Accueil     Plan | Recherche     Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base  
Le logo du CERIG MÉMOIRE Cerig 
Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > La bioraffinerie, une voie d'avenir pour les usines de pâte à papier Révision : 7 février 2013  
La bioraffinerie, une voie d'avenir pour les usines de pâte à papier
 
             Alice REJSEK et Jean-Baptiste PETRY

Élèves ingénieurs 2e année
Juin 2012
Mise en ligne - Février 2013

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

       
  Plan  
I - Introduction
II - Matériau lignocellulosique, objet de convoitise
III - Bioraffinerie et procédés papetiers
IV - Environnement concurrentiel et perspectives
V - Scénarios
  VI - Bibliographie - Webographie  
Mémoire précédent    Liste des mémoires    Page technique    Mémoire suivant
Précédent Liste Thèmes Suivant

I - Introduction

Plan

   
Partagez sur Facebook
Rejoignez-nous
Voir aussi
                 
  Figure 1 - Bioraffinerie
[B. Kamm et al.]
 

La concurrence des pays émergents touche de plus en plus les industries françaises de fabrication de pâte à papier. En effet, les unités de production de pâte brésiliennes et chinoises notamment bénéficient d’un coût de revient très attractif, principalement en raison du faible coût de la matière première constituée de bois feuillus d’eucalyptus. De plus, ces usines ont des capacités de production bien supérieures à celles des usines françaises. À titre de comparaison, l’usine brésilienne d'Eldorado Celulose e Papel, située dans la municipalité Três Lagoas, peut produire 1,5 million de tonnes de pâte par an contre seulement 300 000 tonnes pour l’usine française de Fibre Excellence à Tarascon. Cela permet donc à ces sites industriels gigantesques d’améliorer le coût d’investissement à la tonne produite.

Affronter cette concurrence et assurer la pérennité des usines françaises : cette urgente nécessité implique d’adopter un nouveau modèle économique qui pourrait être celui de la bioraffinerie papetière. Il s’agit de mettre en place une stratégie industrielle fondée sur la valorisation de chaque constituant du bois pour fabriquer des produits "verts" à forte valeur ajoutée.

Dans le même temps, la majorité des produits chimiques actuels sont issus du pétrole. Or, étant donnés la raréfaction des ressources pétrolières, les enjeux géopolitiques qu’elles engagent et leur nocivité pour l’environnement et la santé, il est urgent de leur trouver un substitut. C’est précisément le rôle que peut endosser la chimie du végétal (ou chimie "verte") grâce au développement de bioraffineries permettant d’obtenir la même gamme de produits chimiques à partir de la biomasse d’origine lignocellulosique.

La bioraffinerie est l’ensemble des procédés industriels qui transforment la biomasse lignocellulosique en énergie, en combustibles "verts" et en une variété de produits chimiques commerciaux [Figure1].

Il existe deux grandes familles de procédés industriels : les procédés de séparation chimique et les procédés thermiques. Différents procédés sont compatibles avec les usines de pâte à papier : la gazéification des liqueurs noires, l’extraction des hémicelluloses ou encore la production de lignosulfonates.

L’industrie des pâtes et papiers bénéficie de nombreux atouts pour intégrer efficacement les procédés de bioraffinerie. Tout d’abord, la matière première qu'elle utilise, la biomasse forestière, possède deux propriétés essentielles : être renouvelable et disponible en grande quantité. Ceci est évidemment à mettre en regard avec l’évolution du prix des matières fossiles comme le pétrole.

Ensuite, les connaissances en chimie du bois, les infrastructures industrielles déjà en fonction et la gestion d’importantes chaînes d’approvisionnement de la matière première lignocellulosique constituent un socle favorisant l'essor de la bioraffinerie. Ce dernier peut aussi être accentué par la collaboration des usines de pâte avec des acteurs de l’industrie chimique. C'est le cas par exemple du partenariat entre le fabricant de pâte Lenzing et le fournisseur de produits pour le secteur alimentaire Danisco : ce dernier traite la liqueur de cuisson de Lenzing afin d'extraire par chromatographie le xylose, composant de base du xylitol utilisé pour son pouvoir rafraîchissant notamment dans les chewing-gums. La liqueur est ensuite réimplantée dans le procédé de cuisson papetier.

Enfin, l’avantage le plus significatif réside sans doute dans les procédés de cuisson du bois qu’utilisent les usines de pâte. En effet, les cuissons kraft et bisulfite remplissent un rôle de séparateur du bois dans ses constituants élémentaires. Il n’est donc pas nécessaire d’inventer de nouveaux procédés, il suffit de les optimiser en fonction des produits à valoriser.

Les Figures 2 & 3 montrent les différences des flux entrants et sortants entre une usine de pâte à papier classique et une usine de pâte à papier ayant intégré la bioraffinerie.

