.2.1.2 Hémicellulose et pectine

Les hémicelluloses (figure 1.6) sont un mélange de polysaccharides du bois presque entièrement basés sur le glucose, le mannose, galactose, xylose, arabinose, acide 4-O methylglucuronic et résidus d’acide galacturonique. L’hémicellulose se lie à la surface des microfibres de cellulose, tandis que la pectine lie les molécules d’hémicellulose de microfibres adjacentes (figure 1.4, c).

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Figure 1.6: Structure ramifiée d’hémicelluloses d’après [10]

1.2.1.3 Lignine

La lignine est une macromolécule racémique réticulée (figure 1.7) de masse moléculaire supérieure à 10 000 Da, constituée de différents polymères complexes amorphes, stables, relativement hydrophobes et à haut poids moléculaire [5]. Elle est relativement hydrophobe et aromatique dans la nature. Le degré de polymérisation est difficile à mesurer, car les polymères sont fragmentés au cours de l’extraction et la molécule se compose de divers types de sous-structures qui semblent se répéter d’une manière aléatoire. Différents types de lignine ont été décrits selon les moyens de l’isolement : il y a trois monomères majoritaires, méthoxylés à des degrés divers : alcool p-coumarylique, l’alcool coniférylique et alcool sinapylique [11]. Les propriétés mécaniques de la lignine sont semblables à celles de polymères techniques courants avec un module d’environ 3 GPa [12] et, avec l’hémicellulose sont responsable de la rigidité du bois dans le sens perpendiculaire aux fibres.

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Figure 1.7: Une structure possible de lignine

1.2.1.4 Les minéraux

Les minéraux sont une fraction de composés non organiques trouvés naturellement dans la plante et absorbés à partir du sol. Les minéraux sont utilisés pour former des protéines (comme par exemple nous utilisons le fer pour le site actif de l’hémoglobine). Normalement, après un traitement thermique, les minéraux sont retrouvés sous forme de cendres. Les principaux éléments des biomasses sont Al, K, P, Si, Mg, Ca, Fe et Na [13], dont Si, Ca, K, Na et P sont les plus importants pour la croissance de la biomasse. Leur concentration varie considérablement dans la plante non seulement en fonction de sa croissance, mais aussi en fonction du type de sol et des organes de la plante pris en compte (feuille, tronc, racines, etc.) ; il est de ce fait extrêmement difficile de fournir des concentrations moyennes. Les éléments secondaires, que l'on trouve en faible pourcentage, sont Cu, Zn, Fe, Mn et Mo. Ils jouent des fonctions biochimiques et physiologiques chez les plantes et les animaux. Deux grandes fonctions de ces métaux sont les suivantes : (a) participation à la réaction d’oxydoréduction et (b) participation directe, faisant partie intégrante de plusieurs enzymes. Le cuivre est un métal lourd indispensable pour plus de plantes et d’algues, en particulier pour la photosynthèse ([14,15]), car il peut facilement gagner et perdre un électron, il est un cofacteur de l’oxydase, mono- et di-oxygénase et des enzymes impliquées dans l’élimination des radicaux superoxydes. Plusieurs enzymes contiennent le Zn ; de plus, le zinc est nécessaire pour maintenir l’intégrité du ribosome. Il participe à la formation d’hydrates de carbone et catalyse les processus d’oxydation dans les plantes. Le zinc fournit également un rôle structurel dans les nombreux facteurs de transcription et est un cofacteur du RNA polymérase. Le zinc est considéré comme un

31 micronutriment essentiel pour les organismes vivants et il est un composant de l’enzyme urease. Le manganèse joue un rôle important dans les réactions des enzymes. Chez les plantes, le cobalt complexe se trouve sous la forme de la vitamine B 12. Le fer est un élément essentiel dans de nombreux processus métaboliques et est indispensable pour tous les organismes [16]. Il est également vrai que certains minéraux non utiles à la croissance sont également absorbés par la plante, lorsqu’ils sont naturellement présents dans le sol ou qu’ils proviennent des activités humaines qui polluent le sol de croissance.