Composition chimique de la biomasse

Généralement, la biomasse est classée en six catégories différentes, en fonction de leur source, et de leur diversité biologique59,60 _:

 le bois et les résidus forestiers,

 la biomasse agricole et les herbacées,  la biomasse aquatique,

 les déchets d’origine humaine et animale,  les déchets contaminés et d’origine industrielle,

 différents mélanges de biomasses, issues des catégories précédentes.

Les types de biomasse les plus exploitables sont les biomasses d’origine végétale (bois, résidus agricoles…). La biomasse végétale se compose généralement de trois types de macromolécules majoritaires que sont la cellulose, les hémicelluloses et les lignines. Certains types de biomasse sont également composés d’amidon. On retrouve également des substances à plus faible poids moléculaire comme des substances extractibles (polyphénols, tannins, pigments…)

La matière végétale est généralement décomposée en trois types de composants principaux :  La fraction structurale de la plante, composée majoritairement de cellulose,

d’hémicelluloses et de lignine ;

 La fraction de réserve, comprenant notamment les protéines, l’amidon, les lipides ;  Les métabolites dits secondaires tels que les composés polyphénoliques, les tanins ou

encore certains pigments et huiles essentielles.

Chacun de ces composants ouvre des voies de valorisation différentes. Ainsi, les métabolites secondaires permettent l’obtention de molécules de chimie fine, à visée pharmaceutique ou cosmétique notamment. A partir des fractions de réserve, il est notamment possible de créer des biocarburants, comme du biodiesel à partir de lipides par exemple61_{. Enfin, la fraction structurale}

va conduire à l’obtention de fibres textiles (cellulose), de biopolymères, ou de certains intermédiaires réactionnels.

Ces travaux de thèse s’articulent autour de trois cas d’études, basés sur la valorisation de différents types de biomasse. Ainsi, les fractionnements de micro-algues, de résidus de blé et de bois seront étudiés. Les voies de valorisation de ces différentes biomasses se focaliseront sur les composants prépondérants et les plus fortement valorisables, à savoir la cellulose, les hémicelluloses, les lignines, l’amidon, les protéines et les lipides.

2.1 La cellulose

La cellulose est le composé organique le plus abondamment représenté sur Terre. Ce biopolymère représente de 40 à 60 % de la biomasse végétale terrestre62_{. Il s’agit d’un homopolymère linéaire}

correspondant à un enchainement de monomères de D-Anhydroglucopyranose (AGU). Les unités de glucose sont reliées entre elles par des liaisons β (1-4) glycosidiques. La figure 16 représente la structure de base de la cellulose.

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Sa formule brute est donc : (C6H10O5)n. n représente le nombre de monomères de glucose, il s’agit

du degré de polymérisation. Dans le bois, le degré de polymérisation est estimé à 10 000 unités63_,

et peut varier fortement, de quelques dizaines à plusieurs milliers selon le type de biomasse. Des liaisons hydrogène intra et inter moléculaires se forment entre les différentes chaines de cellulose, et forment des microfibrilles, qui structurent la paroi végétale et forment un réseau cristallin. La cristallinité de la cellulose la rend peu réactive, et lui confère une grande stabilité. La cellulose est insoluble dans l’eau et dans la plupart des solvants organiques. Des traitements chimiques sont donc nécessaires afin d’isoler la cellulose des autres constituants de la biomasse64_.

La cellulose est principalement utilisée pour la production des produits dérivés de l’industrie du bois, papier et cartons et connait également des applications dans l’industrie textile. Des dérivés comme l’acétate de cellulose ont également été utilisés comme fibre textile avant la généralisation des matières d’origine pétrochimique.

2.2 Les hémicelluloses

Les hémicelluloses constituent le deuxième constituant le plus abondant de la matière végétale, après la cellulose. Elles constituent 20 à 40 % de la matière végétale62,65_{. Les hémicelluloses sont}

des hétéropolymères ramifiés, comme le montre la figure 17. Ces polysaccharides sont constitués d’un mélange de pentoses et d’hexoses. Les principaux sucres monomères constitutifs des hémicelluloses sont le glucose, le xylose, le mannose, le galactose l’arabinose et le rhamnose66,67_.