                Usine de pâte à papier classique   Usine de pâte ayant intégré la bioraffinerie      
  Figure 2 - Usine de pâte à papier classique
[P. Stuart]
  Figure 3 - Usine de pâte à papier ayant intégré la bioraffinerie
[P. Stuart]
 
         

Il faut noter que les activités liées à la bioraffinerie viennent en complément de la fabrication de pâte à papier qui demeure le cœur de métier de ces usines. Cette diversification permet d’accroître leur rentabilité.

II - Matériau lignocellulosique, objet de convoitise

Plan

II-1 - Composition du bois

La biomasse végétale terrestre croît de 180 milliards de tonnes par an. Or,  5% seulement de cette croissance annuelle sont consommés par l’Homme. Ces chiffres symbolisent tout le potentiel du matériau lignocellulosique : une ressource abondante et renouvelable ayant un impact mesuré sur l’environnement puisqu’elle s’inscrit totalement dans le cycle du carbone. On dit alors qu’une usine de pâte à papier est un puits de CO2.

Le bois est composé principalement d’hydrates de carbone (cellulose et hémicelluloses), de lignine et de matières extractibles dans des proportions variant d’une essence à l’autre [Tableau 1].

                Composition chimique des différentes essences lignocellulosiques (% en masse)      
  Tableau 1 - Composition chimique des différentes essences lignocellulosiques (% en masse)
[D. Lachenal]
 
     

II-2 - Applications possibles de chaque composant du bois

Jusqu’à présent, l’industrie papetière utilise ses déchets de production pour générer l’énergie dont elle a besoin pour son activité de fabrication. Avec la bioraffinerie, elle pourrait aller au-delà de cette seule action, déjà encourageante. En effet, chacun des constituants du bois, associé à un ou plusieurs procédés chimiques ou thermiques, peut être valorisé afin de fabriquer des produits commerciaux [Figure 4].

                Vue synthétique des applications de la matière première lignocellulosique      
  Figure 4 - Vue synthétique des applications de la matière première lignocellulosique
[B. Kamm et al.]
 
     

II-2-1 - Cellulose

La cellulose est le biopolymère le plus abondant sur la planète et représente environ 50% (en masse sèche) de la biomasse lignocellulosique. C’est un polymère de β-glucose [Figure 5] et, à l’état natif, son degré de polymérisation est de l’ordre de 10 000.

                Représentation chimique de la cellulose      
  Figure 5 - Représentation chimique de la cellulose
[D. Lachenal]
 
     

À partir de la cellulose, il est possible d'obtenir du sorbitol, de la cellulose de spécialités utilisée dans le textile (cellulose régénérée ou viscose), des dérivés comme la carboxyméthyle cellulose (CMC), du glucose ou encore de l’éthanol.

II-2-2 - Hémicelluloses

Ce sont des polysaccharides. Leur degré de polymérisation est compris entre 50 et 150. Elles représentent environ 25% (en masse sèche) de la biomasse lignocellulosique. La composition des hémicelluloses est différente pour des bois feuillus et pour des bois résineux. Les hémicelluloses de feuillus sont en majorité composées de xylanes [Figure 6] alors que les hémicelluloses de bois résineux sont composées en majorité de glucomannanes [Figure 7]. Les sucres monomères présents sont en autres :le xylose, le glucose, l’arabinose et le mannose.

                Représentation chimique du xylane      
  Figure 6 - Représentation chimique du xylane
[D. Lachenal]
 
     
                Représentation chimique du glucomannane      
  Figure 7 - Représentation chimique du glucomannane
[D. Lachenal]
 
     

Il est possible de valoriser ces hémicelluloses dans les produits suivants :

II-2-3 - Lignine

La lignine est un co-polymère d’unités phényl-propane (avec 9 carbones) [Figure 8]. Elle représente environ 25% (en masse sèche) de la biomasse lignocellulosique. Les liaisons peuvent être des liaisons éther ou des liaisons carbone/carbone. La lignine de feuillus est différente de la lignine de résineux. Dans le bois de feuillus, le noyau aromatique de la lignine comporte deux groupements méthoxyle (-OCH3) : cette lignine est dite syringyle. Dans le bois de résineux, la lignine ne comporte qu’un seul groupement méthoxyle : il s'agit de lignine gaïacyle.

                Représentation chimique de la lignine      
  Figure 8 - Représentation chimique de la lignine
[D. Lachenal]
 
     

Les applications de la lignine sont nombreuses :

La Figure 9 ci-dessous détaille les domaines d’application de la lignine.

                Les différentes applications de la lignine      
  Figure 9 - Les différentes applications de la lignine
[B. Kamm et al.]
 
     

II-2-4 - Extraits

Il existe de nombreux extraits relatifs au procédé de fabrication des pâtes à papier. Cependant, nous ne citons ici que les extraits valorisables.

