La chimie verte

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Français
562 pages
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Description

La chimie verte est devenue un axe prioritaire de recherche et de développement. Elle englobe la conception, le développement et l'élaboration des produits et procédés chimiques pour réduire ou éliminer l'usage et la génération des substances dangereuses pour la santé et l'environnement, en inscrivant les modes de fonctionnement actuels de l'industrie chimique dans le cadre plus large du développement durable. Loin de se limiter aux biocarburants, cet ouvrage passe en revue les applications de la chimie verte dans les multiples filières industrielles concernées. L'articulation de ses 5 parties contribue à dépassionner le débat.
La première partie est consacrée à la diversité des molécules issues du carbone renouvelable, en insistant notamment sur la lignocellulose et sur les procédés biotechnologiques.
La deuxième partie, consacrée aux matériaux, aborde l'ensemble des solutions technologiques disponibles.
La troisième partie est axée sur les molécules fonctionnelles et les intermédiaires chimiques (synthons), notamment en sucrochimie et en lipochimie.
La quatrième partie aborde les biocarburants, sous l'angle de leur production et de leur utilisation dans les technologies actuelles.
La cinquième et dernière partie traite des approches globales aux niveaux environnemental et agricole, qui constituent les chapitres les plus intégratifs de l'ouvrage.
La chimie verte s'adresse aux ingénieurs, en activité ou en formation, de toutes les industries transformant les produits agricoles et forestiers à des fins non alimentaires (énergie, lubrifiants, tensioactifs, solvants, traitements de surface, matériaux de conditionnement et de stockage…).


Introduction. La disponibilité des terres agricoles françaises pour des usages énergétiques. Fractionnement de la biomasse lignocellulosique : production de produits chimiques de bases. Manipulation des voies de synthèse des synthons dédiés à la chimie verte. Valorisations non alimentaires de productions agricoles par voie biologique. Fibres végétales - Retour vers le futur ? Les matériaux à base d'amidons et de ses dérivés. Protéines matériaux. Polymères du type poly(acide lactique). Caoutchouc naturel - Maîtrise de la variabilité. Sucrochimie. Propriétés tensioactives et détergentes de biopolymères amphiphiles : protéines, dérivés de protéines, polysaccharides modifiés. Lipochimie. Les basidiomycètes comme outil de fonctionnalisation des composés végétaux féruloylés en vanilline. Bioéthanol : comparaison des sources amidon, saccharose et lignocellulose. Biocarburants - Les carburants liquides : mode d'incorporation, impact, adaptations des moteurs. Rôle de l'agriculture et des forêts dans l'effet de serre. Biodégradabilité : un atout pour la préservation des milieux biotiques. Analyse économique des filières biocarburants - Éléments de méthodologie et résultats. Index.

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 04 janvier 2006
Nombre de lectures 58
EAN13 9782743016791
Langue Français
Poids de l'ouvrage 9 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,0975€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

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La
chimie
verte
coordonnateur
Paul Colonna
docteur ès sciences
directeur de recherches
chef du département « Caractérisation et élaboration des produits
issus de l’agriculture »
Institut national de la recherche agronomique
11, rue Lavoisier
75008 Paris
LONDRES - PARIS - NEW YORK
Colonna Liminaires (I-XXVI).indd IColonna Liminaires (I-XXVI).indd I 20/05/06 14:31:2820/05/06 14:31:28Chez le même éditeur
Enjeux phytosanitaires pour l’agriculture et l’environnement
C. Regnault-Roger, coord., 2005
Substances naturelles d’origine marine – Chimiodiversité, pharmacodiversité,
biotechnologie
J.-M. Kornprobst, 2005
Indicateurs pour évaluer les risques liés à l’utilisation des pesticides
J. Deviller, R. Farret, Ph. Girardin, J.-L. Rivière, G. Soulas, 2005
Gestion des problèmes environnementaux dans les industries agroalimentaires
collection « Sciences et techniques agroalimentaires »
eR. Moletta, 2 édition, 2005
Les polyphénols en agroalimentaire
collection « Sciences et techniques agroalimentaires »
P. Sarni-Manchado, V. Cheynier, coord., 2005
OGM et santé
Rapport bi-académique
Académie nationale de médecine / Académie nationale de pharmacie
A. Rérat, coord., 2003
Agriculture biologique – Éthique, pratique et résultats
collection « Synthèse agricole »
ÉNITA Bordeaux, 2003
Biopesticides d’origine végétale
C. Regnault-Roger, B.J.R. Philogène, Ch. Vincent, coord., 2002
Biotechnologies végétales : techniques de laboratoire
collection « Universités francophones »
R. Haïcour, coord., 2002
Le monde végétal : du génome à la plante entière
« Rapport sur la science et la technologie », n° 10
R. Douce, F. Gros, coordonnateurs / Académie des sciences, 2000
DANGER
LE
PHOTOCOPILLAGE
TUE LE LIVRE
© LAVOISIER, 2006
ISBN 10 : 2-7430-0834-2
ISBN 13 : 978-2-7430-0834-5
Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans
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erelles sont incorporées (Loi du 1 -juillet 1992 - art. L 122-4 et L 122-5 et Code Pénal art. 425).
CColonna Liminaires (I-XXVI).indd IIolonna Liminaires (I-XXVI).indd II 220/05/06 14:31:290/05/06 14:31:29
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitListe des auteurs
Dominique Arrouays Véronique Bellon-Maurel
ingénieur de recherche professeur
INRA UMR CEMAGREF – AGRO.M – CIRAD
Unité INFOSOL Information et technologies
Avenue de la Pomme de Pin pour les agroprocédés
BP 20619 BP 5095
45166 Olivet cedex 34196 Montpellier cedex 1
Marcel Asther Serge Bérot
directeur de recherche ingénieur de recherche
UMR INRA – Université de Provence Inra
Biotechnologie des champignons UR Biopolymères, interactions
fi lamenteux et assemblages
163, avenue de Luminy Rue de la Géraudière
13288 Marseille cedex 9 BP 71627
44316 Nantes cedex 03
Monique Axelos
directeur de recherche Hervé Bichat
INRA ingénieur général du GREF
UR Biopolymères, interactions Europol’Agro
et assemblages Boulevard de la Paix
Rue de la Géraudière 51100 Reims
BP 71627
Philippe Blanc44316 Nantes cedex 03
ingénieur de recherche
Jérôme Balesdent UMR INRA – INSA – CNRS
CEA Cadarache Biotechnologies bioprocédés
Département Écophysiologie végétale 135, avenue de Rangueil
et de microbiologie 31077 Toulouse cedex 04
UMR 6191
Frédéric Bonfi ls13108 Saint Paul Lez Durance
CIRAD
Département Cultures Perennes
Programme Hévéa
Boulevard de la Lironde
34398 Montpellier cedex 5
Colonna Liminaires (I-XXVI).indd IIIColonna Liminaires (I-XXVI).indd III 220/05/06 14:31:290/05/06 14:31:29
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitIV La chimie verte
Estelle Bonnin Valérie Eychenne
ingénieur de recherche Société COGNIS
INRA Usine d’Estarac
UR Polysaccharides, leurs organisations 31360 Boussens
et interactions
Pierre FeuilloleyRue de la Géraudière
44316 Nantes cedex 03 ingénieur de recherche
UMR CEMAGREF – AGRO.M – CIRAD
Christine Cecutti Information et technologies
maître de conférences pour les agroprocédés
UMR INRA – INPT - ENSIACET Chimie BP 5095
agro-industrielle 34196 Montpellier cedex 1
118, route de Narbonne
31077 Toulouse cedex 4 Juliette Fitremann
chargée de rechercheBrigitte Chabbert
Laboratoire des IMRCP, CNRS UMR 5623chargée de recherche
Bat 2r1UMR INRA – URCA Fractionnement
Université Paul Sabatierdes agroressources et emballages
118, route de Narbonne2, esplanade Roland Garros
31062 Toulouse cedex 451686 Reims
Benoit GabriellePaul Colonna
chargé de recherchedirecteur de recherche
UMR INRA – INA P-G Environnement INRA
Département Caractérisation et grandes cultures
et élaboration des produits issus 78850 Thiverval-Grignon
de l’agriculture
Gérard GomaRue de la Géraudière
professeurBP 71627
44316 Nantes cedex 03 UMR INRA – INSA – CNRS
Biotechnologies bioprocédés
Bernard Cuq 135, avenue de Rangueil
professeur 31077 Toulouse cedex 04
UMR INRA – Agro.M – UM2 – CIRAD
Ingénierie des agro-polymères et Ghislain Gosse
technologies émergentes directeur de recherche
2, place Pierre Viala INRA
34060 Montpellier cedex 2, Chaussée Brunehaut
80200 Estrées-Mons
Philippe Debeire
directeur de recherche Jacques Guéguen
UMR INRA – URCA Fractionnement directeur de recherche
des agroressources et emballages INRA
8, rue Gabriel Voisin
UR Biopolymères, interactions
BP 316 et assemblages
51688 Reims cedex 02
Rue de la Géraudière
BP 71627Jean-Luc Dupouey
44316 Nantes cedex 03directeur de recherche
UMR INRA – Université Nancy I
Écologie et écophysiologie forestières
54280 Champenoux
Colonna Liminaires (I-XXVI).indd IVColonna Liminaires (I-XXVI).indd IV 220/05/06 14:31:290/05/06 14:31:29
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitListe des auteurs V
Stéphane Guilbert Laurence Lesage-Meessen
professeur chargée de recherche de l’INRA
UMR INRA – Agro.M – UM2 – CIRAD UMR INRA - Université de Provence
Biotechnologie des champignons Ingénierie des agro-polymères
fi lamenteuxet technologies émergentes
163, avenue de Luminy2, place Pierre Viala
13288 Marseille cedex 0934060 Montpellier cedex
Anne LomascoloMarion Guillou
maître de conférencesprésidente directrice générale de l’INRA
École supérieure des ingénieurs INRA
de Luminy, fi lière génie biologique 147, rue de l’Université
et microbiologie appliquée75338 Paris cedex 07
163, avenue de Luminy
13288 Marseille cedex 09Dominique Job
directeur de recherche
Denis LourdinBayer CropScience
chargé de rechercheLaboratoire mixte CNRS Bayer
UR Biopolymères, interactions CropScience
et assemblages14-20, rue Pierre Baizet
INRA69009 Lyon cedex
Rue de la Géraudière
BP 71627Catherine Joly
44316 Nantes cedex 03maître de conférences
UMR INRA – URCA Fractionnement Sandrine Mateo
des agroressources et emballage
CHRYSO
2, esplanade Roland Garros 7, rue de l’Europe
51686 Reims 45300 Sermaises du Loiret
Lise Jouanin Xavier Montagne
directeur de recherche directeur de recherche associé
INRA Institut français du pétrole
Laboratoire de biologie cellulaire chef du département Carburants,
RD 10 – Route de Saint Cyr lubrifi ants, émissions
78026 Versailles cedex 1 et 4, avenue de Bois Préau
92852 Rueil-Malmaison cedex
Bernard Kurek
directeur de recherche Marie-Hélène Morel
UMR INRA – URCA Fractionnement chargée de recherche
des agroressources et emballage UMR INRA – Agro.M – UM2 – CIRAD
2, esplanade Roland Garros Ingénierie des agro-polymères
51686 Reims et technologies émergentes
2, place Pierre Viala
Catherine Lapierre 34060 Montpellier cedex
professeur
UMR INRA – INA.PG Jean-François Morot-Gaudry
Chimie biologique directeur de recherche
BP 1 INRA
78850 Thiverval-Grignon UR Nutrition azotée des plantes
RD 10 – Route de Saint Cyr
78026 Versailles cedex
CColonna Liminaires (I-XXVI).indd Volonna Liminaires (I-XXVI).indd V 220/05/06 14:31:300/05/06 14:31:30
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitVI La chimie verte
Gregory Mouille Stélios Rozakis
chargé de recherche professeur assistant
INRA Département d’économie agricole
Laboratoire de biologie cellulaire et du développement rural
RD 10 – Route de Saint Cyr Université agronomique d’Athènes
78026 Versailles cedex Iera ados 75, TK 11855, Grèce
Zéphirin Mouloungui Jérôme Sainte-Beuve
directeur de recherche chef du programme Hévéa
UMR INRA – INPT – ENSIACET CIRAD
Chimie agro-industrielle département cultures pérennes
118, route de Narbonne programme Hévéa
31077 Toulouse cedex 4 Boulevard de la Lironde
34398 Montpellier cedex 5
Michael O’Donohue
chargé de recherche Isabelle Schmidt
UMR INRA – URCA Fractionnement INRA
des agroressources et emballage UR Biopolymères, interactions
8, rue Gabriel Voisin et assemblages
BP 316 Rue de la Géraudière
51688 Reims cedex 02 BP 71627
44316 Nantes cedex 03Sandrine Pelet
UMR INRA – INPT – ENSIACET
Bernard Seguin
Chimie agro-industrielle directeur de recherche
118, route de Narbonne
INRA
31077 Toulouse cedex 4
Unité expérimentale AGROCLIM
Domaine Saint PaulGérôme Pignard
Site Agroparcingénieur du GREF
84814 Avignon cedex 9chargé de mission SIG
DDAF de l’Hérault
Françoise SilvestreMaison de l’agriculture, place Chaptal
maître de conférencesCS 69506
UMR INRA – INPT – ENSIACET 34960 Montpellier cedex 2
Chimie agro-industrielle
118, route de NarbonneJacques Pourquié
professeur 31077 Toulouse cedex 4
Institut national agronomique
ParisJean-Claude SourieGrignon
directeur de rechercheDépartement SIAB
UMR INRA – INA.PG Économie BP 1
publique78850 Thiverval-Grignon
78850 Thiverval-Grignon
Yves Queneau
directeur de recherche Jean-François Soussana
directeur de rechercheUMR CNRS- UCBL Méthodologies
de synthèse et molécules bioactives INRA
INSA, Bâtiment Jules Verne UR Agronomie
214, avenue du Brézet20, avenue A. Einstein
69621 Villeurbanne cedex 63039 Clermont-Ferrand cedex 2
CColonna Liminaires (I-XXVI).indd VIolonna Liminaires (I-XXVI).indd VI 220/05/06 14:31:300/05/06 14:31:30
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitListe des auteurs VII
Jean-François Thibault Michel Vert
directeur de recherche directeur de recherche
INRA CRBA – UMR CNRS 5473
UR Biopolymères, interactions Faculté de pharmacie
et assemblages Université Montpellier I
Rue de la Géraudière 15, avenue Charles Flahault
44316 Nantes cedex 03 34093 Montpellier cedex 5
Laurent Vaysse
programme Hevéa
CIRAD
Rubber Technology Laboratory
Agro-Industry Building 3, 8th fl oor
Kasetsart University
Chatuchak
Bangkok 10900
Thaïlande
Colonna Liminaires (I-XXVI).indd VIIColonna Liminaires (I-XXVI).indd VII 220/05/06 14:31:310/05/06 14:31:31
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitColonna Liminaires (I-XXVI).indd VIIIColonna Liminaires (I-XXVI).indd VIII 20/05/06 14:31:3120/05/06 14:31:31Préface
Le choix d’intituler cet ouvrage La chimie verte reflète la problématique :
Quelles sont les meilleures utilisations pour le carbone renouvelable ?