Le degré de polymérisation des hémicelluloses est plus faible que celui de la cellulose, généralement compris entre 500 et 3000 unités.

Les hémicelluloses, de par leur structure diversifiée, ont un fort potentiel, et de nombreuses applications sont envisagées : comme additif alimentaire, comme base dans la production de biofilms ou bien dans l’industrie textile68–70_.

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2.3 La lignine

La lignine est le troisième élément majoritaire constitutif de la matière végétale. Elle représente de 10 à 25 % de la masse totale de la plante62_{. Il existe plusieurs types de lignines, puisqu’il s’agit}

d’hétéropolymères ramifiés de composés polyphénoliques, comme représenté à l’aide de la figure 18. Les lignines sont des polymères constitués de trois monolignols différents : l’alcool coumarylique, l’alcool coniférylique et l’alcool sinapylique (respectivement notés 1, 2 et 3 sur la figure 19).

La lignine participe à la rigidité et la résistance de la matière végétale. Les lignines sont actuellement valorisées essentiellement en tant que combustible, pour la production d’énergie dans les papeteries notamment. De par leur abondance et leur structure diversifiée, les lignines font l’objet de nombreux travaux de recherche pour une plus grande valorisation de ses composés71,72_.

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Figure 19. Monolignols constitutifs de la lignine.

2.4 L’amidon

L’amidon fait partie des molécules de réserve de la matière végétale. De plus, il s’agit d’un des apports caloriques de base de l’alimentation humaine. Essentiellement présent dans les céréales, les tubercules ou les fruits, il s’agit d’un assemblage de deux homopolymères de D- anhydroglucopyranose : l’amylose, linéaire et l’amylopectine, ramifiée. Ces deux homopolymères sont représentés respectivement par les figures 20 et 21.

Ainsi, sa formule chimique est identique à celle de la cellulose : (C6H10O5)n. Toutefois, l’amidon est

un polysaccharide qui se différencie de la cellulose par son aspect ramifié. En effet, les unités de glucose sont reliées entre elles par deux types de liaisons : des liaisons α (1-4) et α (1-6).

Figure 20. Représentation de l'homopolymère d'amylose.

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Après dépolymérisation, les sucres constitutifs de l’amidon subissent généralement une fermentation afin d’obtenir du bioéthanol.

2.5 Les protéines

Les protéines sont composées d’un agencement de plusieurs acides aminés, regroupés entre eux par des liaisons peptidiques, formant des chaines polypeptidiques.

Les protéines permettent la réalisation de la plupart des fonctions biologiques. Elles ont un rôle structurel pour la cellule, une activité de transport de molécules, de régulation, d’activité enzymatique, de défense, et bien d’autres73_.

La valorisation des protéines végétales est en plein essor. En effet, la consommation mondiale de protéines devrait doubler en l’espace de dix ans. Les protéines végétales pourraient remplacer les protéines animales. A titre de comparaison, la quantité d’énergie nécessaire à la production de protéines végétales est huit fois inférieure à celle requise pour l’obtention de protéines d’origine animale74_{. Les protéines pourraient également être valorisées dans le secteur pharmaceutique et}

en tant qu’additifs alimentaires.

2.6 Les lipides

Les lipides sont des molécules hydrophobes ou amphilyophiles. On peut citer les acides gras, les stérols, les cires ou encore les vitamines liposolubles parmi les lipides principaux.

Les lipides, et plus précisément les triglycérides assurent le stockage de l’énergie nécessaire au bon développement de la biomasse végétale.

Les lipides peuvent être valorisés et utilisés pour la production de biodiesel, mais également pour créer des produits dérivés du glycérol, et pour ses acides gras insaturés61,75,76_.