                Exemples de terpènes      
  Figure 10 - Exemples de terpènes
[C. Chirat]
 
     
                Exemples de diterpènes      
  Figure 11 - Exemples de diterpènes
[C. Chirat]
 
     

Les produits récupérés sont le tall oil et l’essence de térébenthine dont les applications, en cosmétique et en parfumerie notamment, sont nombreuses.

La Figure 12 ci-dessous synthétise les applications des principaux composants du bois

                Schéma des principales applications des différents composés de la biomasse lignocellulosique      
  Figure 12 - Schéma des principales applications des différents composés
de la biomasse lignocellulosique
[C. Chirat]
 
     

III - Bioraffinerie et procédés papetiers

Plan

La bioraffinerie papetière regroupe de nombreuses techniques potentiellement applicables dans les usines. Toutefois, elles ne sont pas toutes viables économiquement. Les procédés présentés ci-dessous sont ceux qui ont gagné en notoriété et/ou qui en sont au stade de l’industrialisation.

III-1 - Bioraffinerie dans le procédé bisulfite

III-1-1 - Bioraffineries existantes

Les usines de pâte à papier utilisant la cuisson du bois au bisulfite sont minoritaires puisqu’elles ne représentent que 5% de la production de pâte chimique mondiale (qui représente environ 75% de la production mondiale totale de pâte). Ce faible pourcentage s’explique par le fait que la pâte bisulfite est de moins bonne qualité que la pâte kraft car le milieu acide de la cuisson bisulfite dégrade les fibres de cellulose.

Cependant, en matière de bioraffinerie, ce procédé est prometteur. Il permet en effet d’obtenir de la cellulose pure pour un usage chimique : on parle alors de cellulose de spécialités. Autre intérêt : ce procédé permet d’obtenir des produits chimiques comme les résines, les lignosulfonates ou encore l’éthanol.

Tembec - Usine de Tartas (France)

En 2012, elle abandonne définitivement la production de pâte fluff à usage sanitaire pour se consacrer uniquement à la production de cellulose de spécialités. La Figure 13 représente l’ensemble des produits fabriqués par la bioraffinerie de Tembec Tartas.

                     
  Figure 13 - Produits fabriqués par la bioraffinerie de Tembec Tartas
[D. Sens]
 
     

Tartas produit chaque année 70 000 tonnes de lignine alcaline, 2 500 tonnes de savon de tall oil, 310 000 tonnes de liqueur noire et 150 000 tonnes de cellulose de spécialités. Cette dernière catégorie regroupe l’acétate de cellulose, les éthers de cellulose, la nitrocellulose et la cellulose microcristalline, ayant toutes des applications distinctes.

Tembec - Usine de Témiscaming (Canada)

C'est l’une des plus importantes usines du groupe Tembec. Elle fabrique aussi bien du carton que des produits chimiques et de la cellulose de spécialités. Pour cette dernière, la production annuelle est légèrement plus importante que celle de l'usine de Tartas avec 160 000 tonnes. En plus des 90 000 tonnes annuelles de lignosulfonates, l'unité de Témiscaming produit 47 000 tonnes de résines phénoliques et formaldéhyde. Enfin, 12 millions de litres d’éthanol de seconde génération certifié FSC sont produits chaque année et trouvent acquéreurs dans les secteurs pharmaceutique et cosmétique.

III-1-2 - Lignosulfonates, composés chimiques à forte valeur ajoutée

Les lignosulfonates proviennent de la sulfonation de la lignine lors de la cuisson bisulfite [Figure 14].

                Sulfonation de la lignine      
  Figure 14 - Sulfonation de la lignine
[D. Lachenal]
 
     

Les lignosulfonates sont employés comme produits agglomérants et dispersants dans de nombreux secteurs comme l’agriculture, le bâtiment (adjuvant du béton) ou la fabrication des pneus en substituant le noir de carbone.

La liqueur de cuisson bisulfite peut être fermentée afin d'obtenir de l’éthanol [Figure 15].

                Schéma du principe d’obtention de lignosulfonates à partir de liqueur de cuisson bisulfite      
  Figure 15 - Schéma du principe d’obtention de lignosulfonates à partir de liqueur de cuisson bisulfite
[B. Kamm et al.]
 
     

Elle peut aussi subir une étape d’ultrafiltration permettant d’extraire les hémicelluloses. La société Innventia a mis au point ce procédé d’ultrafiltration grâce à l’utilisation d’une membrane en céramique [Figure 16].

                Installation pour l'ultrafiltration de la liqueur de cuisson bisulfite      
  Figure 16 - Installation pour l'ultrafiltration
de la liqueur de cuisson bisulfite
[Innventia]
 
     

III-2 - Bioraffinerie dans le procédé kraft

La majorité des usines de pâte fonctionnent avec le procédé kraft. Nombre d'entre elles cherchent à se doter d’unités de bioraffinerie afin de valoriser le maximum de produits tout en continuant à produire de la pâte à usage papetier. La Figure 17 illustre les différents flux et leur composition lors du procédé kraft.