La « chimie verte » (green chemistry) a été proposée par l’IUPAC (International
Union of Pure and Applied Chemistry) comme une orientation de la recherche
académique en sciences chimiques pour promouvoir le développement durable avec les trois
aspects sociétal, environnemental et économique. C’est à la satisfaction de ces trois
conditions que le succès d’un développement durable sera obtenu. Depuis, le discours
de l’IUPAC s’est enrichi par une appellation plus large : green/sustainable chemistry.
Par définition, la chimie verte signifie la conception, le développement et
l’élaboration des produits et procédés chimiques pour réduire ou éliminer l’usage et la
génération des substances dangereuses pour la santé et l’environnement.
L’introduction de Marion Guillou pose les enjeux de cette problématique
interdisciplinaire. L’Inra s’est investi depuis longtemps et a été un précurseur dans ce
domaine. En 1994 nous avions organisé un premier Colloque national sur les
valorisations non alimentaires des grandes productions agricoles à Nantes.
La chimie verte illustre la double détermination qui pèse aujourd’hui sur la
recherche scientifique : la détermination à partir des enjeux globaux et le poids des
fronts de science. Certes les besoins sociétaux, ou ce que nous imaginons chacun
avec notre compétence, déterminent en partie les orientations de la recherche à
travers les politiques scientifiques et leur financement, mais les applications qui en
découlent représentent bien plus que des applications envahissant notre vie
quotidienne. En fait elles entraînent la recherche aussi bien en termes de développements
technologiques que d’effets retour sur les besoins de connaissances. La complexité
des applications ne permet plus d’optimiser chaque application par des plans
d’expériences. Comprendre est une nécessité manifeste pour ces recherches finalisées pour
atteindre la rationalité technique et être acceptées.
Tous ces programmes lourds engagent des choix scientifiques et aussi des intérêts
sociaux et nécessitent des arbitrages entre disciplines scientifiques quand ne s’y
ajoutent pas des incidences d’emploi et de retombées économiques globales. Ce domaine
est par essence interdisciplinaire mais hélas, ici comme ailleurs, la transversalité ou
l’approche intégrative serait en l’état actuel des connaissances quelque peu prématurée.
CColonna Liminaires (I-XXVI).indd IXolonna Liminaires (I-XXVI).indd IX 220/05/06 14:31:310/05/06 14:31:31
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitX La chimie verte
Dans les domaines des usages du carbone renouvelable, quatre axes de recherche
se dégagent :
– utiliser les matières premières renouvelables à la place des fossiles, en
développant une gamme d’intermédiaires de synthèses ou synthons ;
– utiliser des réactifs non dangereux et remplacer les systèmes stœchiométriques
par des procédés catalytiques, ouvrant ainsi un rôle privilégié aux
biotechnologies ;
– développer des produits moins toxiques, dont les solvants, en conservant la
même fonctionnalité ;
– développer des procédés plus sélectifs, ce qui renforce l’appel aux
biotechnologies.
Cette approche représente un renouvellement complet par rapport au thème
ancien des usages non alimentaires des produits agricoles, avec une attente de
biotechnologies enzymatiques, fermentaires, végétales pour des gains de compétitivité,
comparativement aux procédés chimiques « classiques ».
Quelques remarques sont utiles pour appréhender le plan de cet ouvrage, ses
orientations et replacer les 18 contributions réunies.
L’originalité et l’intérêt de cet ouvrage est de rassembler les applications au-delà
des filières en mettant à la disposition de tous les éléments des principaux débats
qui traversent chacun de ces domaines. Plusieurs auteurs ont mis l’accent sur le plan
méthodologique tant les visions sur chaque thème sont parfois contradictoires dans
les débats actuels.
L’ouvrage comprend cinq parties représentant chacune une approche singulière
d’auteurs.
La première partie est consacrée à la diversité des molécules issues du Carbone
renouvelable. Le potentiel agricole de production globale de biomasse est présenté
dans une perspective historique (« Disponibilité des terres agricoles françaises pour
des usages énergétiques » chapitre 1). Les chapitres suivants présentent la diversité
des molécules et les moyens pour les obtenir à partir de la lignocellulose («
Fractionnement de la biomasse lignocellulosique : production de produits chimiques de
base » chapitre 2). Les procédés biotechnologiques sont présents dans cet ensemble :
les progrès de la génomique et de la biologie structurale ouvrent des opportunités
directement sur la matière végétale (« Manipulation des voies de synthèse des
synthons dédiés à la chimie verte » chapitre 3) ou par voie fermentaire (« Valorisations
non alimentaires de productions agricoles par voie biologique » chapitre 4).
L’importance de la bioraffinerie est telle en amidonnerie que des livres entiers lui sont
consacrés : il n’a pas paru opportun d’inclure une présentation dédiée.
La deuxième partie concerne les matériaux en abordant la diversité des solutions
technologiques pour les fibres végétales (« Fibres végétales : retour vers le futur ? »
chapitre 5), les matériaux à base d’amidons et dérivés (« Matériaux à base d’amidon
et dérivés » chapitre 6), les protéines (« Matériaux à base de protéines et dérivés »
chapitre 7), la famille de l’acide polylactique (« Polymères du type poly-acide
lactique » chapitre 8), et le caoutchouc (« Caoutchouc naturel : maîtrise de la
variabilité » chapitre 9). Cette description des familles permet d’illustrer les démarches
génériques en science des polymères et de souligner les attentes convergeant vers les
biotechnologies végétales et fermentaires.
CColonna Liminaires (I-XXVI).indd Xolonna Liminaires (I-XXVI).indd X 220/05/06 14:31:310/05/06 14:31:31
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitPréface XI
La troisième partie est axée sur les molécules fonctionnelles, dont les
intermédiaires chimiques ou synthons. Un enjeu fort existe dans ces domaines sensibles exigeant
des matières premières renouvelables. La sucrochimie est la voie la plus ancienne
(« Sucrochimie » chapitre 10). Les polymères amphiphiles (« Propriétés tensioactives
et détergentes de biopolymères amphiphiles : protéines, dérivés de protéines,
polysaccharides modifiés » chapitre 11) et la lipochimie (« Lipochimie » chapitre 12) ouvrent
chaque jour de nouvelles applications compétitives. La fonctionnalisation des
composés végétaux féruloylés en vanilline (« Basidiomycètes comme outil de
fonctionnalisation des composés végétaux féruloylés en vanilline » chapitre 13) a été choisie pour
illustrer le développement d’applications biotechnologiques à haute valeur ajoutée.
La quatrième partie aborde les biocarburants, tant sous l’angle de la production
(« Bioéthanol : comparaison des sources amidon, saccharose et lignocellulose »
chapitre 14) que de l’utilisation de ces produits dans les technologies actuelles
(« Biocarburants. Les carburants liquides : mode d’incorporation, impact,
adaptations des moteurs » chapitre 15). Au niveau français et européen, les préoccupations
en matière d’indépendance énergétique et de sécurité des approvisionnements joints
aux préoccupations liées à l’environnement sont des enjeux forts, occultant souvent
des avancées significatives dans les parties précédentes.
La cinquième et dernière partie traite des approches globales aux niveaux
environnemental et agricole, qui constituent les chapitres les plus intégratifs de l’ouvrage.
Les technologies exposées dans les chapitres précédents sont ainsi replacées dans un
contexte plus large. Le rôle de l’agriculture et des forêts dans l’effet de serre (« Rôle
de l’agriculture et des forêts dans l’effet de serre » chapitre 16) est à mettre en regard
de la biodégradabilité, un atout pour la préservation des milieux biotiques («
Biodégradabilité : un atout pour la préservation des milieux biotiques » chapitre 17).
Enfin une analyse économique des filières biocarburants (« Analyse économique
des filières biocarburants ; éléments de méthodologie et résultats » chapitre 18) dans
un contexte très évolutif donne essentiellement des éléments de méthodologie.
Ce choix a fait omettre des pans importants du sujet, par exemple le bois et ses
utilisations, domaine très large qui aurait mérité un tome à lui seul.
Cette édition actualisée et couvrant un grand nombre de thèmes résume les
travaux les plus récents. Elle vise à la fois des chercheurs et des ingénieurs ainsi que
des étudiants en master ou en thèse. Cet ouvrage a bénéficié de la généreuse
collaboration de 54 collègues qui ont accepté au cours de cette œuvre collective de faire
partager au lecteur leur compétence et leur expérience.
Qu’ils soient vivement remerciés d’avoir apporté une très utile synthèse des
connaissances les plus récentes.
Ma dernière attention sera pour Patricia Lefer qui, faisant preuve d’une
remarquable efficacité, a effectué le travail d’édition avec patience, persévérance et attention.
rD Paul Colonna
directeur de recherches
chef du département « Caractérisation et élaboration
des produits issus de l’agriculture »
Inra
CColonna Liminaires (I-XXVI).indd XIolonna Liminaires (I-XXVI).indd XI 220/05/06 14:31:320/05/06 14:31:32
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitColonna Liminaires (I-XXVI).indd XIIColonna Liminaires (I-XXVI).indd XII 20/05/06 14:31:3220/05/06 14:31:32Table des matières
Introduction
(Marion Guillou) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Évolution de la chimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Demandes sociétales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Place de la biomasse végétale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Quels domaines pour les utilisations non alimentaires des ressources végétales ? . . . . . . . . 5
Quelles nouvelles recherches ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Quelles politiques de recherche ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Chapitre 1
La disponibilité des terres agricoles françaises pour des usages énergétiques
(Hervé Bichat). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1. Évolution des superficies agricoles affectées aux usages non alimentaires
de 1860 à 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2. Usages de la SAU au cours des années 1990 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1. Usages non alimentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2. Exportations des productions agricoles 16
3. Choix politique fondamental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Chapitre 2
Fractionnement de la biomasse lignocellulosique en synthons
(Michael J. O’Donohue et Philippe Debeire) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1. Structure et composition générique des lignocelluloses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.1. Cellulose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2. Hémicelluloses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3. Lignine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
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2. Technologies de l’hydrolyse et du fractionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1. Hydrolyse acide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.1. Hydrolyse acide dilué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2. Hydrolyse à l’acide concentré. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2. Méthodes enzymatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1. Prétraitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2. Enzymes hydrolysant les parois végétales : cellulases et hémicellulases . . . 32
2.3. Nouvelles technologies et perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Références bibliographiques 38
Chapitre 3
Manipulation des voies de synthèse des synthons dédiés à la chimie verte
(Gregory Mouille, Catherine Lapierre, Lise Jouanin, Dominique Job
et Jean-François Morot-Gaudry) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Introduction – La transgenèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1. Optimisation des plantes oléagineuses : synthèse d’acides gras d’intérêt . . . . . . . . . . . . 43
1.1. Acides gras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.2. Voie de synthèse des acides gras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.3. Plantes transformées pour la synthèse des acides gras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.4. Plantes transformées pour la synthèse de triglycérides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.5. Ingénierie de la synthèse des acides gras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.6. Rôle de l’acétyl-CoA carboxylase cytosolique de plante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.7. Conséquences de la transgenèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2. Synthèse de l’amidon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.1. Structure de l’amidon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2. Voie de biosynthèse de l’amidon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3. Modification de la voie de biosynthèse de l’amidon par transgenèse. . . . . . . . . . . . 55
2.3.1. Augmentation de la quantité d’amidon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3.2. Modification de la composition et de la structure de l’amidon 56
2.4. Amyloplaste : une bio-usine pour la synthèse
de polymères à façon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5. Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3. Modification des lignines par génie génétique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1 Biosynthèse des lignines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1. Biosynthèse des monolignols précurseurs des lignines . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.2. Polymérisation des monolignols en lignines au sein d’une matrice
polysaccharidique62
3.2. Modification de la voie de biosynthèse des lignines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1. Mutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2. Plantes transgéniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3. Pilotage génétique de la lignification : vers des plantes aux lignines
sur mesure ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3. Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4. Modification du métabolisme des acides aminés par transgenèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1. Facteurs limitant la synthèse de lysine chez les plantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2. Facteurs régulant la biosynthèse de méthionine chez les plantes et conséquences
sur l’accumulation de S-adénosylméthionine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
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Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Chapitre 4
Valorisations non alimentaires de productions agricoles par voie biologique
(Philippe Blanc, Gérard Goma). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
1. Produits potentiels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2. Environnement nécessaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.1. Environnement agro-industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2. Sous-utilisation des agroressources sous-utilisé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.3. Perspective de valorisation des agroressources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.4. Besoins d’une culture « VANA/White biotechnology » en Europe . . . . . . . . . . . . . 88
2.4.1. Retard de l’Europe par rapport aux États-Unis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.4.2. Retard de la France par rapport à ses voisins européens . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.4.3. Besoin d’une culture scientifique spécifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.5. Exigence d’un environnement scientifique et technologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.5.1. Système agro-industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.5.2. Couple système microbien/système de productions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3. Quelques exemples concrets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.1. Biocarburants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.1.1. Éthanol et ETBE92
3.1.2. Esters d’huiles végétales (EMHV). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.3. Vers de nouveaux biodiesels obtenus à partir d’huiles
microbiennes (HOU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2. Biomatériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.1. Polyhydroxyalkanoates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.2. Polythioesters (PTE) 97
3.2.3. 1,3-propanediol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.4. Acide lactique et acide polylactique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.3. Acide succinique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Chapitre 5
Fibres végétales – Retour vers le futur ?
