La lignine, l'un des polymères naturels les plus abondants sur Terre, est présente dans toutes les parois cellulaires des plantes vasculaires. Son nom est dérivé du latin Lignum (qui signifie bois). Les chercheurs et les acheteurs industriels se préoccupent de plus en plus de la qualité de la lignine, car elle est perçue comme une matière première essentielle pour les produits durables de la prochaine génération. Dans ce qui suit, les connaissances sur la lignine, allant de la biologie fondamentale aux applications industrielles, seront expliquées.
En tant que substitut naturel des produits pétrochimiques, la lignine attire de plus en plus d'investissements et de recherches en raison des préoccupations mondiales liées à la pollution plastique et aux émissions de carbone.
1. Qu'est-ce que la lignine ?
La lignine est un type de biopolymères phénoliques naturels complexes, et elle représente 15-30% du poids sec du bois. Elle fonctionne comme le squelette d'une plante pour en supporter le poids. Il permet également le transport efficace de l'eau des racines à la cime des arbres. En outre, il peut renforcer la paroi cellulaire, empêcher la perte d'eau et protéger la plante contre les infections bactériennes ou fongiques.
La lignine est un élément essentiel du cycle mondial du carbone, puisqu'elle représente environ 30% de l'ensemble du carbone organique sur Terre. Plus de 300 milliards de tonnes de lignine sont stockées dans les plantes vivantes du monde entier, ce qui en fait l'une des matières organiques les plus riches de la planète.
La paroi cellulaire des plantes est composée de lignine et de cellulose, la cellulose assurant le soutien structurel et la lignine la rigidité et la résistance à l'eau. La structure composite naturelle est plus efficace que la plupart des matériaux composites artificiels.
2. D'où vient la lignine ?
La lignine est présente dans les parois cellulaires des plantes vasculaires, y compris les arbres, le bambou et les résidus agricoles tels que la paille et la paille de maïs. La teneur et la structure de la lignine dans les bois durs et les bois tendres sont complètement différentes. Il y a 25-35% de lignine dans les résineux, comme les pins, et 18-25% de lignine dans les feuillus, comme les chênes. La teneur en lignine des plantes non ligneuses, telles que les plantes herbacées, est la plus faible et ne représente que 15-20%.
La différence de contenu et de structure affecte directement l'application industrielle. Outre les bois, l'agriculture produit chaque année des milliards de tonnes de déchets contenant de la lignine. Les sources potentielles de lignine, notamment la balle de riz, la bagasse de canne à sucre et la paille de blé, ne sont pas entièrement utilisées de nos jours.
Le coût de l'extraction de la lignine est faible car il s'agit à l'origine d'un déchet agricole. Il y a 700 millions de tonnes de paille produites chaque année, et elles fournissent des matières premières presque gratuitement si la lignine peut être extraite efficacement.
3. Qui a découvert la lignine ?
En 1838, un fabricant de produits chimiques français, Anselme Payen, a découvert par hasard deux substances différentes après avoir traité du bois à l'aide d'acide nitrique et de solutions alcalines. L'une d'entre elles était appelée cellulose et l'autre était décrite comme un matériau de revêtement. Il a fallu un siècle pour percer le secret de cette découverte.
En 1865, un botaniste allemand, Frank Schulze, a donné à la matière de revêtement le nom de lignine, dérivé du latin Lignum. Certains scientifiques, comme Karl Freudenberg, ont élucidé la structure chimique complexe de la lignine au 20e siècle. La déconstruction complète à partir de la découverte initiale a pris plus de 100 ans.
La découverte de Payen est une avancée chimique importante du 19e siècle. Elle a jeté les bases de l'industrie papetière et a également initié la recherche systématique sur les parois cellulaires des plantes, qui a propulsé le développement des biocarburants et des biomatériaux par la suite.
4. Types de lignine
La lignine peut être classée en fonction de son origine végétale ou de sa technique d'extraction. Il est plus pratique pour les acheteurs et les ingénieurs de classer la lignine en fonction de la technique d'extraction, car elle détermine la pureté, la solubilité et le domaine d'application.
Classés par origine végétale |
● La lignine des résineux est principalement composée d'unités de gaïacyle (G), tandis que la lignine des feuillus est composée d'unités de gaïacyle (G) et de syringyle (S). ● Les plantes herbacées contiennent en plus des unités p-hydroxyphényl (H). |
Classés par technique d'extraction |
● La lignine kraft est la plus courante et représente 85% de la lignine industrielle mondiale. Elle est le sous-produit de l'industrie papetière et est principalement brûlée pour la production d'électricité. ● Le lignosulfonate est produit par le procédé du sulfite, très soluble dans l'eau. Il est très commercialisé et son prix le plus bas est d'environ $50 la tonne. ● La lignine Organosolv est le type de lignine présentant la plus grande pureté. Elle convient aux applications haut de gamme telles que la fibre de carbone et les produits pharmaceutiques, mais à un prix élevé de $750 la tonne. ● La lignine de soude est fabriquée à partir de plantes non ligneuses telles que la paille et la bagasse de canne à sucre. Elle ne contient pas de soufre et convient à un usage particulier. |
Le choix de la lignine dépend du budget et de l'utilisation. Le lignosulfonate peut être un choix économique s'il est utilisé comme additif pour le béton ou l'alimentation animale. Pour les systèmes d'administration de médicaments à base de nanoparticules ou les matériaux composites à haute performance, la lignine Organosolv est recommandée en raison de sa grande pureté. Cependant, le coût peut être multiplié par 10.
