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La chimie du végétal, pour du biosourcé au quotidien

Et si l’on remplaçait les produits issus du pétrole par des produits « biosourcés » ? Et si le raffinage pétrolier cédait la place au « bioraffinage », et l’essence et le diesel au « biocarburant » ?

L’idée d’utiliser le monde végétal comme source de molécules (dites biosourcées) qui seront transformées et utilisées pour notre consommation quotidienne n’est pas nouvelle. Mais c’est depuis une dizaine d’années que le végétal revient en force et qu’une véritable filière « chimie du végétal » se développe et s’installe dans notre économie, et son accroissement n’a fait que s’accélérer.

Quels sont les moteurs de cette nouvelle dynamique ? Quelles perspectives nous ouvre la chimie du végétal ?

Une alternative au pétrole ?

Le pétrole est issu de la fossilisation de matière organique principalement d’origine végétale.

Le pétrole, découvert au milieu du XIXe siècle, est une huile minérale provenant de la décomposition sédimentaire de matière organique, essentiellement végétale, ce qui conduit, sur des échelles de temps géologiques, à des gisements composés d’hydrocarbures.

L’extraction et le raffinage de cette source de carbone fossile a permis le développement depuis le XXe siècle des carburants et de la pétrochimie, qui consiste à transformer des hydrocarbures en molécules élaborées pour notre consommation quotidienne : vêtements, véhicules, habitats, emballages, produits d’entretien, cosmétiques, médicaments…

On assiste aujourd’hui à l’épuisement de cette ressource non renouvelable dont nous sommes devenus dépendants, tandis que les problèmes environnementaux, climatiques et énergétiques sont une préoccupation croissante.

Peut-on remplacer le pétrole par une autre source de carbone qui soit renouvelable, et développer un modèle économique plus respectueux de l’environnement ?

Depuis une dizaine d’années, laboratoires publics et industries ont répondu présents pour relever ce nouveau défi de développer une alternative au pétrole.

Une urgence environnementale et réglementaire

La dynamique s’inscrit plus globalement dans une urgence à développer une chimie dite « durable », avec les enjeux suivants : diminuer les émissions de gaz à effet de serre ainsi que les déchets polluants, et développer une économie circulaire avec des produits recyclables, éventuellement biodégradables.


Face à des besoins à la fois économiques, réglementaires [1], environnementaux et sociétaux, la chimie du végétal est une filière jeune qui mobilise un large panel d’acteurs sur toute la chaîne de valeur (agriculteurs, bioraffineurs, chercheurs, ingénieurs, consommateurs...), et donne aux entreprises une opportunité de se différencier et de se diversifier sur les marchés, et ce, de manière durable.

Premier producteur agricole de l’Union européenne, avec une agriculture structurée, et deuxième industrie chimique européenne, la France bénéficie d’un double atout qui lui donne toute la capacité pour relever les défis de la transition.

La chimie du végétal, une filière bien implantée en France
La chimie du végétal, une filière bien implantée en France

Alors chimiquement, qu’est-ce que la chimie du végétal ?

La chimie du végétal, une meilleure manière d’utiliser les ressources planétaires ?

En dehors du pétrole, le monde végétal offre d’autres sources abondantes de carbone : les arbres, les céréales, les plantes, les algues et microalgues, qu’on appelle la biomasse, sont des sources très riches de molécules de tailles importantes telles que protéines, cellulose, hémicellulose, lignine, amidon, huiles végétales, etc., ce qu’on appelle des biomolécules.

Joue au jeu de la biomasse !

Une nouvelle ressource pour une nouvelle chimie

Il s’agit alors de faire subir à ces biomolécules une multitude de transformations pour les scinder et les convertir en intermédiaires chimiques simples – glucose, acide lactique, isoprène, glycérol, 1,4-butanediol, divers types de monomères,… utilisés comme précurseurs des mêmes matériaux et médicaments que nous produisons à partir du pétrole, mais que l’on qualifiera de biosourcés.

Nous passons alors de la pétrochimie à la « chimie du végétal », et de la raffinerie pétrolière à la bioraffinerie, qui n’exploite que 5 % de la biomasse produite dans le monde : la chimie du végétal n’induit donc pas un sacrifice du secteur alimentaire.

Une nouvelle ressource pour des carburants plus propres : les biocarburants

La chimie du végétal permet l’accès à de nouveaux carburants, les « biocarburants », utilisant des procédés plus respectueux de l’environnement. La surface agricole nécessaire pour la production de biocarburant à partir de céréales (dit biocarburant de 1ère génération) dépassant les 10 %, des projets de recherche et développement sont en cours sur un biocarburant de 2e génération à partir de la lignocellulose des arbres, ainsi que sur un biocarburant de 3e génération à partir de microalgues.