(Brigitte Chabbert, Catherine Joly et Bernard Kurek) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1. Fibres dans la plante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.1. Origine botanique .101
1.2. Fibres végétales : différents types tissulaires et cellulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.2.1. Principaux tissus végétaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.2.2. Origine et organisation des tissus végétaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
1.2.3. Principaux types cellulaires des fibres industrielles 104
1.3. Parois végétales : constituants majeurs des fibres industrielles . . . . . . . . . . . . . . . 108
1.3.1. Architecture des parois. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
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1.3.2. Constituants pariétaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
1.3.3. Réseau pariétal : dynamique d’assemblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
1.4. Modulation des caractéristiques des fibres : facteurs génétiques
et écophysiologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
1.5. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2. Fractionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.1. Objectifs et problématique du fractionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.2. Méthodes de fractionnement et de préparation des fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.2.1. Procédés industriels mécaniques et chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.2.2. Procédés plus spécifiques aux plantes à fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
2.2.3. Fibres recyclées – Un aspect particulier du fractionnement . . . . . . . . . . . . 124
3. Propriétés physicochimiques et mécaniques des fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.1. Morphologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.1.1. Fibre isolée et faisceau de fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.1.2. Défauts structuraux des fibres industrielles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.2. Mécanique et organisation supramoléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.2.1. Fibres unitaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.2.2. Faisceaux de fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.3. Influence de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.3.1. Propriétés mécaniques quasi-statiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.3.2. Propriétés viscoélastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4. Propriétés de surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.5. Propriétés et biochimie structurale des fibres 134
4. Applications et spécifications techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.1. Papier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.2. Panneaux de fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.3. Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.3.1. Mise en œuvre 137
4.3.2. Interface fibres/matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.3.3. Avantages/inconvénients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.3.4. Caractéristiques techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Chapitre 6
Matériaux à base d’amidons et de leurs dérivés
(Denis Lourdin et Paul Colonna) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
1. Amidon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
1.1. Niveaux de structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
1.2. États de l’amidon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
2. Méthodes d’investigations des propriétés physiques des matériaux. . . . . . . . . . . . . . . . 149
2.1. Propriétés mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2.2. Calorimétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.3. Analyse thermomécanique dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
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3. Matériaux à base exclusive d’amidon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.1. Amidon à l’état amorphe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.2. Mise en forme du matériau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.3. Propriétés mécaniques des amidons thermoplastiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.4. Modifications chimiques de l’amidon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4. Matériaux associant d’autres polymères. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.1. Amidon en élément de charge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.1.1. Mélanges polyéthylène/amidon natif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.1.2. Mélanges polyesters microbiens/amidon natif. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.2. Mélanges de polymères. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.2.1. Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.2.2. Mise en œuvre en solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.2.3. Mivre en phases condensées 168
4.3. Composites amidon/fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.3.1. Principes .172
4.3.2. Développements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Chapitre 7
Protéines matériaux
(Stéphane Guilbert, Marie-Hélène Morel et Bernard Cuq) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
1. Structure des protéines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
2. Technologies de fabrication et de mise en œuvre des matériaux à base
de protéines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3. Modifications physiques et chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4. Principaux matériaux à base de protéines et leurs applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5. Propriétés des matériaux à baéines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6. Aspects environnementaux : biodégradabilité et analyse du cycle de vie . . . . . . . . . . . 198
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Chapitre 8
Polymères du type poly(acide lactique)
(Michel Vert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
1. Acides lactiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
2. Poly(acide lactique)s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3. Principales propriétés des poly(acide lactique)s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4. Dégradation et bioassimilation des poly(acide lactique)s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
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Chapitre 9
Caoutchouc naturel – Maîtrise de la variabilité
(Jérôme Sainte Beuve, Laurent Vaysse et Frédéric Bonfils) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Introduction – Les enjeux de la filière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
1. Caoutchouc naturel : un polymère industriel d’origine végétale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
1.1. Biosynthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
1.2. Composition 218
1.3. Production : saignée et récolte 219
1.4. Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
1.4.1. Première transformation et principaux produits de base . . . . . . . . . . . . . . . 220
1.4.2. Deuxième transformatiincipaux produits finis . . . . . . . . . . . . . . . . 222
1.5. Ses propriétés spécifiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
1.6. Variabilité de la qualité du caoutchouc naturel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
1.6.1. La qualité vue par les industriels (consommateurs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
1.6.2. Indicateurs pertinents de la qualité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
1.7. Facteurs d’influence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
1.7.1. Facteurs édaphoclimatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
1.7.2. Facteurs agronomiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
1.7.3. Facteurs d’usinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
2. Substitution : une des conséquences de la variabilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Conclusions et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Références bibliographiques 235
Chapitre 10
Sucrochimie
(Yves Queneau et Juliette Fitremann). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Introduction – Le saccharose comme matière première . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
1. Saccharose : réactivité, sélectivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
1.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
1.2. Éthérification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
1.3. Estérification243
1.4. Acétalation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
1.5. Oxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
1.6. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
2. Milieux réactionnels et méthodes d’activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
2.1. Procédés hétérogènes sans solvant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
2.2. Utilisation de ressources brutes, non raffinées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
2.3. Solvants et réactifs « atypiques » : CO sc, liquides ioniques, 2
fluorure d’hydrogène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
2.4. Méthodes d’activations physiques : micro-ondes et ultrasons . . . . . . . . . . . . . . . . 249
2.5. Hautes pressions et hautes températures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3.1. Métabolites obtenus par bioconversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3.2. Oligosaccharides et polysaccharides obtenus par bioconversion . . . . . . . . . . . . . . 252
3.3. Isomérisations, réductions et oxydations des sucres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
3.4. Tensioactifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
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3.5. Additifs alimentaires et pharmaceutiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
3.6. Additifs de matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
3.7. Polymères à résidus sucres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
3.7.1. Polymères vinyliques à résidus sucres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
3.7.2. Autres polymères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
3.8. Intermédiaires de synthèse : furfural, hydroxyméthylfurfural
et hétérocycles divers 260
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Chapitre 11
Propriétés tensioactives et détergentes de biopolymères amphiphiles
(Monique Axelos, Serge Bérot, Isabelle Schmidt et Jacques Guéguen) . . . . . . . . . 271
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
1. Paramètres clés de la formation et de la stabilisation des mousses et des émulsions
et de l’aptitude à la détergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
1.1. Formation et stabilisation des mousses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
1.2. Formation et stabilisation des émulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
1.3. Détergence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
2. Différents types de fonctionnalisation applicables aux biopolymères . . . . . . . . . . . . . . 278
2.1. Fonctionnalisation des protéines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
2.1.1. Modification de la structure tridimensionnelle et démasquage
de régions hydrophobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
2.1.2. Augmentation du caractère apolaire par greffage chimique
ou enzymatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
2.1.3. Augmentation de la polarité par succinylation, désamidation,
glycosylation et phosphorylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
2.2. Fonctionnalisation des polysaccharides 286
2.2.1. Greffage de chaînes pendantes fortement hydrophobes . . . . . . . . . . . . . . . 286
2.2.2. Greffage covalent de protéines sur des polysaccharides . . . . . . . . . . . . . . . 288
3. Propriétés des biopolymères fonctionnalisés 289
3.1. Propriétés tensioactives des protéines modifiées : formation et caractéristiques
du film interfacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
3.2. Protéines modifiées dans les systèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
3.2.1. Émulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
3.2.2. Mousses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
3.2.3. Détergence 294
3.3. Propriétés tensioactives des polysaccharides modifiés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
4. Assemblages non covalents : une alternative intéressante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
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Chapitre 12
Lipochimie
(Zéphirin Mouloungui, Sandrine Pelet,Valérie Eychenne et Sandrine Mateo). . . . 305
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
1. Bases oléochimiques en détergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
1.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
1.2. Contribution de l’élément hydrophobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
1.3. Fonctionnalité des chaînes hydrophobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
1.3.1. Tensio-actifs à bases d’acides gras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
1.3.2. Tensio-actifs à base d’esters gras et d’alcools gras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
1.4. Tensio-actifs non ioniques à caractère hydrophile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
1.4.1. Alcools et esters gras alcoxylés 313
1.4.2. Tensio-actifs non ioniques totalement naturels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
1.5. Conclusions et perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
2. Lubrifiants végétaux écocompatibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
2.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
2.2. Structures chimiques des huiles minérales et propriétés
des fluides fonctionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
2.3. Structure des huiles végétales et propriétés fonctionnelles des huiles
et dérivés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
2.4. Performances lubrifiantes des esters oléochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
2.5. Étude structures-propriétés – Performance des esters totaux
de néopentylpolyols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
2.5.1. Indice de non-polarité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
2.5.2. Viscosité – Esters totaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
2.5.3. Indice de viscosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
2.5.4. Point d’éclair327
2.5.5. Point d’écoulement des esters totaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
2.5.6. Corrélations et exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
2.6. Esters lubrifiants encombrés et multipolaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
2.6.1. Propriétés physicochimiques et performances des esters encombrés
et multipolaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
2.6.2. Principe de la mesure de la stabilité chimique par ATG/ATD/SM. . . . . . . 332
2.6.3. Comparaison des valeurs de stabilité thermique par les températures
de point d’éclair et d’analyse par ATG/ATD/SM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
2.6.4. Résistance à l’oxydation de l’octanoate de carbonate de glycérol . . . . . . . . 334
2.6.5. Capacité de charge et performances anti-usure des esters de carbonate
de glycérol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
2.6.6. Propriétés tensio-actives des esters de CG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
2.7. Remarques – Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
3. Solvants et technologie de remplacement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
3.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
3.2. Aspects réglementaires en matière de solvants organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
3.3. Remplacement de solvant à problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
3.3.1. Solvants de remplacement dans les procédés d’extraction des huiles
alimentaires résiduaires dans les tourteaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
3.3.2. Solvants de remplacement dans les procédés de nettoyage/dégraissage
industriels .343
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitTable des matières XXI
3.3.3. Alternatives « agrosolvants pour le remplacement de solvants
pétrochimiques » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
3.4. Technologies alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
3.4.1. Alternatives aux solvants hydrocarbonés dans les peintures alkyles. . . . . . 350
3.4.2. CO supercritique : CO -SC solvant de remplacement de nombreux 2 2
solvants organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Chapitre 13
Fonctionnalisation des composés végétaux féruloylés en vanilline
par les basidiomycètes
(Laurence Lesage-Meessen, Estelle Bonnin, Anne Lomascolo,
Jean-François Thibault et Marcel Asther) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
1. Champignons filamenteux : un nouvel outil pour la production d’arômes naturels . . . 358
1.1. Atouts des biotechnologies pour l’obtention d’arômes naturels . . . . . . . . . . . . . . . 358
1.2. Potentialités des basidiomycètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
1.2.1. Arômes de type benzoate366
1.2.2. Arype phénylacétate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
1.2.3. Arômes de type cinnamate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
1.2.4. Arype butanone367
2. Vanilline : arôme du millénaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
2.1. Arôme naturel de vanille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
2.1.1. Origine et culture du vanillier 368
2.1.2. Traitement des gousses vertes 368
2.1.3. Extrait de vanille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
2.2. Vanilline de synthèse : arôme vanille identique au naturel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
2.2.1. Synthèse de vanilline à partir de coniférine et d’eugénol . . . . . . . . . . . . . . 371
2.2.2. Syntanilline à partir de liqueurs sulfitiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
2.2.3. Synthèse de vanilline à partir de gaïacol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
2.3. Production de vanilline par voie biotechnologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
2.3.1. Cultures végétales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
2.3.2. Biotransformations microbiennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
3. L’espèce Pycnoporus comme outil de transformation des coproduits
agro-industriels féruloylés en vanilline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
3.1. Mise en évidence et contrôle des voies métaboliques impliquées
dans la transformation de l’acide férulique par Pycnoporus cinnabarinus . . . . . . 375
3.1.1. Identification d’un modèle de basidiomycètes d’intérêt technologique
et mise en évidence des voies métaboliques de transformation. . . . . . . . . . 375
3.1.2. Construction de lignées performantes par une approche non OGM . . . . . . 377
3.1.2. Association de champignons filamenteux aux propriétés
de transformation complémentaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
3.2. Production de vanilline naturelle à partir de coproduits agro-industriels . . . . . . . 380
3.2.1. Des coproduits agro-industriels européens riches en acide férulique . . . . . 380
3.2.2. Fractionnement enzymatique de coproduits agro-industriels européens
pour la libération d’acide férulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
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3.2.3. Production de vanilline naturelle ex-betterave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
3.2.4. Productianilline naturelle ex-maïs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
4. Réglementation et contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
4.1. Spectrométrie de masse isotopique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
4.2. Résonance magnétique nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
Chapitre 14
Bioéthanol : comparaison des sources amidon, saccharose et lignocellulose
(Jacques Pourquié). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
1. Caractéristiques communes des procédés de production de bioéthanol . . . . . . . . . . . . 396
1.1. Préparation du moût 397
1.2. Fermentation397
1.3. Distillation déshydratation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
1.4. Traitement des coproduits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
2. Production de bioéthanol à partir de ressources saccharifères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
3. Productioéthanol à partir de ressources amylacées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
3.1. Préparation des moûts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
3.2. Traitement des coproduits402
4. Production de bioéthanol à partir de ressources lignocellulosiques. . . . . . . . . . . . . . . . 404
4.1. Préparation des moûts .405
4.1.1. Prétraitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
4.1.2. Hydrolyse enzymatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
4.1.3. Cellulases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
4.2. Fermentation distillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
4.3. Traitement des coproduits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
4.3.1. Traitement des hémicelluloses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
4.4. Traitement du coproduit lignine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
Références bibliographiques 416
Chapitre 15
Biocarburants – Les carburants liquides
(Xavier Montagne) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
1. Éthanol et ETBE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
1.1. Éthanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
1.1.1. Utilisation de l’éthanol dans le monde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
1.1.2. Équilibre entre énergie et gaz à effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
1.1.3. Caractéristiques de l’éthanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
1.1.4. Éthanol et utilisations sur moteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
1.2. ETBE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
1.3. Forces et faiblesses environnementales de la filière éthanol . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
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2. Filière Biodiesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
2.1. Biodiesel de première génération : les esters d’huiles végétales . . . . . . . . . . . . . . 433
2.1.1. Préambule : huiles végétales pures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
2.1.2. Esters méthyliques d’huiles végétales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
2.1.3. EMHV : propriétés, performances et impact sur l’environnement . . . . . . . 436
2.1.4. EMHV et spécifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
2.1.5. EMHV et performances sur moteurs .441
2.1.6. EMHV et impact sur l’environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
2.2. Biodiesel de seconde génération : les carburants de synthèse de type BtL . . . . . . 444
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Chapitre 16
Rôle de l’agriculture et des forêts dans l’effet de serre
(Jean-Luc Dupouey, Dominique Arrouays, Jérôme Balesdent, Benoit Gabrielle,
Ghislain Gosse, Gérôme Pignard, Bernard Seguin et Jean-François Soussana) . . . 447
Introduction : le contexte de l’effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
1. Effet de serre et changement climatique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
1.1. Concentration atmosphérique des gaz à effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
1.2. Changement climatique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
1.2.1. Détection du changement climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
1.2.2. Attribution des causes du changement climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
1.2.3. Prévision de l’augmentation du CO atmosphérique et du réchauffement2
global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
1.2.4. Pluviométrie et événements climatiques extrêmes452
1.3. La convention cadre des Nations unies sur le changement climatique (CCNUCC)
et le protocole de Kyoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
1.4. Bilan des émissions françaises de gaz à effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
2. Cycle du carbone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
2.1. Stocks et flux planétaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
2.2. Biotransformation du carbone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
2.3. Stockage de carbone dans les sols agricoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
2.4. Stockage de carbone dans la biomasse forestière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
3. La biomasse comme source d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
3.1. Gisement de biomasse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
3.2. Différentes filières de conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
3.2.1. Thermochimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
3.2.2. Digestion anaérobie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
3.2.3. Conversions biologiques et chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
3.3. Biomasse et effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
3.4. Perspectives et enjeux futurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
4. Écobilans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
4.1. Cycle de vie et bilan environnemental d’une production agricole . . . . . . . . . . . . . 477
4.2. Définition du système, choix des échelles de temps et d’espace . . . . . . . . . . . . . . 479
4.3. Calcul des émissions du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
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Chapitre 17
Biodégradabilité : un atout pour la préservation des milieux biotiques
(Pierre Feuilloley, Véronique Bellon-Maurel, Françoise Silvestre
et Christine Cecutti). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
1. Biodégradation et produits biodégradables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
1.1. Processus de biodégradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
1.2. Polymères et produits biodégradables489
2. Enjeux environnementaux et économiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
2.1. Avantages environnementaux des matériaux et produits biodégradables . . . . . . . 490
2.2. Risques environnementaux potentiels des matériaux/produits
biodégradables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
2.3. Enjeux économiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
3. Méthodes d’évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
3.1. Évaluation de la biodégradabilité en milieu liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
3.2. Évaluatiodégradabilité en milieu solide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
3.2.1. Évaluation de la biodégradabilité de matériaux sur sol en laboratoire . . . . 496
3.2.2. Évaluation de la dégradation des produits liquides sur sol . . . . . . . . . . . . . 497
3.2.3. Évaluatigradatioduits solides in situ . . . . . . . . . . . . . . 499
3.3. Évaluation de l’écotoxicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
3.3.1. Écotoxicité aquatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
3.3.2. Écotoxicité terrestre 502
4. Législation, normalisation et labellisation, européennes et françaises. . . . . . . . . . . . . . 503
4.1. Législation européenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
4.1.1. Déchets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
4.1.2. Produits liquides503
4.2. Législation et réglementation française . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
4.2.1. Législation et réglementation applicables aux matériaux
biodégradables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
4.2.2. Législation et réglementation applicables aux produits liquides . . . . . . . . . 506
4.3. Normalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
4.3.1. Normalisation européenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
4.3.2. Normalisation ISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
4.3.3. Normalisation française . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
4.4. Labellisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
4.4.1. Matériaux biodégradables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
4.4.2. Produits liquides biodégradables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
Chapitre 18
Analyse économique des filières biocarburants
(Jean-Claude Sourie et Stélios Rozakis). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
1. Éléments de méthodologie, des modèles économiques d’exploitations agricoles
à un modèle d’équilibre partiel multifilières et multi-agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitTable des matières XXV
1.1. Filières biocarburants, différents niveaux d’analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
1.1.1. Analyse du coût des matières premières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
1.1.2. Approche systémique multifilières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
1.1.3. Analyse de l’intérêt public (ou social) des filières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
1.2. Approche méthodologique systémique : un assemblage de modèles
microéconomiques constituant un modèle d’équilibre partiel . . . . . . . . . . . . . . . . 513
2. Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
2.1. Économie des ressources agricoles non alimentaires, coût d’opportunité
et offre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
2.1.1. Coût et offre de paille de céréales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
2.1.2. Coûts et offres de cultures énergétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
2.2. De l’offre agricole, à l’analyse microéconomique des filières et aux coûts
des biocarburants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
2.3. Du coût privé des biocarburants au coût social . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
CColonna Liminaires (I-XXVI).indd XXVolonna Liminaires (I-XXVI).indd XXV 220/05/06 14:31:450/05/06 14:31:45
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitColonna Liminaires (I-XXVI).indd XXVIColonna Liminaires (I-XXVI).indd XXVI 20/05/06 14:31:4620/05/06 14:31:46Introduction
Marion Guillou
Évolution de la chimie
Nos sociétés développées sont fondées sur des molécules (carburants, lubrifiants,
détergents, molécules thérapeutiques), des matériaux (plastiques), des objets issus
de la chimie, qui est avant tout la science de la transformation de la matière. Elle est
construite autour de trois grands pôles :
– la chimie de base avec l’obtention de grands produits dits de base et des grands
intermédiaires de la chimie minérale et organique (synthons) ;
– la chimie fine (prix plus élevés, valeur ajoutée plus importante, tonnages
restreints, place centrale des brevets, domaines d’application plus pointus, forte
valeur ajoutée) ;
– la formulation, avec des opérations de transformations physiques (mélange,
conditionnement, mise en forme).