                Schéma des différents flux et de leur composition lors du procédé kraft      
  Figure 17 - Schéma des différents flux et de leur composition lors du procédé kraft
[D. Lachenal]
 
     

Des technologies destinées à valoriser le maximum de composés du bois lors du procédé kraft sont soit en cours de recherche, soit au stade pilote, soit au stade de la production industrielle.

Des recherches sont menées partout dans le monde dans des centres scientifiques : Innventia, FPInnovations, Paprican, Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2), SCION, Bioraffinerie Recherches et Innovations (BRI)...

En France, plusieurs projets de recherche sont menés dans le domaine de la bioraffinerie et le LGP2, laboratoire de recherche CNRS présent à Grenoble INP-Pagora, y participe :

Par ailleurs, le Pôle de compétitivité Xylofutur, porté par l’Institut du Pin et les industriels papetiers du Sud-Ouest, propose aussi de nombreux projets liés à la bioraffinerie.

Sur le plan mondial, les États-Unis dominent le domaine de la bioraffinerie en affichant un nombre de projets liés à cette thématique supérieur à la vingtaine [Figure 18] suivis par le Canada et la Scandinavie.

                Répartition des différents projets américains liés à la bioraffinerie      
  Figure 18 - Répartition des différents projets américains liés à la bioraffinerie
[US Department of Energy]
 
     

III-2-1 - Procédé d'extraction et de valorisation de la lignine

                Schéma du principe d’extraction de la lignine      
  Figure 19 - Schéma du principe d’extraction de la lignine
[B. Kamm et al.]
 
     

LignoBoost est un procédé permettant d’extraire la lignine de la liqueur noire kraft [Vidéo 1]. Mis au point par les Suédois – la société Innventia en association avec l’Université Chalmers de Göteborg –, il a été acheté en 2008 par Metso convaincu de son potentiel prometteur.

                     
  Vidéo 1 - Green energy production in a coal-fired heat and power plant (Innventia)
[YouTube]
 
     

La Figure 20 ci-dessous montre qu’une partie de la liqueur noire en sortie du réacteur va dans un cuvier où elle est acidifiée par adjonction de dioxyde de carbone. Le pH descendant, la lignine de la liqueur noire précipite. Le reste de liqueur contenu dans la lignine ayant précipité est éliminé par pressage à l’aide de pressure filters. Ensuite, pour éviter les problèmes de précipitation (lignine précipitée mais inutilisable) et augmenter sa pureté, la lignine est conditionnée en milieu acide puis de nouveau pressée et lavée. Ces opérations aboutissent à un gâteau de lignine virtuellement pure (pureté de l’ordre de 90%).

                     
  Figure 20 - Schéma du procédé LignoBoost d'extraction de la lignine de la liqueur noire kraft
[Metso]
 
     

Les équipements utiles à ce procédé sont les suivants : tubes, équipement pour la précipitation, éventuellement cuviers de stockage de CO2, échangeurs de chaleur, pompes, pompes à vide, cuviers de stockage et deux à trois vertical plate pressure filters. [Figure 21].

                Vertical plate pressure filter VPA      
  Figure 21 - Vertical plate pressure filter VPA
[Metso]
 
     

Cette technologie est intéressante quand la production d’une usine est limitée par la capacité de sa chaudière à liqueur noire. Extraire 25% de la lignine contenue dans la liqueur noire par le procédé LignoBoost permet d’augmenter la production de pâte de 25%. En effet, en réduisant le taux de lignine, principal combustible de la liqueur noire, il faut augmenter la production de cette dernière, et par conséquent de pâte, afin d'équilibrer le bilan énergétique de l’usine.

Une partie de la lignine extraite peut servir à faire fonctionner le four à chaux et ainsi réduire la consommation de carburant fossile de l’usine. Après extraction, la lignine peut également être modifiée, principalement par sulfométhylation [Figure 22].

                Réaction de sulfométhylation de la lignine      
  Figure 22 - Réaction de sulfométhylation de la lignine
[D. Lachenal]
 
     

III-2-2 - Récupération des extraits

Lors de la cuisson, les esters gras sont hydrolysés et une partie des extraits s'évapore. Les tannins sont dégradés et solubilisés, les terpènes passent dans la phase vapeur au dessus de 100°C mais peuvent être récupérés. Les acides résiniques, quant à eux, sont partiellement solubilisés dans la liqueur noire et peuvent être partiellement récupérés après évaporation de la liqueur noire. Les acides gras se retrouvent sous forme de savon (sels d’acides gras) à la surface de la liqueur noire et sont entièrement récupérables. En revanche, les lignans, les phénols et le glycérol solubilisés dans la liqueur noire ne sont pas récupérables.