Une chimie plus « verte »

La chimie du végétal s’inscrit dans la dynamique de la « chimie verte », qui préconise notamment l’utilisation de ressources renouvelables.

La biologie s’y met aussi : les biotechnologies blanches

Très performantes pour transformer sélectivement des biomolécules complexes, les réactions biologiques utilisent des enzymes ou des micro-organismes dans des procédés de catalyse ou de fermentation : c’est l’affaire des « technologies blanches ». Les conditions de réaction sont douces : de l’eau, peu de chauffage, donc moins de perte d’énergie, moins de risques industriels et moins d’émissions polluantes.

Grâce aux progrès sans précédent de la biologie depuis la fin du XXe siècle, notamment dans la connaissance du vivant , l’ingénierie génétique se dote maintenant de moyens avancés pour réaliser des procédés que la nature ferait en plusieurs milliers d’années !

Un nouveau savoir-faire : vive l’interdisciplinarité !

Avec une approche résolument interdisciplinaire, l’adaptation à la nouvelle ressource qu’est le monde vivant mobilise l’alliance de compétences en chimie et en biologie. Ce dialogue est favorisé grâce aux pôles de compétitivité (IAR, Axelera, Fibres-Energivie, Matikem, Pass, Xylofutur…), et d’autre part à la création de formations pour les étudiants [2].

Nouvelle filière, et par conséquent nouveau savoir-faire. Effectivement, pour transformer cette nouvelle ressource si diverse qu’est la biomasse en intermédiaires chimiques d’intérêt industriel, de multiples compétences sont développées. Par exemple, le secteur de l’oléochimie produit des huiles (esters), des acides, des alcools gras et de la glycérine à partir d’huiles végétales et animales, à destination notamment d’industries des peintures, lubrifiants, vernis et adhésifs. Les compétences en chimie des sucres et en biotechnologie sont mises à profit pour transformer glucose, amidon et cellulose en alcools ou acides organiques. La chimie du bois est également très riche et fait appel à une grande diversité de réactions sur des composés aromatiques fournis par la lignine.

Un défi relevé, donc ?

La chimie du végétal s’installe dans notre quotidien

De nouveaux intermédiaires chimiques biosourcés.

La chimie du végétal ne cesse de s’étendre sur les marchés. En 2014, les chimistes utilisaient la matière première végétale pour 12 % de leur production en France (10 % pour l’Europe). L’Union des Industries Chimiques (UIC) annonce un objectif de 20 % en 2020.

Aujourd’hui, les produits biosourcés sont utilisés dans de nombreux domaines, et leurs procédés de fabrication sont mis au point avec l’objectif de réduire voire éliminer le rejet de substances nuisibles à l’environnement et au vivant : plastiques sans phtalates et emballages en polycarbonate sans bisphénol A grâce à l’utilisation d’isosorbide, vernis et adhésifs à base d’amidon et sans composés organiques volatils (COV), mousses en polyuréthane souples, légères et avec peu d’émanation de COV à partir de polyols pour l’habitacle des voitures, emballages compostables, compléments alimentaires…

Du plastique compostable

Les sacs plastiques

On trouve désormais dans le commerce des emballages et des sacs en bioplastique biodégradable et compostable dans nos jardins. Cela constitue un progrès majeur pour l’environnement par rapport aux plastiques en acide polylactique (PLA), qui ne sont biodégradables qu’en unités industrielles.

Le groupe BASF a développé Ecovio®, un ingénieux mélange de deux polymères issus d’amidon de maïs, l’acide polylactique (PLA) et de poly(butylène adipate téréphthalate) (PBAT). Ce dernier, composant par exemple du bioplastique Ecoflex® BASF, est idéal pour une combinaison avec d’autres polymères et permet de combiner flexibilité, résilience, solidité, et surtout biodégradabilité… Ces propriétés exceptionnelles permettent de répondre à des normes internationales de plus en plus contraignantes (par exemple EN 13432, en Europe).

Des films de paillage compostables

© BASF.

Films de paillage biodégradables.

Le monde agricole est également concerné puisque ces bioplastiques font déjà l’objet dans le monde entier de films de paillage biodégradables. Ces films accélèrent le réchauffement du sol et maintiennent son taux d’humidité, permettant en outre la maîtrise des mauvaises herbes, le tout contribuant à augmenter les rendements d’au moins 15-20 %.