L’évolution des sources de matières premières organiques a été très forte au cours
des siècles. À l’origine l’industrie chimique était une industrie d’extraction à
partir de matières premières végétales (bois) et animales (graisses). Ensuite elle est
edevenue une industrie de transformation avec le charbon, du milieu du XIX siècle
jusqu’en 1950. Actuellement le pétrole est venu se substituer de manière effective
et quasi totale au charbon. Les réserves de C fossile évaluées en 1999 (US
Department of Energy) sont considérables gaz naturel 142 Gtep, charbon 730 Gtep, pétrole
143 Gtep.
Le développement industriel actuel est fondé sur l’existence de sources de carbone
non renouvelable, le charbon (carbochimie), puis le pétrole (pétrochimie). La
pétrochimie domine actuellement ce domaine avec les polyoléfines (éthylène, propylène,
butadiène) obtenues par vapocraquage du gaz naturel, du naphta et du pétrole, et les
fractions aromatiques BTX (benzène, toluène, xylènes) obtenues après reformage
catalytique du naphta.
CColonna 01-03 (001 à 078).indd 1olonna 01-03 (001 à 078).indd 1 220/05/06 14:32:220/05/06 14:32:22
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit2 La chimie verte
Pour les besoins de la chimie des grandes matières premières, 10 % des
hydrocarbures fossiles sont utilisés en France, contre 4 % à l’échelle mondiale. 10 à 15 % de
la surface agricole française suffiraient à couvrir nos besoins, hors énergie.
Demandes sociétales
Toutefois ce schéma de fonctionnement de l’industrie chimique est reconnu
incompatible avec un développement durable de nos sociétés.
L’ensemble des ressources pétrolières encore disponibles ne représente que
quelques décennies de consommation à l’échelle mondiale et ne pourra pas accompagner
la croissance économique. Les réserves mondiales prouvées des énergies fossiles
représentent au rythme actuel de consommation, environ 45 ans pour le pétrole,
60 ans pour le gaz et 220 à 250 ans pour le charbon.
La biomasse représente dans ce contexte un atout à reconsidérer dans les
politiques industrielles. Le Livre blanc de la commission européenne (novembre 1997)
affiche l’objectif de doubler l’emploi des énergies renouvelables en 2010 pour
représenter 12 % de la consommation énergétique totale.
Deux mesures majeures sont envisageables :
– réserver le pétrole pour ses usages irremplaçables ;
– mettre en œuvre des matières premières renouvelables obtenues à partir de
cultures de végétaux, dont le bois.
L’usage immodéré du C fossile a conduit à une augmentation fl agrante de la teneur
en CO de l’atmosphère, à l’origine d’effets indésirés (effet de serre en particulier) 2
sur l’évolution du climat sur l’ensemble de la planète. En décembre 1997,
l’adhésion au protocole de Kyoto a signifi é pour notre pays un engagement de stabilité de
l’émission de ces gaz entre 2008-2012 sur la base des émissions de 1990.
Un nouveau volet est la biodégradabilité des molécules et des objets créés
industriellement. Suscité par les problèmes de déchets ménagers, le concept de
biodégrabilité a été approfondi en intégrant la durée de vie des produits élaborés dans leur
cycle d’usage souhaité. Si globalement le carbone renouvelable peut être considéré
comme une source de produits chimiques, plus ou moins élaborés, aux multiples
applications, la gamme de durée de vie souhaitée pour les produits de
transformation recouvre différentes échelles de temps, depuis celle équivalente au cycle de
production du carbone renouvelable (annuel pour les productions agricoles), comme
par exemple les produits à usage de production d’énergie (éthanol, esters gras…), ou
les produits de lubrification, les tensioactifs, les solvants, les produits d’emballage,
les supports d’impression, jusqu’à celle correspondant à une durée d’usage de
plusieurs années, comme pour les usages en habillement, décoration, loisir, transport,
communication, traitement et protection de surface, matériaux de conditionnement
et stockage. Enfin les grandes durées de vie pour les produits ayant des usages dans
les infrastructures, la construction, l’ameublement, les matériaux durables sont à
mettre en regard du cycle de production d’une autre source de production du
carbone renouvelable (20 à 30 ans pour les productions sylvicoles). La modulation de
la durée de vie des produits élaborés à partir du carbone renouvelable est à intégrer
CColonna 01-03 (001 à 078).indd 2olonna 01-03 (001 à 078).indd 2 220/05/06 14:32:230/05/06 14:32:23
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitIntroduction 3
dans une approche globale où le traitement des déchets par biodégradabilité,
compostage, recyclage conduit à envisager le cycle de vie complet du produit, avec des
écobilans, et non seulement sa fonction d’usage. L’éclosion de labels vert,
écocompatible, recyclable et les réglementations qui les sous-tendent ont besoin de fondements
scientifiques dans une approche globale.
Cette activité technologique est soumise aux mêmes contraintes que celles déjà
posées à la chimie en général. La nouvelle réglementation que la Commission
européenne entend instaurer pour l’enregistrement, l’évaluation et l’autorisation des
substances chimiques ouvre la voie vers une utilisation durable des substances
chimiques (Livre blanc : stratégie pour la future politique dans le domaine des
substances chimiques, Commission des Communautés européennes, Bruxelles, 27 février
2001. Le principal objectif de la nouvelle stratégie est d’assurer un niveau élevé de
protection de la sûreté humaine et de l’environnement, tout en garantissant le bon
fonctionnement du marché intérieur et en stimulant l’innovation et la compétitivité
de l’industrie chimique. La commission a opté pour une démarche par étape pour
éliminer progressivement et remplacer les substances les plus dangereuses. Le Livre
blanc concilie l’impératif d’entretenir et de dynamiser la compétitivité de l’industrie
chimique européenne et la nécessité fondamentale de protéger la santé humaine et
de favoriser un environnement non contaminé. L’évolution de l’industrie papetière
illustre cette évolution. Les contraintes environnementales fortes ont amené les
industriels papetiers à augmenter d’une part la teneur en fibres recyclées de
l’ensemble des papiers (57 % en 2001 ; source COPACEL), avec les changements
technologies que cela représente (collecte, désencrages, restauration des fibres, etc.) ; d’autre
part, la proportion de fibres obtenues à partir de procédés à haut rendement du
type thermomécanique jusqu’à représenter environ 30 % de la production française
(2,3 Mt en 2001, source COPACEL).
Ce contexte offre une opportunité pour le développement d’une société durable,
qui résiderait dans le basculement d’une dépendance essentielle sur les ressources
fossiles vers un développement fondé sur des ressources renouvelables. Les
variations du prix du pétrole conduisent à favoriser dans un premier temps les solutions
technologiques à haute valeur ajoutée, où d’autres critères que le seul prix de revient
industriel contribuent à orienter le choix du consommateur. C’est en effet à ce
niveau que la compétitivité des produits issus du carbone renouvelable doit conférer
des avantages relatifs sur l’ensemble des produits de grande consommation. Ainsi
dans le domaine des fibres agricoles, suite aux diverses délocalisations des activités
manufacturières des fibres naturelles vers les pays en voie de développement, les
acteurs européens des filières « fibres agricoles » ont recentré leurs activités
industrielles sur des concepts à forte valeur ajoutée, c’est-à-dire la conception de produits
techniques performants (composites à usage automobile, textiles techniques pour le
bâtiment, à base de lin, chanvre, jute et sisal). Ces produits représentent aujourd’hui
l’équivalent de 350 000 t de fibres au niveau mondial en 2002, dont 15 000 t en
France (source CTBA, mars 2003).
La chimie verte, qui se fonde sur des usages non alimentaires des productions
agricoles et forestières pour promouvoir le développement durable, implique un
triple aspect sociétal, environnemental et économique. C’est à la satisfaction de ces
trois conditions que le succès d’un développement sera obtenu.
CColonna 01-03 (001 à 078).indd 3olonna 01-03 (001 à 078).indd 3 220/05/06 14:32:230/05/06 14:32:23
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit4 La chimie verte
Place de la biomasse végétale
L’apport de la biomasse produite à la surface du globe terrestre est considérable :
1112·10 t/an (US Department of Energy), dont la plus grande partie est constituée
8de lignocellulose, avec des quantités plus faibles d’amidon et de saccharose (10 t).
9Seulement 6·10 t sont utilisés par l’homme. À part les usages du bois pour l’énergie
et les matériaux de construction, 95 % de la biomasse récoltée sont pour des usages
alimentaires.
Les agroressources, issues de l’agriculture et de la forêt, fournissent les trois
grandes familles chimiques des molécules carbonées : les carbohydrates, les lipides
(acides gras) et à un moindre degré les protéines. Les organes végétaux concernés
sont issus de plantes annuelles (les grains de céréales, graines d’oléagineux, racines
de betterave, les tiges de canne, lin, chanvre) et plantes pérennes (les arbres).
L’agriculture occidentale a su démonter qu’elle est capable d’assurer un approvisionnement
5fiable sur les plans qualitatif et de la continuité aux industriels. Plus de 5·10 ha sont
actuellement consacrés en France aux cultures industrielles autres qu’alimentaires
(hors carburants et bois) pour les filières de l’amidon, du textile, de la chimie et des
fibres.
Il convient de ne pas oublier que la finalité première des productions agricoles
est l’alimentation tant humaine que des animaux. En conséquence dans les zones
du monde, où les produits animaux occupent une grande part dans l’alimentation, la
concurrence entre ces deux productions sera immédiate pour les systèmes intensifs.
Enfin au niveau mondial la production de biomasse ne pourra jamais satisfaire toute
la demande de matières premières de l’industrie chimique.
Le retour partiel à des ressources renouvelables est passé à l’ordre du jour. Cette
orientation est fondée sur la possibilité d’obtenir la plupart des synthons de la
chimie industrielle à partir de matières premières telles que l’amidon, le saccharose et
la cellulose. En 2020, aux États-Unis, d’après les estimations du National Research
Council [Biobased Industrial Products ; Priorities for Research and
Commercialisation (Ed. National Research Council), Washington DC, 2000] 25 % de la production
de produits chimiques organiques sera issue des ressources renouvelables. Cette part
est estimée à 90 % en 2090.
En Allemagne, la part de ces ressources pour la chimie représente déjà une
quantité évaluée à 1,8 Mt en 1996. Près de 51 % des matières premières renouvelables
utilisées à présent en Allemagne sont des graisses et huiles. Les carbohydrates
occupent largement la deuxième place avec une part de 43 % tandis que les protéines
représentent 6 % des matières premières (Metzger et al., 2002).
6En Europe, environ 80·10 t d’agroressources sont produites annuellement dont
6 637·10 t de cellulose. Environ 17·10 t de saccharose sont produitzs à partir de la
6betterave et 7,7·10 t d’amidon à partir du blé, du maïs et de la pomme de terre. Sur
6 618,6·10 t d’huiles végétales produites, en majorité à partir de colza, 2,6·10 t sont
6utilisées en dehors de l’alimentation. Plus de la moitié (42,3·10 t) de ces ressources
végétales sont utilisés dans le domaine non alimentaire. Cette valeur est constituée
6essentiellement par la cellulose et ses dérivés (35·10 t), en grande majorité dans la
pulpe et le papier. Les amidons et les huiles végétales ont des débouchés non
aliColonna 01-03 (001 à 078).indd 4Colonna 01-03 (001 à 078).indd 4 220/05/06 14:32:230/05/06 14:32:23
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitIntroduction 5
6mentaires significatifs, de 3,4 et 2,6·10 t respectivement. En revanche le saccharose
5ne valorise qu’une part mineure (3·10 t) dans les domaines non alimentaires.
Ce contexte a conduit plusieurs gouvernements de pays occidentaux à
s’engager dans des politiques volontaristes. En France, les gouvernements successifs ont
donné une cible de 12 % d’énergie renouvelable en 2010. Rappelons que les
bioénergies représentent actuellement 4,5 % de la consommation d’énergie primaire. Les
États-Unis ont entrepris dès 1999 de développer cette chimie verte (developing and
promoting biobased products and bioenergy, décret de B. Clinton du 12 août 1999,
suivi par le biomass research and development act et the sustainable fuels and
chemicals act, votés par le Congrès en juin 2000).
Quels domaines pour les utilisations non alimentaires
des ressources végétales ?
Il est intéressant de noter que des industriels de la chimie manifestent de l’intérêt
pour les sciences de la vie en général, et pour les ressources renouvelables comme
nouvelles opportunités dans leurs créneaux de commercialisation. Ainsi Cargill,
amidonnier US, s’est allié au chimiste Dow Chemicals pour constituer Cargill Dow
Polymers LLC, dans le but de produire de l’acide lactique à grande échelle.
Trois domaines majeurs bien définis se distinguent actuellement.
L’énergie est un domaine ancien. L’éthanol est obtenu traditionnellement par
fermentation de sucre à six carbones présent dans le blé, la betterave ; aujourd’hui,
les produits lignocellulosiques issus des coproduits (pailles, son…) ou des cultures
lignocellulosiques (céréales à paille, bois…) se positionnent dans le secteur de la
bioénergie en tant que candidats sérieux pour améliorer la compétitivité des
biocarburants et répondre aux objectifs ambitieux de la Commission européenne en la
matière. En effet la production européenne actuelle d’éthanol carburant est d’environ
3 millions d’hectolitres par an. Le respect des directives biocarburants de l’Union
européenne devrait faire passer ces quantités à 118 millions d’hectolitres en 2010 et
413 millions en 2020.