La Figure 23 présente les différents lieux de récupération des extraits comme le tall oil et l'essence de térébenthine au cours du procédé de fabrication de la pâte kraft.

                Localisation des points d'extraction du tall oil et de la térébenthine      
  Figure 23 - Localisation des points d'extraction du tall oil et de la térébenthine
[D. Lachenal]
 
     

Essence de térébenthine

L’essence de térébenthine (ou turpentine) est constituée de terpènes passés en phase vapeur. Cette dernière est récupérée lors de l’étuvage des copeaux avant leur entrée dans le réacteur de cuisson puis elle est condensée.

Tall oil

C'est un mélange d’acides gras et d’acides résiniques. L'intérêt est que la majorité de ces acides ne peuvent être synthétisés par voie chimique et sont uniquement présents dans la nature (par exemple, l’acide abiétique). Durant la cuisson kraft, les acides sont saponifiés et deviennent partiellement solubles dans la liqueur noire car la cuisson se déroule en milieu alcalin. Ces produits organiques, plus légers que la liqueur, remontent à la surface. Leur récupération passe par un raclage en surface de la liqueur noire durant son évaporation, puis une acidification  reforme les acides gras selon la réaction suivante :
2RCOONa + H2SO4 → 2RCOOH + Na2SO4

Il en résulte la crude tall oil (CTO), une huile vendue à des usines qui la distillent afin de fabriquer du tall oil rosin (TOR), du tall oil fatty acids (TOFA) et du distilled tall oil (DTO) [Figure 24].

                     
  Figure 24 - Schéma du procédé d'extraction et de distillation du tall oil
[H. Wansbrough]
 
     

Il est possible de récupérer de 10 à 50 kg de CTO par tonne de pâte produite.

III-2-3 - Gazéification de la liqueur noire

La gazéification est un procédé thermochimique qui convertit tout matériau contenant du carbone en gaz de synthèse appelé syngas. La gazéification de la liqueur noire permet de produire d'une part, de l’énergie et d'autre part, des carburants liquides et autres produits chimiques comme par exemple du méthanol. La Figure 25 ci-dessous présente l’intégration d’un procédé de gazéification de la liqueur noire à une usine de pâte.

                Schéma d'intégration d'un procédé de gazéification de la liqueur noire à une usine de pâte      
  Figure 25- Schéma d'intégration d'un procédé de gazéification de la liqueur noire à une usine de pâte
[Landälv I.]
 
     

Deux procédés permettent la gazéification de la liqueur noire : un procédé sous pression atmosphérique et à basse température développé par ThermoChem Recovery International et un procédé sous haute pression et haute température développé par Chemrec.

Le procédé de ThermoChem Recovery International fonctionne à une température de 600°C et à pression atmosphérique. L’air et le combustible sont introduits dans la chambre de combustion et le tout est enflammé grâce à une flamme pilote. La dilatation de la chambre de combustion et les gaz chauds s’engouffrent dans les tubes. Ils créent un vide dans la chambre de combustion qui contribue à faire rentrer de nouveau le mélange air-combustible dans la chambre de combustion. Cela cause aussi l’inversion du flux de gaz chaud qui revient vers la chambre de combustion et la comprime. Le nouveau mélange est enflammé par ce phénomène et le cycle se répète à une certaine fréquence, le plus souvent 60 Hz [Figure 26].

                Procédé de gazéification de la liqueur noire de ThermoChem Recovery International      
  Figure 26 - Procédé de gazéification de la liqueur noire
de ThermoChem Recovery International
[ThermoChem Recovery International]
Cliquer sur l'image pour voir l'animation
 
     

La technologie de gazéification mise au point par Chemrec – oxygen-blown entrained flow gasification – est appliquée à une température de 1000°C et à pression de 32 bar [Figure 27].

                     
  Figure 27- Procédé de gazéification de la liqueur noire de Chemrec
[Landälv I.]
 
     
                     
  Vidéo 2 - Chemrec AB Gasification Technology
[YouTube]
 
     

Ces deux technologies en sont encore au stade de pilote. Le procédé de ThermoChem Recovery International est testé dans deux usines : celle de Georgia Pacific à Big Island et celle de Cascades à Norampac-Trenton. Le procédé de Chemrec est en cours de développement à l’usine Smurfit Kappa Pitea.

Ce ne sont pas les seules technologies étudiées mais elles ont le mérite d’en être à un niveau de développement avancé. Des entreprises et centres de recherche s’intéressent à ce domaine et travaillent sur l'élaboration de procédés, encore au stade de la R&D. Pour les procédés à faibles températures (600°C), citons ABB, Weyerhaeuser, Texaco ou encore SCA-Billerud. Pour les procédés à hautes températures, SKF, Ahlstrom ou encore Paprican.

Le procédé de gazéification pourrait dépasser le seul cadre de la liqueur noire pour s’adapter aux boues de process et aux déchets ligneux.

