Concept et définitions de la bioraffinerie

Aujourd’hui, les besoins économiques et de réduction des impacts environnementaux77 _conduisent

à envisager la valorisation de la matière végétale suivant un schéma permettant de créer simultanément différents produits, afin de développer des alternatives à l'industrie basée sur les ressources fossiles, qui fournit non seulement de l'énergie, mais aussi une grande variété de produits chimiques organiques.

Le concept émergent d'industries capables de créer une large gamme de produits à partir de ressources renouvelables s'appelle le bioraffinage78_{. Cette expression met en évidence les}

similitudes importantes avec les raffineries pétrolières. La raffinerie traditionnelle convertit le pétrole en carburants, en molécules plateformes pour la pétrochimie, et en spécialités chimiques telles que les lubrifiants et les solvants. Ainsi, de multiples produits peuvent être générés à partir de la biomasse végétale79,80_{, ce qui conduit à maximiser l'utilisation des matières premières. Cette}

analogie, mise en évidence par Kamm B. et Kamm M. est représentée sur la figure 22.

Bien que ce concept ait été découvert au XIXème siècle, la production de biocarburant n’a réellement émergé qu’à l’issue du choc pétrolier de 1973, afin de trouver une alternative crédible

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au pétrole, dont le prix n’a cessé d’augmenter. Les principales recherches sur le développement des technologies de bioraffinage ont démarré au début des années 1990.

Le concept de bioraffinerie a été défini pour la première fois en 1997: les bioraffineries vertes représentent des systèmes complexes (et entièrement intégrés) de technologies durables, respectueuses de l'environnement et respectueuses des ressources, pour l'utilisation globale et l'exploitation des matières premières biologiques sous forme de biomasse et de résidus provenant d'une utilisation durable des terres locales81_.

Figure 22. Analogie de fonctionnement entre raffinerie pétrolière et bioraffinerie, selon Kamm et Kamm 200782_.

Le bioraffinage peut également être défini comme la transformation de façon durable de la biomasse en un éventail de produits commercialisables (nourritures animales, additifs alimentaires, matériaux et produits chimiques) et d'énergie (combustibles, énergie et chaleur)83_.

Le NREL (National Renewable Energy Laboratory) a publié la définition suivante: une bioraffinerie est une installation qui intègre des processus de conversion de la biomasse et de l'équipement pour produire des combustibles, de l'énergie et des produits chimiques à partir de la biomasse. Le concept de la bioraffinerie est analogue aux raffineries de pétrole d'aujourd'hui, qui produisent de multiples carburants et produits dérivés du pétrole. Les bioraffineries industrielles ont été identifiées comme la voie la plus prometteuse pour la création d'une nouvelle industrie biologique nationale84_.

Selon le type de matières premières utilisées pour produire des biocarburants85 _{et des produits}

biosourcés86,87_{, les bioraffineries peuvent être classées en trois générations. Ainsi, les}

bioraffineries de première génération sont basées sur l'utilisation directe de formes traditionnelles de biomasse agricole, telles que le maïs, le blé, la canne à sucre ou le soja. Les bioraffineries de deuxième génération utilisent des ressources lignocellulosiques, composées principalement de cellulose, d'hémicelluloses et de lignine. Enfin, les installations industrielles qui utilisent les résidus agricoles, des déchets urbains, ou les microalgues comme matière première constituent la troisième génération de bioraffineries24,88_.

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Actuellement, les bioraffineries de première génération sont les plus développées à travers le monde, notamment aux États-Unis, au Canada et au Brésil. Néanmoins, ce type de bioraffinerie est de plus en plus contesté, pour deux raisons principales: le changement d’affectation des terres nécessaires pour une forte production de biomasse et la compétition entre la production de denrées alimentaires et de biomasse à visée énergétique.

Ainsi, les ressources lignocellulosiques font l’objet de nombreux travaux de recherche. En effet, il s’agit d’une biomasse abondante dont le prix est accessible, et qui ne génère pas les problématiques liées aux bioraffineries de première génération89_{. Les bioraffineries de deuxième}

génération sont principalement installées aux États-Unis, en Chine et au Canada. Ces dernières années ont révélé un intérêt croissant des pays d'Europe du Nord, fortement boisés.

Finalement, les bioraffineries de micro-algues sont actuellement en phase de recherche et de développement. Néanmoins, certaines bioraffineries de troisième génération basées sur l'utilisation de déchets (animaux, aliments et déchets urbains) existent déjà en Europe.

Un autre avantage potentiel du développement des bioraffineries est la disponibilité de matières premières locales. Ce point pourrait être essentiel pour éviter les impacts environnementaux causés par le transport, et pourrait stabiliser l'économie locale des différents pays, qui ne seraient plus dépendants des pays producteurs et exportateurs de ressources fossiles. Cela pourrait donc constituer une avancée majeure vers une plus grande durabilité des systèmes industriels90,91_.

Cependant, le choix des matières premières à utiliser est crucial, car il dictera en conséquence les produits finaux qui seront développés. En effet, les types de biomasse peuvent avoir de fortes disparités de composition, et peuvent ainsi conduire à créer des produits différents60_{. La figure 23}

offre une représentation du potentiel et de la variété des produits qui peuvent être créés à partir de bioraffineries.

Figure 23. Modèle simplifié représentant la variété de produits biosourcés issus de la bioraffinerie87,92_.

Il est donc possible de valoriser la totalité de la biomasse pour produire des molécules (pour la chimie verte), des carburants et de l’énergie, mais aussi des spécialités chimiques telles que les biolubrifiants et les biosolvants. Le schéma de principe de la bioraffinerie est présenté figure 24,

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mettant en évidence les différents types de procédés employés (chimiques, thermochimiques, biologiques principalement), ainsi que les produits potentiellement obtenus en sortie de procédé93.

Figure 24. Principe et produits issus du bioraffinage, d'après Liard, 201193_.