La filière graines-huiles-esters méthyliques d’huiles végétales (EMHV) (colza,
tournesol) fournit un carburant vert (mélange de gazole et EMHV) (5 %) doté d’un
bon bilan énergétique et d’un impact très favorable sur l’effet de serre.
Si en 2010 le taux d’incorporation des biodiésels dans les carburants fossiles est
de 5,75 % (objectif fixé par la commission européenne) la contribution à
l’agriculture à la réduction des émissions de gaz à effet de serre sera de 8 %. Actuellement
5la France produit plus de 4.10 t/an de biocarburants d’origine agricole. Ce scénario
ambitieux conduirait notamment à promouvoir l’éthanol direct à la place de l’ETBE,
comme aux États-Unis et au Brésil : les biocarburants pourraient représenter plus
de 1,7 Mtep/an (soit plus de 2 Mt/an) en 2010 en France. Cette perspective implique
une forte mobilisation de matières agricoles et de surfaces de production.
Néanmoins la production de biocarburants restera toujours en deçà des besoins actuels :
la couverture de nos besoins nationaux (250 Mtep/an) par des biocarburants
immobiliserait la quasi totalité de la surface agricole française !
CColonna 01-03 (001 à 078).indd 5olonna 01-03 (001 à 078).indd 5 220/05/06 14:32:240/05/06 14:32:24
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit6 La chimie verte
Après l’énergie, le deuxième secteur d’intérêt dédié aux matières premières
renouvelables est celui de la chimie proprement dite.
Desmarescaux (Situation et perspectives de développement des productions
agricoles à usage non alimentaire, Rapport pour l’Ademe, 1998) a identifié et
recommandé, hors biocarburants, quatre axes prioritaires de développement au niveau
national : les biolubrifiants, les tensioactifs, les solvants et intermédiaires chimiques,
les acides aminés destinés à l’alimentation animale.
Les biolubrifiants : biodégradables et non toxiques, les lubrifiants du futur
d’origine végétale s’imposent dans les fluides hydrauliques pour les machines
agricoles, l’usinage des pièces mécaniques, le décoffrage pour le BTP, huiles
d’ensimages pour le textile, lubrifiants pour les chaînes de scies ou de tronçonneuses et les
moteurs 2 temps, les pompes et les vérins.
Les tensioactifs, des biomolécules aux pouvoirs étendus (effet émulsifiant,
mouillant ou détergent) : les tensioactifs sont des molécules dont les propriétés
varient selon leurs structures. Ils permettent de mélanger des corps incompatibles
comme l’eau et la graisse. Ils ont investi des nombreux secteurs, mais sont pour la
plupart d’entre eux issus de la pétrochimie. Le marché européen des tensioactifs
pour l’année 2000 représentait 2,3 Mt dont environ 20 % d’origine végétale. L’enjeu
d’une véritable alternative végétale est ambitieux et pourrait représenter plusieurs
milliers d’hectares de culture. Les alkylpolyglucosides (APG) sont un exemple
d’effort de recherche orienté vers le couplage des matières premières lipidiques et des
matières premières glucidiques pour l’obtention de tensioactifs totalement
renouvelables.
Les agrosolvants inoffensifs et performants. Ce marché est dopé par la
réglementation car de nombreux textes réglementaires ont été adoptés en France et en
Europe pour lutter contre l’impact de ces produits et limiter leurs rejets dans
l’environnement. Sont particulièrement visés par ces règlements les solvants chlorés,
fluorés et certains hydrocarbonés ou oxygénés. 5 Mt de solvants en Europe dont
600 000 t en France sont utilisés chaque année, pour de multiples usages :
fabrication des peintures, industries chimiques, 200 000 t devraient représenter d’ici
2010 la production des agrosolvants ce qui représenterait 40 000 ha d’oléagineux et
30 000 ha de plantes sucrières.
Le dernier secteur d’utilisation pour les produits agricoles est leur usage en tant
que matériau, avec les matériaux composites formés à partir des fi bres de plantes de
grande culture et les biopolymères. Dans ce domaine, ce sont les biopolymères qui
explosent avec des thermoplastiques à base d’amidon (Mater-BiSociété : Novamont
8 000 t/an ; Polynat, société : Roverc’h 5 000 t/an en prévision ; Eco-Pla Société
Down-cargill 5 000 t/an). Les molécules de base de ces dernières proviennent soit
de simples extraction et purifi cation de biopolymères végétaux (amidons, cellulose,
pectines, protéines) soit de synthèse chimique à partir de molécules d’origines
agricoles (poly-acide lactique ou PLA) soit de synthèse biotechnologique par
fermentation (élaboration par des micro-organismes).
L’utilisation des fibres d’origine agricole dans les matériaux est une réalité
technique. Des papiers spéciaux à partir de lin et de chanvre son produits, la paille de
blé est toujours utilisée comme source de fibres pour ces propriétés spécifiques qui
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitIntroduction 7
complémentent en mélange celle des fibres bois. De même l’incorporation des fibres
agricoles en renfort dans des matériaux thermodurcissables ou la production de
mélanges maîtres thermoplastiques est une activité en plein développement.
Trois principaux marchés sont cités pour les agro-matériaux : le bâtiment, la
construction automobile et l’emballage. L’emballage de produits manufacturés est
la principale application citée. Mais elle concerne surtout les biopolymères. La
production française d’emballages plastiques était de près de 1,8 Mt en 1999 (Source
Ademe, 1999).
Cet exposé des domaines d’application des agroressources reflète aussi les trois
pôles déjà identifiés pour la chimie industrielle en introduction, soulignant
l’analogie des logiques technologiques.
Quelles nouvelles recherches ?
Le croisement des connaissances acquises sur les molécules issues du C fossile,
avec celles de la matière biologique est une des clés pour innover rapidement. Il faut
néanmoins conserver en mémoire que les avancées de la chimie organique et celles
des polymères se sont réalisées en parallèle à la disponibilité et à l’utilisation
croissante de pétroles. Un transfert de ce savoir-faire aux ressources biologiques devrait
bénéficier à un développement moins pragmatique des usages non alimentaires des
productions agricoles et forestières.
Le développement des biotechnologies devrait aussi élargir la versatilité des
produits issus de la biomasse : maîtrise de la longueur des chaînes d’acides gras, de
la structure de la lignine, de l’amidon, des protéines. L’adaptation rationnelle des
organes végétaux à leurs finalités, ce qui comprend aussi leur aptitude au
fractionnement, s’accompagne du développement d’outils catalytiques plus spécifiques et
souvent plus respectueux de l’environnement. Le remplacement de systèmes
stœchiométriques, dont la productivité dépend de la loi d’action de masse, par des procédés
catalytiques devrait être évalué d’une part en terme de facteur E (kilo de rejet/kilo
de produit formé) et d’autre part d’efficacité atomique (masse molaire du produit
formé/somme des masses molaires des produits engagés). De nouvelles stratégies de
synthèse sont envisageables à partir des procédés biotechnologiques.
L’utilisation de la plante entière est aussi une condition nécessaire pour créer une
industrie durable.
Quelles politiques de recherche ?
Les besoins de recherche nécessaires pour construire les activités agricoles,
forestières et industrielles sont importants et par nature pluridisciplinaires. Plusieurs
initiatives institutionnelles ont conduit à des programmes lourds de recherche. Le GIS
Agrice (Agriculture pour la chimie et l’énergie), sous l’égide de l’Ademe, illustre
cette dynamique. Créé en 1994, par quatre ministères, des entreprises industrielles,
des organisations professionnelles agricoles et des organismes de recherche, il a été
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit8 La chimie verte
renouvelé en 2001 pour six ans. Son domaine d’intervention concerne
principalement la transformation industrielle des productions végétales en produits du secteur
de la chimie et des matériaux : il a labellisé à ce jour plus de 500 projets de
recherche.
L’Europe est entrée dans une phase nouvelle de son histoire. La réforme de la
politique agricole commune devrait rendre l’agriculture européenne plus
compétitive, tout en garantissant sa durabilité. L’agenda 2000 propose de rapprocher les prix
internes de l’Union européenne de ceux mondiaux. La conséquence sera la mise à la
disposition des industries alimentaires ou non des matières premières renouvelables
et obtenues selon un cadre de durabilité.
e eAlors que les 3 et 4 programmes cadres prévoyaient des actions spécifiques
epour les utilisations non alimentaires, le 5 programme cadre regroupe toutes ces
actions dans le domaine 1 : Qualité de la vie et management des ressources
biologiques. La nouveauté de cette cible est le choix de focaliser les actions sur des
demandes sociétales avec des objectifs à réalisation rapide.
Conclusion
Le domaine du végétal depuis la production jusqu’à la transformation a un
nouveau champ de recherche, avec des finalités complémentaires de celles rencontrées
dans les usages alimentaires. Les recherches entreprises depuis une quinzaine
d’années ont permis de cristalliser des connaissances solides. La communauté
scientifique de langue française a fortement contribué à l’avancement des connaissances
dans ce domaine. Cet ouvrage permet d’aborder l’ensemble des questions.
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit1
La disponibilité des terres
agricoles françaises
pour des usages énergétiques
Hervé Bichat
Introduction
La publication, après un long processus communautaire, des deux directives
européennes en faveur de l’utilisation des biocarburants au sein de l’Union européenne
(incorporation de 2 % dans l’essence et dans le gazole routier d’ici 2005, 5,75 % d’ici
2010) a été à l’origine d’une journée d’études, le 13 mai 2003, sur les biocarburants.
Parmi les questions qui y ont été débattues, celle de la disponibilité des surfaces
agricoles nécessaires pour remplir l’objectif fixé par la Commission européenne —
si les biocarburants incorporés dans les essences et gazoles consommés en France en
2010 sont produits localement (soit 1 million d’ha supplémentaires à l’horizon 2010)
— a mobilisé l’attention des participants. Bien entendu, les responsables
professionnels présents à la tribune ont répondu « que la filière agricole est prête à relever ces
défis ». Mais sans présenter, du fait des circonstances, une argumentation solide.
Répondre à la question de la disponibilité en France des terres agricoles pour des
usages non alimentaires nécessite de la replacer — comme toute question agricole
— dans l’espace et dans le temps. Ce qui n’est pas simple du fait des contextes
idéologiques, politiques et statistiques.
Historiquement l’agriculture a toujours produit des biens alimentaires et non
ealimentaires. Par exemple, jusqu’au milieu du XIX siècle, l’élevage était davantage
considéré comme source d’énergie animale et de fumier que de lait et de viande.
Pourtant, du fait de la persistance du phénomène de la faim jusque vers 1850, les
historiens ne se sont intéressés qu’à la fonction alimentaire et on ne dispose que de
quelques données éparses sur les usages non alimentaires, pourtant fort importants,
des productions agricoles durant l’Ancien Régime : énergie animale mais aussi
textiles, colorants, matériaux… et dont le relais a été pris en grande partie, au cours du
eXX siècle par les produits d’origine pétrolière.
Par ailleurs la disponibilité des terres agricoles est liée aux orientations de la
politique agricole européenne qui est en pleine évolution sous l’influence de facteurs
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit10 La chimie verte
externes (négociation de l’OMC), mais aussi internes (opinions publiques
européennes, options stratégiques générales) : il ne s’agit pas seulement d’arbitrer entre les
utilisations agricoles alimentaires et non alimentaires, mais également entre la part
de la production européenne qui sera exportée dans l’avenir et celle des importations
pour satisfaire les besoins de l’Union européenne en tenant compte de sa place dans
le monde.
Enfin, pour répondre avec précision à cette question, il faut disposer de données
avérées sur les paramètres qui la constituent. Or, non seulement celles-ci sont de plus
en plus rares au fur et à mesure que l’on remonte dans le temps, mais encore les bases
statistiques ont évolué, comme par exemple ce que recouvre le concept de surface
agricole utile. Ainsi l’objectif n’est-il pas de présenter des données dont la précision serait
illusoire, mais des ordres de grandeur permettant de suivre, au cours des 150 dernières
années, la part des productions agricoles destinées aux usages non alimentaires.
Ces prémices étant rappelées, l’évaluation des superficies disponibles pour des
usages non alimentaires a été centrée sur les terres agricoles, c’est-à-dire la surface
agricole utile proprement dite, sans prendre en compte les mêmes usages pour les
productions forestières.
Elle sera conduite à partir des deux approches complémentaires suivantes :
– d ’une part, l’évolution au cours du temps de la superficie agricole utile (SAU)
de la France de 1860 à nos jours en essayant de déterminer la part qui était
réservée aux usages non alimentaires ;
– d ’autre part, l’analyse plus précise de la superficie agricole utile (ou utilisée) au
cours des 10 dernières années en essayant d’apprécier les redéploiements qui
pourraient être engagés pour libérer les terres agricoles nécessaires à la
satisfaction des usages non alimentaires, dont la mise en œuvre concrète des concepts de
développement durable pourrait entraîner une forte augmentation.
1. Évolution des superficies agricoles affectées
aux usages non alimentaires de 1860 à 2000
Comme cela a déjà été indiqué, il est très difficile de disposer de données
permettant de retracer l’évolution des surfaces agricoles depuis 1850.
À partir notamment des travaux de J.C. Toutain et du Service central des
enquêtes et études statistiques (SCEES) du ministère de l’Agriculture, on peut résumer
ainsi dans le tableau 1 l’évolution de l’agriculture française au cours des 150
dernières années.
L’analyse de ce tableau fait apparaître trois grandes périodes :
1862-1929
eAu cours du XIX siècle, la SAU a fortement augmenté pour atteindre plus de
36 millions d’ha juste avant la première guerre mondiale, sous l’influence de
l’amélioration des techniques d’aménagement (irrigation, drainage, amendement des
terres), mais aussi sous la pression d’un certain surpeuplement des zones rurales.
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitLa disponibilité des terres agricoles françaises pour des usages énergétiques 11
Tableau 1 Évolution de l’agriculture française au cours des 150 dernières années.
1862 1892 1929 1970 1988 2000
Population (milliers hab) 38 500 40 150 42 300 49 500 56 600 58 700
Population active agricole
9 200 8 700 7 600 4 000 2 000 1 300
(milliers hab)
SAU (millions d’ha) 33 900 34 700 33 500 32 500 28 600 27 900
Prairies permanentes (% SAU) 15 16 32 43 38 34
Terres labourables (% SAU) 75 74 61 50 55 62
Jachères (% SAU) 10 10 4 1 1 4
Par ailleurs, on note la suppression progressive de la jachère à partir d’innovations
etechniques qui se sont d’abord implantées dans le Nord du pays à la fin du XVIII
siècle avant de diffuser progressivement sur tout le territoire. Cela s’est accompagné du
développement des productions animales (viande et lait) qui ont masqué le début de
la substitution de l’énergie animale par les ressources tirées du pétrole.
Outre la production d’aliments, la SAU avait alors deux autres grandes vocations :
– L’énergie animale
Le cheptel de trait était l’énergie de base des exploitations agricoles (en moyenne
pendant toute cette période deux animaux de trait pour exploiter 10 à 11 ha) et plus
généralement de la société toute entière (transport, armée, artisanat). Le tableau 2
montre l’évolution des populations de cheptel de trait auxquelles il faut ajouter un
million de vaches de trait à chacun des recensements.