III-2-4 - Pré-hydrolyse kraft

La pré-hydrolyse alcaline, étant la plus proche des procédés papetiers, est susceptible d’être la plus utilisée dans la bioraffinerie. Elle est encore à l’état de recherche et d’expérimentation.

Le pré-traitement alcalin est réalisé soit avec de la soude seule soit avec de la soude et d’autres produits (par exemple, hydroxyde de baryum Ba(OH)2). Habituellement, ce pré-traitement est fait dans les conditions suivantes : 8% d'hydroxyde de sodium NaOH (massique) avec un temps de séjour entre 30 et 60 minutes et une température comprise entre 80 et 120°C. L’hydrolyse alcaline des liaisons ester libère les hémicelluloses de la matrice lignocellulosique. Le résultat de la pré-hydrolyse alcaline dépend des conditions de traitement et de la nature de la biomasse traitée.

Même si ce procédé est peu agressif et permet au papier en sortie de conserver de bonnes propriétés mécaniques, ce pré-traitement s’accompagne d’une perte de 30 à 35% de la matière sèche initiale. Par ailleurs, le coût des réactifs utilisés, particulièrement celui de la soude, pénalise ce prétraitement.

A l’issue de cette pré-hydrolyse, on obtient une pre-hydrolyse liquor (PHL) destinée à subir une hydrolyse enzymatique puis à être fermentée. Il faut être très vigilant sur les conditions de ce pré-traitement car une trop grande quantité de certaines espèces chimiques résultant d’un pré-traitement trop poussé (le furfural par exemple) inhibe la fermentation du glucose en éthanol. Cette fermentation est rendue possible par l’action de levures, les saccharomyces cerevisiae, et suit la réaction :

                     
     

Pour les sucres en C5, il existe d’autres souches de levure permettant cette transformation. En théorie, une usine fabriquant 1000 tonnes de pâte par jour, serait à même de produire 250 tonnes d’éthanol par jour.

La Figure 28 ci-dessous shématise l'exemple d'une unité de pré-hydrolyse intégrée dans une usine de pâte.

                Schéma d'introduction d'une unité d'extraction des hémicelluloses 
  par pré-hydrolyse dans le procédé kraft afin de produire de l'acide acétique 
  et de l'éthanol      
  Figure 28 - Schéma d'introduction d'une unité d'extraction des hémicelluloses par pré-hydrolyse
dans le procédé kraft afin de produire de l'acide acétique et de l'éthanol
[H. Mao et al.]
Cliquer sur l'image pour l'agrandir
 
     

IV - Environnement concurrentiel et perspectives

Plan

IV-1 - Chaîne de valeur de la bioraffinerie papetière

                     
     

IV-2 - Variables essentielles et facteurs clés de développement

IV-3 - Analyse concurrentielle (diagramme de Porter)

Télécharger le diagramme de Porter

IV-4 - Diagnostic stratégique (matrice SWOT)

Cette analyse est réalisée dans le cadre de la France.

Forces Faiblesses
  • Ressources forestières importantes et gérées durablement
  • Industrie papetière française ancienne, bien implantée, avec du savoir-faire et des partenariats intéressants (ex. approvisionnement en matières premières)
  • Projets sur les techniques de bioraffinerie ou de valorisation des co-produits lignocellulosiques
  • Morcellement du territoire forestier détenu en grande partie par des propriétaires privé d'où l'exploitation insuffisante des ressources forestières.
  • Peu de R&D dans les usines de pâte françaises, propriétés de groupes internationaux dont les priorités sont ailleurs, et par manque d’investisseurs.
  • Pas d’expérience à l'échelle industrielle de techniques de bioraffinerie.
Opportunités Menaces
  • Hausse du prix du pétrole et intérêt pour les produits de substitution issus de la chimie "verte".
  • Volonté sociétale et politique d’amorcer un virage vers des produits bio-sourcés.
  • Alliances entre industrie papetière et industrie chimique pouvant attirer les investisseurs.
  • Concurrence des usines nord-américaines qui développent déjà massivement des technologies de bioraffinerie.

Tableau 2 - Analyse stratégique (SWOT) du développement de la bioraffinerie papetière

IV-5 - Tendances

De nombreux projets sont en cours afin de développer la bioraffinerie papetière. Dans ce domaine, l'avance des États-Unis est nette, favorisée par une politique volontariste soutenue par des subventions [Figure 29].

                     
  Figure 29 - Répartition des subventions américaines des projets liés à la bioraffinerie
[US Department of Energy]
 
     

De même, le Canada et les pays scandinaves ont misé sur la bioraffinerie plus tôt que la France.

L'Hexagone souffre d'un manque d'investissements dans ce domaine. Toutefois, des partenariats entre chimistes et papetiers commencent à se nouer : une évolution pouvant séduire les investisseurs potentiels. C'est un point fort pour la France qui peut compter sur plusieurs grands industriels de la chimie présents sur son territoire.