Des bouteilles plastiques compostables
Depuis 2015, l’entreprise Lyspackaging fabrique les premières bouteilles 100 % végétales, à partir de canne à sucre ou encore de noyaux d’olives, entièrement compostables (Saintes, Charente-Maritime).

Des matériaux aux propriétés améliorées

© Arkema.

Des chaussures de ski fabriquées à partir d’huile de ricin.

Le groupe Arkema a développé plusieurs gammes de matériaux biosourcés comme le polyamide 11 (PA11) Rilsan®, résine haute performance obtenue à partir d’huile de ricin, ou encore le polyéther bloc amide Pebax® Rnew, élastomère très résistant et dont l’élasticité reste intacte même à très basse température, pour la fabrication de chaussures de ski et autres chaussures de sport.


Une filière au potentiel prometteur !

À la question « Le défi de la transition a-t-il été relevé ? », nous pouvons d’emblée répondre qu’un tour de force majeur a été réussi puisque les feux verts sont donnés à la filière chimie du végétal par des acteurs clés, politiques, scientifiques, industriels, agriculteurs, financiers, sans oublier le grand public, sensible à la question environnementale, et qui commence à mesurer l’apport de ces nouveaux produits de consommation. Au niveau européen, l’Association Chimie du Végétal (ACDV [3]) a obtenu de la part de la Commission le financement d’un partenariat privé-public appelé « Bio-Based Industries ».

L’autre force de la filière est la conjugaison d’une grande diversité d’acteurs, de compétences, de voies de synthèses industrielles pour transformer une grande diversité de ressources. Les chercheurs des quatre coins du monde ont des objectifs convergents, des sujets de recherche communs, n’hésitent pas à établir des collaborations intercontinentales et interdisciplinaires (comme en témoignent les pôles de compétitivité mis en place dans de nombreux pays) qui s’avèreront décisifs pour parvenir rapidement à des solutions durables.

Une filière adaptative donc, qui représente une solide voie à combiner avec d’autres (secteurs des énergies renouvelables, etc.) pour réussir la transition.

Et c’est sans aucun doute une diversité de sujets qui s’ouvrent aux chimistes, en lien étroit avec les biologistes ; une voie qui ouvre aussi « de grandes portes à tous ces agro-industriels qui étaient des chimistes en devenir et qui le deviennent de plus en plus », constate Daniel Gronier, président de la société Digital & Green Chemistry. En somme, c’est une grande opportunité d’enrichir les connaissances et de valoriser la recherche et le développement, pour renforcer une industrie qui s’adapte aux besoins environnementaux et sociétaux !


L’auteure

D’après les articles de Minh-Thu Dinh-Audouin dans L’Actualité Chimique :
Le végétal, relais pour le pétrole ? (2011)
La chimie du végétal : du biosourcé au quotidien (2016)


Testez vos connaissances !

Quelques exercices de réactions chimiques !


Enrichissez vos connaissances !

La chimie du végétal et des polymères ont de passionnantes histoires à nous raconter !
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Étymologie

D’où vient le mot amidon ?
D’où vient le mot lignine ?


Des références
Polymères biodégradables et biosourcés : des matériaux pour un futur durable
La bioraffinerie de Bazancourt-Pomacle : une plate-forme d’innovation ouverte au cœur d’un complexe agro-industriel
Chimie du végétal et produits innovants à forte valeur ajoutée


Découvrez la richesse de la chimie et des métiers dans une bioraffinerie : de la plante au produit biosourcé !


Réadaptation de l’article et compléments pédagogiques

Julien Calafell est professeur de chimie en CPGE au lycée Bellevue (Toulouse).
Myriam Dubreuil est professeure de physique chimie au lycée Déodat de Séverac (Toulouse).
Minh-Thu Dinh-Audouin est journaliste scientifique à L’Actualité Chimique.

[1Une impulsion décisive a été donnée avec la « loi de transition énergétique pour la croissance verte » promulguée le 17 août 2015, qui renforce les « 34 plans de la Nouvelle France industrielle » et les « Sept ambitions pour la France de l’innovation à l’horizon 2025 », lancés en 2013.

[2On peut citer le master « Transformation et valorisation des ressources naturelles » de l’Université Picardie Jules Verne et l’Université de technologie de Compiègne, ou encore la licence professionnelle « Agro-ressources et environnement » de l’Université de Reims Champagne-Ardenne. On compte ainsi aujourd’hui une quarantaine de formations répondant aux attentes de la filière chimie du végétal, qui sont labellisées depuis 2008 par le pôle de compétitivité Industrie & Agro-ressources (IAR).