Tableau 2 Évolution des populations de cheptel de trait.
Chevaux Bœufs
1840 2 800 1 600
1892 2 800 1 400
1929 2 900 900
Comme aucune donnée historique sur les surfaces agricoles consacrées à
l’alimentation du cheptel de trait n’a pu être trouvée, les experts des Haras nationaux
consultés indiquent que les surfaces nécessaires à l’alimentation d’un cheval de trait
oscillent entre 1 et 2 ha.
Si on se reporte au siècle précédent, la taille des animaux de trait était très
variable, mais en moyenne plus faible que le cheptel d’aujourd’hui. D’un autre côté, les
prairies et les champs étaient cultivés de manière moins intensive.
Ceci conduirait à retenir une moyenne de 1,5 ha par animal de trait. On en
coneclut que l’alimentation du cheptel de trait pendant le XIX siècle a nécessité au
minimum 6 millions d’ha.
Colonna 01-03 (001 à 078).indd 11Colonna 01-03 (001 à 078).indd 11 220/05/06 14:32:260/05/06 14:32:26
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit12 La chimie verte
– Les cultures non alimentaires
L’agriculture française était autrefois productrice d’importantes quantités
d’oléagineux (alimentaires et non alimentaires), de textiles, de plantes tenctoriales et
médicinales… mais le développement des productions coloniales et la naissance
de l’industrie chimique ont eu un effet très dépressif. On estime que ces cultures ne
ereprésentaient pas plus de 5 % de la production agricole au XIX siècle. Par exemple,
entre 1860 et 1913 :
– la pro duction d’oléagineux a diminué de 85 % pendant que les productions
coloniales couvraient une partie croissante de la demande métropolitaine (12 %
en 1820, 55 % en 1875, jusqu’à 85 % en 1938) ;
– la production de lin et de chanvre a diminué de 75 % alors que les fibres
exotiques satisfaisaient à plus de 80 % les besoins des industries textiles en 1913.
Les plantes tinctoriales (garance, gaude, indigo, safran) ont complètement disparu
eau XIX siècle du fait du développement en Allemagne d’une industrie novatrice des
colorants qui couvrait à cette époque plus de 50 % des besoins du marché mondial.
De ce fait, si les importations nettes alimentaires ont pu être contenues à environ
10 % de la consommation nationale, le poids des importations nettes des produits
eagricoles à usage non alimentaire a représenté, à partir de la fin du XIX siècle, le
même volume, la balance des échanges agricoles métropolitains étant globalement
déficitaire de l’ordre de 20 % de la production agricole métropolitaine.
En conclusion, si la valorisation non alimentaire ne représentait, à la fin du
eXIX siècle, que 5 % de la production totale, on peut estimer que cela correspondait
à une superficie d’au moins un million d’ha.
1929-1960
Période très troublée mais aussi de grands changements, ces trente années se
caractérisent à la fois par une certaine stabilisation des ordres de grandeur
macroéconomiques mais, en même temps, par des changements culturels (JAC),
techniques (mécanisation, semences, engrais) et économiques (mise en place de la
politique agricole commune) qui vont déboucher sur la « révolution silencieuse des
paysans » (M. Debatisse) après la seconde guerre mondiale. L’économie de guerre
des années 1940-1945 fut bien entendu très favorable aux utilisations non
alimentaires de la production agricole (alcool, gazogènes, lubrifiants…).
1960-2000
La SAU de la France se transforme rapidement sous l’influence des facteurs
suivants :
– l’évolution générale du pays favorise le développement des agglomérations et
l’usage de l’automobile l’étalement urbain ;
– les progrès techniques, la création du Marché commun et les ambitions des
jeunes agriculteurs entraînent une diminution rapide du nombre d’exploitations et
une modernisation profonde des structures de production.
CColonna 01-03 (001 à 078).indd 12olonna 01-03 (001 à 078).indd 12 220/05/06 14:32:260/05/06 14:32:26
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitLa disponibilité des terres agricoles françaises pour des usages énergétiques 13
D’où une double évolution :
– La motorisation agricole prend progressivement le relais de l’énergie animale et
dégage de ce fait des surfaces considérables comme le montre le tableau 3.
Tableau 3 Évolution de la motorisation agricole.
1938 1945 1950 1960 1969
Chevaux (en millions) 2,2 1,7 1,8 1,4 0,6
Tracteurs 35 000 28 000 137 000 765 000 1 200 000
NB : en 1955, 70 % des exploitations utilisaient encore des chevaux de trait.
Avec l’amélioration rapide des techniques de production et la mise en place du
Marché commun, cela a permis à l’agriculture française d’atteindre à l’autosuffisance
au cours des années 1960 puis de devenir un des principaux exportateurs mondiaux
de produits agricoles et alimentaires au cours des années 1970.
– L’étalement urbain et la rationalisation des systèmes de productions agricoles ont
conduit, à partir de 1950, à une réduction de près de 6,3 millions d’ha de la SAU dont
une partie se transforma progressivement en surfaces boisées sur près de 2,5 millions
d’ha. Mais cette diminution s’est fait surtout au détriment des prairies, réputées moins
rémunératrices. Ainsi, entre 1988 et 2000, la SAU a continué de reculer de 60 000 ha
par an mais les terres labourables ont augmenté au même rythme, les prairies perdant
plus de 120 000 ha par an.
eEn conclusion, l’agriculture française, qui avait vécu au XVIII siècle des
changements considérables sous l’influence des physiocrates et des idées nouvelles venues
du Royaume-Uni et des Flandres, a connu, au cours du siècle suivant, une évolution
accélérée sous l’influence de la révolution industrielle et de l’expansion coloniale.
e À la fin du XIX siècle, la SAU approchait les 35 millions d’ha dont plus de 20 %
étaient consacrés à l’alimentation du cheptel de trait et à la production de matières
premières destinées à des usages non alimentaires, ce dernier poste correspondant à
un déficit important de la balance des échanges de la métropole avec ses colonies.
2. Usages de la SAU au cours des années 1990
À la demande de la Co mmission européenne, Eurostat établit chaque année,
depuis la fin des années 1980, un bilan d’approvisionnement agroalimentaire de
l’Union européenne à partir des bilans nationaux préparés par chacun des 15 états
membres. En France c’est le SCEES qui est chargé de cette tâche. Il publie
régulièrement ces travaux depuis septembre 2001.
Le bilan d’approvisionnement ne se limite pas à décrire les emplois et les ressources
d’une matière première (ce serait un bilan de marché). Il prend en compte les produits
transformés qui en sont issus. Il part donc des stocks disponibles en début de période
(campagne ou année) et des volumes produits pour calculer les différentes
consommations (semences, usage industriel, consommation alimentaire, alimentation animale) en
prenant en compte les exportations, les importations et la variation des stocks.
CColonna 01-03 (001 à 078).indd 13olonna 01-03 (001 à 078).indd 13 220/05/06 14:32:270/05/06 14:32:27
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit14 La chimie verte
Tableau 4 Bilan d’approvisionnement de la filière céréales pour la campagne
20002001.
Total
CODE PRODUIT 1 100
Production :
SUPERFICIE (1 000 ha) 9 058
RENDEMENT (100 kg/ha) 72
PRODUCTION (1 000 t) 65 632
Bilan : production + importations + stocks début = exportations + stocks finaux +
utilisation intérieure
12 - PRODUCTION UTILISABLE 65 632
67 - Collecte 55 745
94 - Auto-consommation 9 887
20 - IMPORTATIONS 2 392
200 - dont produits transformés 1 422
100 - STOCKS DE DÉBUT 9 484
101 - dont de produits transformés 318
291 - TOTAL RESSOURCES = EMPLOIS 77 508
30 - EXPORTATIONS 35 906
300 - dont produits transformés 5 645
40 - STOCKS FINAUX 8 754
400 - dont de produits transformés 318
50 - UTILISATION INTÉRIEURE 32 848
51 - semences 1 147
511 - origine indigène 1 115
513 - origine importée 32
53 - pertes 628
55 - alimentation animale 22 362
56 - origine indigène 22 217
551 - origine importée 32
60 - usages industriels 1 675
65 - transformation (huile) 116
70 - consommation humaine (brute) 6 920
Ratios :
VARIATION DES STOCKS (1 000 t) – 730
TAUX D’APPROV (en %) 200
CONS. HUMAINE (kg/tête/an) 113,8
Colonna 01-03 (001 à 078).indd 14Colonna 01-03 (001 à 078).indd 14 220/05/06 14:32:270/05/06 14:32:27
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitLa disponibilité des terres agricoles françaises pour des usages énergétiques 15
Ceci nécessite en particulier de définir des coefficients de conversion pour
traduire en équivalent matière première le poids de chacun des produits transformés.
Le tableau 4 donne ainsi, à titre d’exemple, le bilan d’approvisionnement de la filière
céréales pour la campagne 2000-2001. Ce travail, très documenté, permet ainsi de
calculer la part de la SAU qui est consacrée aux usages non alimentaires et aux
exportations pour les grandes cultures que sont les céréales, les protéagineux, les
pommes de terre, les cultures sucrières et les oléagineux.
2.1. Usages non alimentaires
Le Code 60 des bilans d’approvisionnement des filières évalue, pour chaque
campagne, la part de la production agricole qui est dédiée à un usage industriel,
principalement non alimentaire.
Le tableau 5 décrit l’évolution des superficies agricoles dédiées à ces utilisations :
– pour les céréales, les productions qui concernent principalement les filières blé
tendre et maïs intègrent celles qui débouchent sur des produits vendus à
l’exportation. Il faut noter le remarquable développement de l’amidonnerie de blé au
cours des années récentes ;
– p our les pommes de terre, on estime à 82 % en moyenne les usages non
alimentaires de la fécule de cette filière (source SCEES) ;
– pour les betteraves, il y a très peu de « jus vert » qui soit valorisé sous forme
d’éthanol, l’alcool et la levure étant des coproduits de la fabrication du sucre
tirés de la mélasse, ce qui explique qu’il est difficile d’extraire des chiffres
significatifs des statistiques du SCEES. C’est pourquoi a été retenu, pour toute
la période, le chiffre de 20 400 ha (arrondi à 21 000 ha) donné par la
Confédération générale des producteurs de betteraves (CGB) ;
– p our les oléagineux, le calcul a été construit sur le volume de graines triturées,
une fois défalquées les exportations nettes de graines, les semences,
l’alimentation animale et la consommation humaine directe.
Tableau 5 Évolution des superficies agricoles (milliers ha) en fonction des usages.
1993-1994 1995-1996 1997-1998 2000-2001
Céréales 8 515 8 266 9 186 9 058
dont amidons 154 202 205 296
Pommes de terre 164 172 170 163
dont la fécule 34 28 28 25
Culture de betteraves 441 458 462 409
dont alcools et levures 10 11 11 11
Oléagineux 1 422 1 959 1 980 2 026
dont non alimentaires 221 378 267 424
Total 10 542 10 855 11 798 11 656 430 619 511 762
Ainsi, au cours de la dernière décennie, les superficies agricoles consacrées aux
usages non alimentaires ont augmenté fortement, notamment dans les filières
céréaCColonna 01-03 (001 à 078).indd 15olonna 01-03 (001 à 078).indd 15 220/05/06 14:32:270/05/06 14:32:27
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit16 La chimie verte
les (amidon de blé) et oléagineux (production de diester). Si on prend en compte
également la production de fibres végétales (les surfaces consacrées au lin et au chanvre
sont de l’ordre de 60 000 ha) et de quelques autres productions comme le tabac, il est
remarquable de noter que l’on retrouve progressivement le niveau des superficies
cone sacrées aux usages non alimentaires à la fin du XIX siècle.
2.2. Exportations des productions agricoles
Les exportations des productions agricoles de base (commodities en anglais)
représentent une fraction non négligeable des débouchés des grandes cultures.
Rappelons qu’il s’agit d’un phénomène récent dans l’histoire de l’agriculture française :
jusque dans les années 1960, l’équilibre agricole du pays dépendait des importations
des colonies dans le cadre du « pacte colonial ». Après la seconde guerre mondiale,
la diffusion du tracteur a dégagé des superficies considérables qui ont été valorisées
dans le cadre de la politique agricole commune (PAC) mise en place au début des
années 1960 et débouché sur des excédents commerciaux de plus en plus
considérables au cours des années 1970.
Cette politique, initiée par le Marché commun en protégeant les agriculteurs
européens des effets néfastes des marchés internationaux, est aujourd’hui contestée,
non seulement par les états traditionnellement exportateurs (comme les États-Unis et
le Groupe de Cairns : Australie, Canada, Brésil…) mécontents de trouver un nouvel
et puissant acteur sur les marchés internationaux, mais aussi par les pays en
développement. Ceux-ci mettent en cause les systèmes européen et américain de soutien
aux exportations agricoles, les accusant de les priver de marchés rémunérateurs leur
permettant de trouver les ressources nécessaires à leur développement (cf. le slogan
« Trade, not Aid »).
En fait, ils souhaitent revenir au vieux pacte colonial qui permettait aux colonies
d’échanger contre des biens et services originaires des métropoles et qu’elles étaient
incapables de produire dans de bonnes conditions, des biens plus accessibles car
valorisant bien leurs ressources naturelles (cependant il faut noter que le dynamisme
de leurs marchés intérieurs, sous l’effet de la croissance démographique et des
attentes de leurs populations, entraîne souvent une réduction sensible de leurs capacités
d’exportation, comme en ce qui concerne le riz au Vietnam).
Les bilans d’approvisionnement publiés à partir de 1999 par le SCEES permettent
de préciser les enjeux de cette controverse à partir de l’évolution des productions et
des superficies des grandes cultures et de leurs exportations comme le montre le
tableau 6.
Ce tableau appelle les commentaires suivants :
– l es superficies des terres agricoles consacrées aux grandes cultures sont en
augmentation (au détriment des surfaces en herbe). Mais la part des productions
exportées ne suit pas la même tendance ;
– l ’évolution des productions est différenciée selon les secteurs : une croissance
lente des céréales, une augmentation conséquente des oléagineux liées au
développement des usages énergétiques (diester) sur les jachères, une
diminution préoccupante des surfaces cultivées en protéagineux et une réduction
CColonna 01-03 (001 à 078).indd 16olonna 01-03 (001 à 078).indd 16 220/05/06 14:32:280/05/06 14:32:28
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Tableau 6 Évolution des productions et des superficies des grandes cultures et de
leurs exportations.