V - Scénarios

Plan

V-1 - Scénario favorable au développement de la bioraffinerie papetière

Grâce à la recherche, les procédés d’extraction et de valorisation des co-produits lignocellulosiques nécessitent un investissement moindre. Ces procédés innovants sont plus efficaces et énergétiquement auto-suffisants.

Au niveau industriel, ce développement de la bioraffinerie n'affecte pas la production principale des usines papetières à savoir de la pâte. Même si les subventions ne sont guère encourageantes, la demande sociétale est assez élevée et la filière est portée par les industriels.

En effet, les industriels de la papeterie et de la chimie collaborent afin d’attirer des investisseurs dans les projets de bioraffinerie et d’apporter des garanties aux deux parties : pour les papetiers, disposer de clients pour les produits issus de la bioraffinerie, et pour les chimistes, assurer la pérennité et la stabilité de l'approvisionnement de ces produits.

Les alliances entre forestiers, papetiers et chimistes, associées au développement d’équipements efficaces s’intégrant facilement dans les circuits de l’unité de production, favorisent la conversion en bioraffineries des usines papetières séduites par l'importante valeur ajoutée des co-produits lignocellulosiques.

Les équipements d’extraction ou les lignes de production peuvent être sélectionnés et permettent ainsi de produire à la fois de la pâte à papier et de la cellulose de spécialités, en fonction des demandes du marché. Ainsi, la majorité des bioraffineries papetières peuvent adapter leur production aux cours des matières qu’elles sont capables d’extraire et aux besoins de leurs partenaires chimistes.

Le secteur de la bioraffinerie, en plein essor, est rentable et stable.

Probabilité de réalisation du scénario : 70%.

V-2 - Scénario défavorable au développement de la bioraffinerie papetière

Même si les subventions et la demande sociétale incitent au développement de la chimie "verte", notamment en raison de la forte hausse du prix du pétrole, la recherche portant sur la bioraffinerie papetière n’a guère progressé.

De ce fait, les procédés d’extraction, très coûteux et peu efficaces, ne sont pas intéressants pour les usines papetières. Les industriels ne prennent pas le développement de la filière en main et les dirigeants politiques, malgré leur bonne volonté, manquent de connaissances pour le faire efficacement.

Peu de partenariats sont conclus entre les industries chimiques et papetières, condamnant ainsi la bioraffinerie à un défaut d’investisseurs. Or, les subventions ne suffisent pas à financer l’intégralité des projets et ceux-ci restent bien souvent au stade de pilote faute de clients sûrs et de financiers.

Cependant, conscientes de la rentabilité des co-produits lignocellulosiques, la plupart des usines papetières se dotent d’un ou de quelques équipements permettant d’extraire ces co-produits mais ce sont souvent les équipements les plus basiques et les moins coûteux. Les papetiers demeurent réticents à s’engager vraiment dans cette filière et attendent des procédés plus efficaces et des partenariats plus intéressants. Les acteurs, autant chimistes que papetiers, sont peu impliqués dans le secteur de la bioraffinerie.

En effet, tous se méfient des subventions sur lesquelles la filière de la bioraffinerie tente de se construire car ce ne sont pas des investissements pérennes. En outre, la communication entre papetiers et chimistes n’est pas aisée. Ces derniers sont tentés de se tourner vers d’autres industries (par exemple, l’industrie consacrée au biofuel de seconde génération) afin d'obtenir les co-produits lignocellulosiques voire de les extraire par eux-mêmes.

Ainsi, la plupart des usines papetières disposent des équipements permettant d’extraire des co-produits mais ne s’investissent pas dans la filière de la bioraffinerie car ce secteur, conditionné par les subventions, manque d’investissements pérennes et de partenariats solides et durables.

Le secteur de la bioraffinerie n’est ni stable, ni durable.

Probabilité de réalisation du scénario : 30%.