5. Comment la lignine est-elle produite ?
La lignine industrielle est un sous-produit de l'industrie papetière. La méthode la plus répandue est le procédé Kraft. Après avoir décomposé le bois à haute température à l'aide d'hydroxyde de sodium et de sulfure de sodium, la lignine est extraite et la cellulose est conservée pour la fabrication du papier.
Environ 50 millions de tonnes de lignine sont produites chaque année par le procédé Kraft. Cependant, 98-99% de lignine étaient brûlées pour produire de l'électricité, ce qui entraînait des déchets. Cette situation est en train de changer dans l'industrie grâce à l'extraction par solvant eutectique profond et par liquide ionique, qui permet de produire de la lignine d'une plus grande pureté. Bien que le coût soit élevé, de plus en plus de lignine est introduite dans les laboratoires et sur le marché grâce à la maturation de la technologie.
La raison pour laquelle la lignine est brûlée dans une usine de fabrication de papier est raisonnable. En effet, la lignine est un combustible à haute énergie qui peut fournir suffisamment de vapeur et d'électricité à l'usine pendant la combustion. L'usine doit investir dans des unités d'extraction et de purification supplémentaires pour modifier le système actuel, qui n'offre pas d'incitations financières suffisantes à court terme.
6. Applications de la lignine
Bien que la majeure partie de la lignine ait été brûlée, la partie commercialisée est déjà largement utilisée. L'un des exemples les plus réussis est celui de la vanilline, dont 15% sont extraites de la lignine. La valeur marchande estimée de la vanilline a atteint 150 millions de dollars américains, et il s'agit de l'une des applications commerciales les plus abouties de la lignine.
Dans l'industrie de la construction, le lignosulfonate peut être utilisé comme réducteur d'eau pour le béton, ce qui peut améliorer les performances de la construction. Dans le domaine de l'agriculture, la lignine peut être utilisée comme conditionneur de sol et comme liant d'engrais à libération lente. Dans le domaine de la fibre de carbone, le précurseur de lignine peut réduire le coût de la fibre de carbone de $20-30 par kg à $5-10 par kg. Il est bénéfique pour les industries automobile et aérospatiale après sa commercialisation.
En outre, il existe des applications potentielles dans l'industrie textile. La lignine peut être transformée en colorants naturels et en modificateurs textiles. Dans l'industrie électronique, les matériaux carbonés dérivés de la lignine sont étudiés en tant que matériaux d'électrode pour les supercondensateurs et les batteries, ce qui pourrait devenir un substitut durable aux batteries au lithium à l'avenir.
7. L'importance de la lignine pour le développement durable
Environ 50 millions de tonnes de lignine sont brûlées chaque année dans les usines de papier, ce qui équivaut à un gaspillage de $25 milliards de matières premières chimiques potentielles. Les émissions de carbone peuvent être considérablement réduites en ne remplaçant qu'une petite partie des plastiques et des produits chimiques à base de pétrole par des alternatives dérivées de la lignine.
Les gouvernements accordent de plus en plus d'attention à cette question. La stratégie de l'UE en matière de bioéconomie et le Bureau des technologies bioénergétiques font de la lignine un matériau à développer en priorité. L'importance de la lignine en tant que matière première renouvelable et biodégradable continuera de croître en raison de la tendance mondiale à l'élimination progressive des combustibles fossiles.
Pour le grand public, le développement de la lignine signifie qu'à l'avenir, les emballages, les pièces automobiles et les gélules de médicaments pourront être dérivés du bois ou des déchets agricoles, mais pas du pétrole. Certains produits dérivés de la lignine sont déjà sur le marché.
8. L'avenir des matériaux à base de lignine
La valeur estimée du marché mondial de la lignine était d'environ 800 millions de dollars US en 2023 et devrait atteindre 1,6 milliard de dollars US en 2030. Le taux de croissance annuel composé est d'environ 10%. Les domaines où la croissance est la plus forte sont la fibre de carbone, les bioplastiques et les systèmes d'administration de médicaments à base de nanoparticules.
Le plus grand défi du développement de la lignine est l'instabilité de sa structure. Le contenu de la lignine provenant de différentes plantes ou techniques d'extraction varie considérablement, ce qui rend difficile sa normalisation pour une utilisation haut de gamme. La lignine sera l'un des matériaux de base de la bioéconomie si le problème du contrôle de la qualité peut être résolu.
La fibre de carbone à base de lignine est actuellement la plus proche d'une commercialisation à grande échelle. Le laboratoire national d'Oak Ridge a réussi à produire de la fibre de carbone de qualité automobile à partir de lignine. Ford Motor Company et General Motors Company testent actuellement ces pièces. Le poids du véhicule peut être réduit jusqu'à 10% si la production de masse est possible, et le rendement énergétique peut être amélioré en conséquence.