1993-1994 1995-1996 1997-1998 2000-2001
Céréales
Superficie (1 000 ha) 8 515 8 266 9 186 9 058
Production (1 000 t) 55 498 53425 63 310 65 632
Exportation (1 000 t) 36 575 27 355 29 724 35 906
Surface équivalente (1 000 ha) 5 627 4 208 4 303 4 937
Oléagineux
Superficie (1 000 ha) 1 422 1 959 1 980 2 026
Production (1 000 t) 3 383 5 078 5 859 5 568
Exportation (100 t) 1 398 1 972 3 268 2 324
Surface équivalente (1 000 ha) 583 758 1 127 861
Protéagineux (pois
protéagineux et secs)
Superficie (1 000 ha) 727 580 607 481
Production (1 000 t) 3 664 2 701 3 055 2 105
Exportation (100 t) 1 183 898 965 549
Surface équivalente (1 000 ha) 237 191 193 125
Pommes de terre
Superficie (1 000 ha) 164 172 170 163
Production (1 000 t) 5 859 5 834 6 690 6 435
Exportation (100 t) 947 1 104 1 657 1 636
Surface équivalente (1 000 ha) 27 32 42 41
Sucre de betterave
Superficie (1 000 ha) 448 458 462 409
Production (1 000 t) 4 347 4 199 4 723 4 233
Exportation (100 t) 3 132 2 993 2 975 3 599
Surface équivalente (1 000 ha) 323 326 291 348
Total
Superficie grandes cultures
11 276 11 435 12 405 12 137(1 000 ha)
6 797 5 515 5 956 6 312dont « exportées » (1 000 ha)
en % 60 48 48 52
progressive de la sole betteravière. Ces changements sont bien la conséquence
de la réforme de la PAC en 1992 (développement de l’utilisation des céréales
européennes dans l’alimentation animale, jachère obligatoire, accord de « Blair
house » sur les oléagineux…) ;
– les productions agricoles françaises sont très sensibles aux négociations
internationales. Certes la vision que donne le tableau doit être corrigée par les deux
considérations suivantes :
- la part exportée de la production de sucre est particulièrement importante du
fait de l’accord passé avec les pays ACP au moment de l’entrée de la
GrandeBretagne dans la Communauté économique européenne. Celui-ci garantit
l’accès au marché européen de 1 400 000 t par an au prix européen, quantité
qui est pour une large part réexportée… au prix mondial. Le secteur des
oléagineux se caractérise également par l’importance des importations et des
exportations ;
Colonna 01-03 (001 à 078).indd 17Colonna 01-03 (001 à 078).indd 17 220/05/06 14:32:280/05/06 14:32:28
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit18 La chimie verte
- u ne part des productions agricoles françaises est exportée dans les pays de
l’Union européenne. Si le calcul est fait dans les mêmes conditions que
précédemment, avec les statistiques d’Eurostat disponibles, le pourcentage des
surfaces agricoles européennes tournées vers l’exportation n’est plus que de 11 %
pour les céréales (contre plus de 50 % pour la France), de 25 % pour les
oléagineux (contre 40 %) de 35 % pour le sucre (contre plus de 75 %), la filière de
la pomme de terre étant pratiquement à l’équilibre.
Sous ces réserves, les débouchés actuels de près de 6 millions d’ha, soit 20 % de la
SAU, se trouvent donc à l’étranger. C’est en tous cas la part de la SAU dont
l’utilisation reste la plus flexible, même s’il ne faut pas oublier que le courant d’exportations
qui s’est développé depuis plus de trente ans a généré un ensemble considérable de
moyens logistiques et de services dont la reconversion, en cas de changement de
politique agricole, devrait être conduite progressivement et avec une grande attention.
3. Choix politique fondamental
L’examen de la disponibilité des terres pour de nouveaux usages non alimentaires
a permis de prendre la mesure des évolutions considérables qui ont affecté
l’agriculture française depuis 1850.
En première analyse, on ne peut qu’être frappé par le fait que les superficies
consacrées autrefois à l’alimentation du cheptel de trait et celle dont la production
est exportée aujourd’hui sont du même ordre de grandeur : 6 à 7 millions d’ha. De
même les superficies aujourd’hui orientées vers les autres utilisations non
alimenetaires retrouvent progressivement l’importance qu’elles avaient à la fin du XIX
siècle. Il faut cependant remarquer qu’en 150 ans la population française a augmenté
de 50 % en volume et qu’elle se nourrit beaucoup mieux avec les aliments à haute
evaleur énergétique. Enfin, en ce début de XXI siècle, la SAU a beaucoup reculé
depuis l’époque du Second Empire, et encore davantage depuis le temps de la Belle
Époque. Mais surtout, si les 7 millions d’ha consacrés à l’alimentation du cheptel
de trait étaient composés de prairies souvent proches de l’état de landes, les 6
millions d’ha tournés aujourd’hui vers l’exportation sont constitués de bonnes terres
labourables. On mesure ainsi l’impact du progrès technique dans l’agriculture et des
einvestissements consentis tout au long du XX siècle, aussi bien en ce qui concerne
l’aménagement des terres agricoles que la phytotechnie dans son ensemble.
Par ailleurs, cet ordre de grandeur (5 à 7 millions d’ha) apparaît également dans
les scénarios qui aujourd’hui sont imaginés pour diviser par quatre, à l’horizon 2050,
les émissions de gaz à effet de serre dans les pays développés (dont la France) si on
veut suivre les recommandations du groupe international d’étude sur les climats
(GIEC/IPCC) de diminuer de moitié la production mondiale de gaz à effet de serre
par rapport à celle de 2000, tout en permettant un développement raisonné des pays
du Sud.
Ce défi concerne tout particulièrement les transports pour lesquels il n’y a pas
d’autre alternative aux carburants d’origine fossile que les biocarburants. Parmi les
scénarios qui sont étudiés actuellement, l’un d’entre eux, celui en cours d’élaboration
CColonna 01-03 (001 à 078).indd 18olonna 01-03 (001 à 078).indd 18 220/05/06 14:32:290/05/06 14:32:29
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délitLa disponibilité des terres agricoles françaises pour des usages énergétiques 19
par le Conseil général des mines (Prevot, 2003), vise à diviser par trois la
production de gaz à effet de serre d’ici 30 ans. Il montre que cet objectif est possible sans
réduction importante des niveaux de vie, ni changements importants de
comportements, à condition de poursuivre les programmes en cours d’économie d’énergie et
de développer la part de l’électricité produite sans émission de gaz carbonique
(énergie nucléaire ou énergie thermique avec séquestration de CO ) tout en remplaçant
2
50 % des carburants qui resteraient nécessaires par des biocarburants, ce qui
cor1respondrait à environ 12,5 millions de tep/an pouvant être produits par 5 millions
d’ha de cultures énergétiques, à raison de 2,5 tep/an, complété par la transformation
3annuelle de 80 millions de m de bois.
Si ce scénario était mis en œuvre, il se constituerait alors des gisements
considérables pour produire de nombreux coproduits tels que des tensioactifs, solvants,
cosmétiques, etc., en substitution des produits issus de la pétrochimie, valorisation par
ailleurs indispensable pour assurer une bonne compétitivité et une bonne rentabilité
des grandes raffineries végétales (plusieurs millions de tonnes traitées par an) qu’il
conviendrait de construire pour atteindre ces objectifs.
Mais il faut observer que les sites permettant de réaliser ces gigantesques
installations sont limités en nombre (du fait de contraintes diverses : logistique,
environnementales…). Par conséquent, le chiffre de 6 millions d’ha disponibles pour des
productions non alimentaires constitue en l’état actuel des réflexions une estimation
haute qui devra être affinée dans l’avenir.
Dès lors, la question de la disponibilité des terres agricoles pour des usages
énergétiques se pose en termes politiques :
– soit on continue sur la lancée de l’exportation de produits alimentaires avec
l’intérêt (discuté par certains économistes comme M. Mazoyer) de contribuer à la
lutte contre la faim dans le monde, mais aussi avec l’inconvénient de conforter
l’irritation des pays en développement, comme on l’a vu en septembre 2003 lors
des négociations multilatérales de Cancun ;
– s oit on s’inscrit dans le développement durable en privilégiant la lutte contre
l’effet de serre et la poursuite d’une certaine autonomie énergétique : beaucoup
d’experts pensent, comme le dit plaisamment le Cheick Yamani, ancien ministre
du Pétrole de l’Arabie Saoudite (« à la fin de l’âge de pierre, il y avait encore des
pierres disponibles »), que la limitation de la production de gaz à effet de serre
contraindra l’humanité à économiser l’usage du pétrole bien avant l’épuisement
de ces gisements. Dès lors, il devient incontournable de réorienter une partie de
la production agricole et forestière française vers des valorisations énergétiques
(chaleur, biocarburants et chimie verte).
Cette profonde inflexion de la politique agricole européenne permettrait en outre
de satisfaire les attentes des pays du Sud et déboucherait sur de nouveaux accords de
partenariats contribuant à renforcer l’image de l’Union européenne dans le monde.
Cette politique devrait permettre également de soutenir à terme les cours des prix
agricoles mondiaux au bénéfice de tous.
1. Tonne équivalent pétrole
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit20 La chimie verte
Conclusions
Par rapport à d’autres pays, la France se trouve dans une situation relativement
favorable dans la perspective du développement durable puisqu’elle est capable de
s’assurer une certaine autosuffisance à la fois alimentaire et énergétique. Elle est
sans doute un des pays européens dont, grâce à ses ressources agricoles et
forestières, l’empreinte écologique imaginée par M. Wackernagel est la plus faible.
Rappelons que cet indicateur exprime en ha « la surface de terre et d’eau biologiquement
productive qui est nécessaire pour produire les ressources consommées et assimiler
les déchets générés par une population donnée ». Mais, en l’état actuel de
l’utilisation des sols et de la technologie, notre pays n’est pas en mesure d’assurer à long
terme le renouvellement des biens qui contribuent aujourd’hui à son niveau de vie,
sans recourir à la fois à l’importation de ressources énergétiques fossile et à un large
recours à l’énergie nucléaire (à moins que les technologies de séquestration de
carbone ne débouchent que dans des délais raisonnables).
Contrairement à l’opinion commune, il faut donc considérer que, même en France,
les espaces agricoles et forestiers ne sont donc pas surabondants mais rares. Leur
utilisation doit être à la fois économe et intense (en veillant à optimiser « la valeur
ajoutée biologique », selon la belle expression de Jacques Poly) pour permettre aux
générations à venir de satisfaire leurs besoins. Cette conclusion est bien entendu
encore plus pertinente si on analyse la situation globale de la planète (des équipes qui
travaillent sur le concept d’empreinte écologique estiment à quatre fois la superficie
de la planète celle dont on devrait disposer pour mettre en œuvre un développement
vraiment durable) et plus particulièrement certaines régions proches de l’Europe,
telles le Maghreb pauvre en ressources naturelles en dehors de l’énergie solaire.
Mais les espaces agricoles disponibles en France sont suffisants pour
permettre l’édification de vastes complexes raffinant des volumes conséquents de plantes
entières permettant de fabriquer, en même temps et aux meilleurs coûts de
production, des biocarburants et tous les produits issus de la chimie verte (et parfois des
productions alimentaires), en substitution et/ou en complément de ceux que fournit
aujourd’hui la pétrochimie.
Références bibliographiques
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© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit2
Fractionnement de la biomasse
lignocellulosique en synthons
Michael J. O’Donohue et Philippe Debeire
Introduction
Le vieil adage « nécessité est mère d’invention » s’applique particulièrement bien
à l’histoire du développement des technologies pour la transformation de la
biomasse en produits chimiques. Dès 1924, Boullanger (1924) avait qualifié d’ancienne
l’idée de fabriquer de l’éthanol à partir du bois en faisant référence aux travaux
antérieurs d’un certain Braconnot. En effet, pendant une période de l’histoire
européenne bousculée par la révolution industrielle, Henri Braconnot a publié un rapport
à ce sujet (Braconnot, 1819). Plus tard, au moment de la première guerre mondiale,
plusieurs procédés industriels pour la production d’alcool à partir du bois ont été mis
au point, notamment en Allemagne, aux États-Unis, mais aussi en France. De
nouveaux développements sont également intervenus à la veille de la Seconde guerre
mondiale et puis, plus récemment, lors de la crise pétrolière (1973-1980). Pendant
cette dernière période, une activité intense en matière de recherche et de
développement a été engagée et de nombreuses publications scientifiques et de brevets en ont
été le résultat. Aujourd’hui, en réponse à des préoccupations écologiques (le
réchauffement planétaire) et socio-économiques (la raréfaction et la disparition éventuelle
des ressources fossiles), le développement et l’amélioration de technologies pour la
transformation de la matière lignocellulosique, en vue de la production de produits
chimiques de base, est de nouveau à l’ordre du jour.
Ce premier acte de transformation peut constituer une simple étape « de
craquage », qui se limite à la déstructuration non spécifique des polymères de la
biomasse où elle peut déjà coupler la notion de fractionnement. Dans ce cas, la
déstructuration des polymères sera associée à la séparation des produits selon leur nature
chimique. Dans le cas de la matière lignocellulosique, les étapes de déstructuration
et de fractionnement sont particulièrement importantes pour plusieurs raisons :
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– la ce llulose, source principale de glucose, est étroitement associée à la lignine
et aux hémicelluloses. Or, ces macromolécules limitent l’action des agents
déstructurants de la cellulose ;
– l es dérivés de la lignine et les fractions extractibles par traitement alcalin sont
des inhibiteurs des micro-organismes fermentaires utilisés pour les
bioconversions ;
– l es hémicelluloses, plus labiles que la cellulose, sont hydrolysées dans des
conditions réactionnelles dans lesquelles la cellulose demeure intacte ;
– la fermentation des sirops contenant à la fois des hexoses et des pentoses est
compliquée par le phénomène de diauxie. La présence du glucose perturbe
l’utilisation du xylose et de l’arabinose par les micro-organismes fermentaires.
De plus, du point de vue du bilan énergétique, la fermentation du glucose est
plus favorable que celle du xylose ou de l’arabinose.
Compte tenu de la complexité et de l’extrême diversité des matières
lignocellulosiques, de nombreuses stratégies utilisant des approches variées ont été étudiées, et
parfois développées jusqu’à l’échelle industrielle. Aujourd’hui, les procédés dont le
développement est le plus avancé privilégient l’utilisation d’acide combiné ou non à
un traitement enzymatique pour réaliser la déstructuration des polymères pariétaux
de la matière végétale. Dans ce chapitre nous présenterons d’abord les principales
technologies et ferons état de leur stade de développement actuel. Ensuite, nous
discuterons des perspectives pour le développement futur de ces technologies et pour
leur industrialisation.
1. Structure et composition générique
des lignocelluloses
La matière lignocellulosique, la source de carbone renouvelable la plus abondante
de la planète, est constituée de trois éléments majeurs qui sont imbriqués dans un
réseau pariétal complexe. Selon l’origine exacte de la biomasse, ces éléments sont
présents dans des proportions différentes. La cellulose, le déterminant principal des
propriétés mécaniques des matières lignocellulosiques est étroitement associée aux
hé micelluloses, molécules structuralement et chimiquement hétérogènes, qui sont à
leur tour en contact avec les lignines, véritables ciments de la paroi végétale.
Compte tenu de cette complexité, qui est à l’origine des difficultés rencontrées
lors du fractionnement de la matière lignocellulosique, il convient d’abord de
rappeler les aspects biochimiques et structuraux majeurs de celles-ci.
1.1. Cellulose
La cellulose est un polymère linéaire composé uniquement de résidus
D-glucopyranose reliés par des liaisons osidiques β-1,4. Selon son origine végétale et
cytologique, le degré de polymérisation de la cellulose est généralement compris entre 2 000
et 8 000, mais peut atteindre 15 000 dans les fibres du coton (Barnoud, 1980).
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Microfibrilles de cellulose
Lignines
Ramification
Pont
lignine-hémicellulose
Hétéroxylanes
Pont diférulique
Figure 1 Représentation schématique de la structure d’une paroi végétale secondaire.
Les hémicelluloses, adsorbées sur les microfibrilles de cellulose, forment des liaisons
covalentes avec les lignines et entre elles via des ponts diféruliques.
Par l’intermédiaire de liaisons hydrogène intramoléculaires entre deux résidus
glucose successifs, les chaînes de cellulose adoptent des structures en ruban très
stables qui s’associent entres elles via des liaisons hydrogène intermoléculaires.