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

KAMM B., GRUBER P.R., KAMM M.   Biorefineries-Industrial processes and products: status quo and future directions.   Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2010, 949 p.
Consulter
STUART P.   Identifying the Canadian forest biorefinery.   2006 PAPTAC Annual Meeting - Montreal
Consulter
LACHENAL D. Advanced course on alkaline pulping. Grenoble INP Pagora, 2012
CHIRAT C. Bioproducts and biorefineries. Grenoble INP Pagora, 2012
SENS D.   La métamorphose de Tembec : une bioraffinerie européenne.   Interfibres - Colloque international sur la valorisation des bioressources à base de fibres végétales, vierges et recyclées. 6-8 septembre 2011, Bordeaux.
Consulter
MICHAUD C.   Tembec R&D Tartas innove : BIOFLOC XV18 et BIOFLOC ULV, des celluloses uniques au monde.   Revue ATIP, décembre 2010-janvier 2011, vol.64, n°5, p.22-24
    LignoBoost.   Innventia
Consulter
    New process extracts lignin from pulp mill black liquor: LignoBoost.   Metso
Consulter
    Vertical plate pressure filter VPA.   Metso
Consulter
WANSBROUGH H.   Tall oil production and processing.   New Zealand Institute of Chemistry
Consulter
LANDÄLV I.   Advances in black liquor gasification.   European Conference on Biorefinery Research in Helsinki 19-20 October 2006
Consulter
LANDÄLV I.   The status of the Chemrec black liquor gasification concept.   2nd European Summer School on Renewable Motor Fuels. Warsaw, Poland, 29-31 August 2007
Consulter
    TRI Biomass gasification technology - How it works.   ThermoChem Recovery International
Consulter
MAO H., GENCO J.M., VAN HEININGEN A., PENDSE H.   Technical economic evaluation of a hardwood biorefinery using the “near-neutral” hemicellulose pre-extraction process.   University of Maine, Department of Chemical Engineering, Orono, Maine (USA)
Consulter
    Integrated biorefineries.   U.S. Department of Energy
Consulter
LINDBLOM M. An overview of Chemrec process concepts. Colloquium on Black Liquor Combustion and Gasification. May 13-16, 2003, Parc City, Utah (USA)
Consulter
AL-DAJANI W., TSCHIRNER W. Pre-extraction of hemicelluloses and subsequent kraft pulping. Part I : alkaline extraction TAPPI Journal, juin 2008, p.3-8
Consulter
CHIRAT C., LACHENAL D., SANGLARD M. Biorefinery in a kraft pulp mill: extraction of xylans from hardwood chips prior to the production of cellulosic paper pulp. Conférence internationale "Biomass derived pentoses", 14-16 novembre 2010, Reims
DE CHERISEY H. Panorama et potentiel de développement des bioraffineries. Paris : Ademe, octobre 2010
Consulter
BROWNE T. Guide de développement - Le bioraffinage forestier : possibilité pour les entreprises québécoises de pâtes et papiers. MRNF – FPInnovations-Paprican, 2009
Consulter
Biofuels: doubt or action? TAPPSA Journal, janvier 2011, n°1, p.24-28
BRALY J.P. Des bioraffineries zéro déchet. CNRS Le Journal, janvier-février 2011, n°253, p.36
Consulter
UPM : bilan environnemental d'une unité de biocarburants. La Papeterie, juin-juillet 2010, n°304, p.43
LECHIFFRE V. Tembec Tartas : une bioraffinerie intégrée exemplaire. La Papeterie, août-septembre 2011, n°311, p.18-19
MAGDZINSKI L. Tembec Temiscaming integrated biorefinery. Pulp & Paper Canada, juin 2006, vol.107, n°6, p.44-46
Consulter
STUART P. The forest biorefinery: survival strategy for Canada's pulp and paper sector? Pulp & Paper Canada, juin 2006, vol.107, n°6, p.13-16
Consulter
VAN HEININGEN A. Converting a kraft pulp mill into an integrated forest biorefinery. TAPPSA Journal, mai 2007
Consulter
RODDEN G. Lignin fuels come of age. Pulp & Paper International, janvier 2012, vol.54, n°1, p.29-31
Consulter
GHEZZAZ H., STUART P. Biomass availability and process selection for an integrated forest biorefinery. Pulp & Paper Canada, mai-juin 2011, vol.112, n°3, p.19-26
Consulter
Tembec investit 190 millions de dollars à Témiscaming. Radio Canada, 16 mars 2012
Consulter
BROWNE T. Profil des produits forestiers : technologies de bioénergies à base de biomasse forestière. MRNR - CRIQ, Québec, avril 2011
Consulter
SIXTA H., SCHILD G. A new generation kraft process. Lenzinger Berichte, 2009, p.26-37
Consulter
HAIMING L, ABRAR S., SARWAR J., YONGHAO N., VAN HEININGEN A. Hemicellulose removal from hardwood chips in the pre-hydrolysis step of the kraft-based dissolving pulp production process. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2010, vol.30, n°1, p.48-60
Consulter
TOMANI P. AXEGARD P. BERGLIN N. LOVELL A. and NORDGREN D. Integration of lignin removal into a kraft pulp mill and use of lignin as a biofuel. Cellulose Chemistry and Technology, 2011, vol.45, n°7-8, p.533-540
Consulter
Pöyry : les émergents tireront la croissance. La Papeterie, février-mars 2012, n°315, p 28-31
MACDONALD C. Boost your “green” credentials. Pulp & Paper Canada, juillet-août 2011
Consulter
     
  Mémoire précédent
Précédent
Liste des mémoires
Liste
Page technique
Thèmes
Mémoire suivant
Suivant
 
Accueil | Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base
Copyright © Cerig/Grenoble INP-Pagora
     
Mise en page : A. Pandolfi