Ces dernières favorisent l’organisation des chaînes en domaines cristallins de taille
importante et confèrent ainsi aux structures cellulosiques une rigidité et une
résistance chimique exceptionnelle (Mansfield et al., 1999). Dans la matière végétale,
ces domaines, composés de plusieurs molécules de cellulose, s’associent dans des
microfibrilles dans lesquelles les régions cristallines alternent avec des régions
dites amorphes. Ces dernières, moins ordonnées, sont plus susceptibles aux attaques
enzymatiques. Finalement, les microfibrilles s’associent en fibrilles qui forment des
unités constituantes de la fibre de cellulose.
1.2. Hémicelluloses
Selon la définition utilisée par Wilkie (1979), le terme plutôt vague
d’hémicellulose fait référence à l’ensemble des polysaccharides des végétaux qui ne sont
ni de la cellulose, ni de l’amidon, ni des fructanes. De manière générale, dans la
matière lignocellulosique on distingue donc principalement les
arabino-glucuronoxylanes, les galacto-gluco-mannanes, puis des glucurono-xylanes (Joseleau, 1980).
Les premiers, répandus notamment chez les graminées, sont constitués de chaînes
principales de résidus xylose, liés entre eux par des liaisons β-1,4, qui sont ramifiées
principalement par des résidus arabinose, mais aussi par des résidus d’acide
glucuronique ou d’acide 4-O-méthyl-glucuronique. Ces résidus ramifiants, de fréquence
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variable selon l’origine végétale et cytologique exacte, sont liés aux résidus xylose
par des liaisons α-1,2 ou α-1,3 (Joseleau, 1980 ; Wilkie, 1979). Une partie
importante des hémicelluloses du bois sont également des hétéroxylanes, à l’exception
du bois de conifères dans lequel les D-galacto-D-gluco-D-mannanes prédominent
(Sjöström, 1993). Comme leur nom l’indique, ces polymères, linéaires ou faiblement
branchés, sont constitués par des résidus mannose et glucose (dans un rapport 4:1),
liés entre eux par des liaisons β-1,4, qui sont ramifiées (sur le C-2 ou C-3 des résidus
de la chaîne principale) par des résidus galactose. Dans le bois des feuillus, les
Dgalacto-D-gluco-D-mannanes sont peu représentés et sont composés en moyenne de
3 mannoses pour 1 glucose et 0,1 galactose. Les hémicelluloses majeures des bois
des feuillus, les D-glucurono-D-xylanes, sont constituées de chaînes principales de
résidus xylose, liés entre eux par des liaisons β-1,4, ramifiées, via des liaisons α-1,2,
par des résidus d’acide 4-O-méthyl-α-D-glucuronique.
Au sein du réseau pariétal, les hétéroxylanes, les hémicelluloses les plus
répandues, s’adsorbent à la cellulose, s’associent entre eux par des liaisons d’hydrogène
et forment des liaisons covalentes avec la lignine (voir § 1.3.). Ainsi, ces polymères,
chimiquement plus labiles que la cellulose ou la lignine, jouent un rôle capital dans
le maintien de l’intégrité des parois végétales (Thomson, 1993).
1.3. Lignine
La lignine est composée de trois alcools phénylpropénoïques : l’alcool
coumarique, l’alcool coniférylique et l’alcool sinapylique. Ces alcools précurseurs
polyfonctionnels sont copolymérisés et forment des structures hétérogènes vastes et
amorphes. La teneur de ces composants est différente selon l’origine végétale des
lignines. Ainsi, le bois des gymnospermes est majoritairement composé d’unités de
guaïacyl, dérivées de l’alcool coniférylique, alors que le bois des feuillus contient à
la fois des d’unités de guaiacyl et des unités syringyl, ces dernières étant dérivées
de l’alcool sinapylique. Les lignines des graminées présentent en plus des unités
phydroxyphénoïques, dérivées de l’alcool coumarique (Monties, 1980).
De par leur composition chimique, les polymères de lignine sont insolubles et très
réactifs. Par conséquent, ils possèdent la capacité de former des liaisons covalentes
(de type éther) avec l’acide férulique (un précurseur de l’alcool coniférylique) qui est
lié via des liaisons covalentes de type esters aux hémicelluloses. Inséré ainsi entre les
hémicelluloses, les lignines remplacent l’eau et créent un environnement hydrophobe
à l’intérieur du réseau pariétal. De ce fait, la présence de lignines renforce les liaisons
hydrogène qui relient le réseau cellulose-hémicellulose et entravent la pénétration
d’enzymes ou d’autres molécules nécessitant la présence d’eau (Brett et Waldron, 1996).
2. Technologies de l’hydrolyse et du fractionnement
2.1. Hydrolyse acide
L’utilisation d’acides pour l’hydrolyse des lignocelluloses constitue la méthode de
craquage la plus ancienne et la plus étudiée. Dès 1819, Henri Braconnot avait publié
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les résultats de travaux dans lesquels il avait employé de l’acide sulfurique concentré
epour hydrolyser un substrat lignocellulosique. Vers la fin du XIX siècle, la
possibilité d’utiliser une solution acide diluée pour la saccharification à haute pression de la
matière lignocellulosique a été envisagée par Simonsen. Depuis, le développement
de cette technologie a fait émerger deux stratégies distinctes :
– l’hydrolyse à l’acide concentré à base température ;
– l’hydrolyse à l’acide dilué à haute température.
Chacune de ces stratégies présentant des avantages et des désavantages, elles ont
fait l’objet de nombreuses études et de brevets, ce qui a permis la mise au point de
procédés à l’échelle pilote et, dans certains cas, à l’échelle industrielle.
2.1.1. Hydrolyse acide dilué
2.1.1.1. Développements précoces
De manière générale, l’hydrolyse acide dilué de la biomasse fait appel soit à
l’acide sulfurique soit à l’acide chlorhydrique, même si des expériences avec d’autres
acides sont documentées (Dapia et al., 2002 ; Parisi, 1989). La concentration de
l’acide est faible (entre 0,07 % et 2 % p/p selon le procédé), ce qui permet de limiter
le coût de fonctionnement lié à la corrosion des réacteurs et à l’élimination de l’acide
dans les sirops de sucres.
Pendant la phase initiale du développement de cette technologie, l’hydrolyse de
la biomasse a été le plus souvent réalisée de manière discontinue (sous l’appellation
anglaise de « batch »). Si cette pratique présente l’avantage d’être simple, elle
comporte néanmoins un sérieux inconvénient. En effet, les produits d’hydrolyse
séjournent à haute température (> 170 °C) dans des conditions acides pendant des périodes
prolongées. Ces conditions rudes provoquent la dégradation des pentoses en furfural
et en goudrons et celle du glucose en 5-hydroxyméthyl furfural et puis en acide
formique. Cette décomposition des produits est indésirable pour plusieurs raisons :
– e lle conduit aux rendements finaux en sucre faibles (40 % dans les procédés les
plus optimisés) ;
– le furfural et le 5-hydroxyméthyl furfural sont des inhibiteurs de fermentation ;
– les goudrons engorgent les réacteurs et nécessitent donc l’interruption du
procédé pour des interventions d’entretien.
Par conséquent, depuis de nombreuses années, les recherches dans ce domaine se
sont focalisées sur l’agressivité du procédé vis-à-vis des produits et ont fourni
plusieurs innovations qui améliorent considérablement le rendement en sucres.
En 1927, Heinrich Scholler a déposé le premier d’une série de brevets proposant
un procédé à percolation, une méthode semi-discontinue (Scholler, 1932 ; 1938 ;
Scholler et Karsch, 1935). Dans le procédé initial, la matière lignocellulosique,
compactée sous pression dans un réacteur (figure 2), est traitée par plusieurs
volumes successifs d’acide sulfurique (0,4 % p/p) qui constituent une phase mobile.
En traversant la phase stationnaire sous pression et à haute température, la solution
acide hydrolyse la matière et s’enrichit en sucres. Par rapport à la méthode
discontinue, cette méthode permet de réduire le temps de contact entre l’acide et la matière
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lignocellulosique, ce qui limite la décomposition des sucres monomères. De plus, à
l’issue de l’hydrolyse, le principe même de percolation permet d’obtenir directement
un sirop sans qu’il y ait besoin d’une quelconque étape de séparation. Cependant,
malgré ces progrès plusieurs désavantages demeurent. Pour atteindre des taux
d’hydrolyses significatifs (jusque 40 % de rendement), il est nécessaire de traiter
successivement un même lot de substrat avec des volumes (jusqu’à 12 fois) d’acide. Dans
le procédé pratiqué par Scholler, ce traitement à répétition, dans lequel chaque étape
durait 20 min, prolongeait le temps de séjour de la biomasse dans le réacteur sur des
périodes allant jusqu’à 14 h, et diluait considérablement l’hydrolysat (teneur en sucre
finale de 3 à 4 % p/p). Dans ces conditions, des goudrons, produits finaux de la
décomposition des pentoses, s’accumulaient dans le réacteur et les hydrolysats dilués
nécessitaient une étape de concentration, coûteuse sur le plan opérationnel, avant
l’étape de fermentation (Grethlein, 1978). Enfin, il est à noter que dans la méthode
de percolation, la solubilisation progressive de la biomasse au cours de l’hydrolyse
provoque la diminution du volume de la phase stationnaire. Cette diminution peut
conduire à l’affaissement de la phase stationnaire et au bouchage de la percolation
ou, au contraire, à une augmentation du volume mort et donc une baisse de
l’efficacité du traitement acide (Grethlein, 1978 ; Lee et al., 1999).
Figure 2 Représentation simple d’un réacteur à percolation.
Malgré ces défauts, l’hydrolyse par percolation a été pratiquée par Scholler à
l’échelle industrielle en Allemagne, et puis à l’échelle pilote aux États-Unis. Lors
de cette dernière expérience (dite « Madison process »), plusieurs aspects du
fonctionnement ont été améliorés (Gilbert et al., 1952 ; Harris et Beglinger, 1946). En
particulier, la taille des particules de biomasse a été optimisée pour obtenir un
écoulement uniforme de l’acide à travers la phase stationnaire ainsi qu’une vitesse
de diffusion maximale de l’acide dans les particules. De plus, le procédé a été
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pratiqué de manière totalement continue grâce à l’introduction de la solution acide
(l’acide sulfurique à une concentration de 0,5 à 0,6 % p/p) sous pression dans le
réacteur (de manière continue) et l’extraction (continue) des hydrolysats. Au cours
du procédé la température de l’acide a été portée jusqu’à un maximum de 185 °C et
la durée totale du traitement a été de 3,5 h. Le rendement en sucres a été
systématiquement supérieur à 48 % et la concentration des hydrolysats atteignait un
maximum de 5 % p/p.
2.1.1.2. État de l’art
Il est connu depuis longtemps que, face à un traitement acide pratiqué à haute
température, les hémicelluloses sont hydrolysées avant la cellulose. Scholler
luimême avait constaté que les premières fractions issues de son procédé étaient plus
riches en pentoses que les fractions ultérieures. En conséquence, plusieurs procédés
visant le fractionnement différentiel des pentoses et des hexoses ont été envisagés
(Dunning et Peoria, 1948). Depuis des études ont montré que dans des conditions
acides diluées et pour des températures inférieures à 160 °C, l’hydrolyse de la
fraction hémicellulosique se déroule de manière hétérogène, ce qui est dû à
l’hétérogénéité chimique des hémicelluloses. Au-dessus de 160 °C, l’hydrolyse des
hémicelluloses devient homogène et une auto-hydrolyse (provoquée par la libération d’acide
glucuronique et de l’acide acétique) est observée (Grohmann et al., 1985 ; Lee et
al., 1999). Quant à la cellulose, une température supérieure à 200 °C et des
conditions acides (pH 2,5), sont nécessaires pour provoquer son hydrolyse totale (Choi et
Matthews, 1996). Cependant, de telles conditions induisent la décomposition rapide
des sucres, notamment des pentoses, et conduisent donc à une baisse du rendement
en sucres et une augmentation des produits de décomposition (furfural,
hydroxyméthyl furfural, acide acétique,v etc.) qui sont toxiques pour les micro-organismes
fermentaires (Larsson et al., 1999). Par conséquent, pour hydrolyser la matière
lignocellulosique, il est préférable d’employer une stratégie en deux étapes et d’associer
l’utilisation d’une température élevée à un temps de réaction très court.
À ce jour, un seul procédé permettant l’obtention à l’échelle pilote d’un taux
d’hydrolyse supérieur à 80 % a été développé. Ce procédé de « circulation à
contre-cou1rant » a été développé par les chercheurs du NREL aux États-Unis. Il est fondé sur
l’utilisation de deux phases mobiles dont les directions de circulation dans la
chambre de réaction sont opposées (Lee et al., 1999). Une première phase est constituée
par une suspension de matière solide (la lignocellulose) et une deuxième par la
solution d’acide. Dans le schéma réactionnel de ce système (figure 3), la production
maximale de sucres est réalisée à proximité de la sortie du liquide. Ainsi, le temps
de contact entre les sucres et l’acide est limité, et des températures très élevées
peuvent être employées (jusqu’à 230 °C) en association avec une faible concentration en
acide (0,08 % p/p d’acide sulfurique). De plus, l’élévation étagée de la température
de la chambre de réaction permet l’extraction différentielle des hémicelluloses et la
cellulose.
1. National Renewable Energy Laboratory.
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Figure 3 Principe de fonctionnement d’un réacteur employant un système de
circulation à contre-courant.
Cette technologie très performante souffre néanmoins d’un défaut majeur sur le
plan pratique. En effet, il est assez difficile de traiter des tonnages importants
lorsque la biomasse constitue une phase mobile.
De ce point de vue, une innovation plus ancienne initialement proposée par
Scholler, simulant la circulation à contre-courant, constitue une bonne solution de
compromis permettant le traitement de volumes importants tout en obtenant des
rendements en sucres élevés (jusqu’à 80 %) (Parisi, 1989). Ce système est composé de
plusieurs réacteurs à percolation installés en série (figure 4). Initialement, le premier
réacteur (1) sert au remplissage alors que le dernier (7) sert à la vidange. Les autres
réacteurs se trouvant entre ces deux extrêmes assurent l’hydrolyse. Dans un premier
cycle, l’acide chaud entre dans le réacteur 6 et sort du réacteur 2 et entre dans un
ballon de détente où l’hydrolyse est aussitôt arrêtée. Pour le deuxième cycle, l’acide
chaud entre dans le réacteur 5 et sort du réacteur 1. Simultanément, le réacteur 7 est
désormais rempli de biomasse et le réacteur 6 vidangé. Ainsi, les cycles successifs
font « avancer » la biomasse qui est progressivement hydrolysée. En pratique, les
réacteurs n’étant pas mobiles, un système de vannes est employé pour isoler les
réacteurs les un après les autres. Comme pour le procédé de percolation simple, une
diminution de la phase stationnaire au cours de l’hydrolyse est néanmoins constatée.
Ce phénomène, associé aux problèmes de transfert de chaleur et de masse, diminue
le rendement en sucres, qui est en-dessous de la valeur théorique de 80 %.
Une dernière innovation pouvant être associée aux méthodes de circulation à
contre-courant décrites ci-dessus met à profit la diminution de la phase stationnaire.
2La méthode d’hydrolyse dite « shrinking bed » (Lee et al., 1999) tient compte de la
diminution du volume de la phase stationnaire au cours de l’hydrolyse et diminue en
conséquence le volume de la solution d’acide. Ainsi, le rapport solide/liquide demeure
2. Rétrécissement de la phase stationnaire.
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