CATBIOSE

Nouveaux biopolymères basés sur des synthons renouvelables à partir de la désoxygénation catalytique d’hémicelluloses.

APPEL A PROJETS

  • Appel à projets de l’édition 2015 du programme de l’ANR

PORTEUR & PARTENAIRES

  • Porteur : Institut Technologique FCBA
  • Autres partenaires : le « LIST » (Luxembourg Institute of Science and Technology) et l’Institut de Recherche sur la Catalyse et l’Environnement de Lyon (IRCELYON)
    IRCELYON

BUDGET & AIDE PUBLIQUE

  • Aide de l’ANR 370 951 euros

DURÉE DU PROJET

  • 36 mois – Projet clôturé en décembre 2018

ENJEUX ET PROBLÉMATIQUES

  • Mettre au point les conditions opératoires pour extraire à haut rendement des hémicelluloses de faibles masses moléculaires tout en préservant la qualité de la cellulose pour les pâtes Kraft de l’industrie papetière

  • Contrôler l’hydrogénation / hydrogénolyse des oligomères / monomères pour produire des polyols, notamment pour préserver une bonne sélectivité entre la rupture des liaisons C-C et la dés-hydroxylation des polyols par les systèmes catalytiques

  • Contrôler les conditions de réaction pour obtenir des polyesters et des polyuréthanes, à partir de polyols et d’acides dicarboxyliques sélectionnés, avec des caractéristiques physicochimiques comparables à ceux des produits commerciaux

  • Obtenir des données fiables pour des analyses économiques et environnementales à partir de travaux expérimentaux à l’échelle laboratoire et petit-pilote

RÉSUMÉ de soumission

Les ressources pétrolières représentent actuellement la principale source de matière première utilisée dans la production de produits chimiques, y compris les polymères synthétiques. En plus de la rareté croissante de ces ressources, l’impact nocif sur la santé humaine ainsi que sur l’environnement motive la communauté scientifique à développer des alternatives biosourcées durables. Dans ce contexte, des monomères provenant de la biomasse sont considérées comme des matières premières attrayantes et inépuisables, pourvu que la culture des ressources agro-forestières soit également gérée durablement.

Les hémicelluloses, qui représentent 15 % à 35 % de végétaux et du bois et sont les deuxième plus abondants polymères naturels dans le monde végétal après la cellulose peuvent être considérées comme une source très intéressante et sous-exploitée de molécules plateforme pour les industries de la chimie et des polymères. Contrairement à la cellulose, les hémicelluloses sont des polymères à faible degré de polymérisation (50-300) composés de sucres à 5 ou 6 carbones, ont des ramifications présentes dans la chaîne principale et sont essentiellement amorphes. Les classes les plus importantes des hémicelluloses sont les (galacto)-glucomannanes (G-GM) et les arabino-xylanes (AX).

Des travaux récents ont été entrepris pour permettre l’extraction des hémicelluloses préalablement à la cuisson Kraft avec un minimum d’endommagement aux fibres utilisées dans la fabrication du papier. Cependant, malgré des efforts importants d’optimisation, une partie importante des fractions extraites est composée de monomères ou d’oligomères de faible masse moléculaire. Des alternatives pour valoriser ces fractions sont donc nécessaires.

Dans ce projet, nous proposons le développement: 

  • D’un procédé de récupération efficace pour cette fraction de faible poids moléculaire;
  • La production de polyols par désoxygénation catalytique des sucres ;
  • Leur oxydation en acides dicarboxyliques ;
  • Leur utilisation comme monomères biosourcés pour la synthèse de polyesters et les polyuréthanes, l’objectif principal étant de remplacer leurs homologues d’origine pétrolière.

Sur la base de travaux antérieurs réalisés sur d’autres mono/polysaccharides, le projet se propose d’étudier l’hydrolyse/hydrogénolyse des hémicelluloses/oligomères/monomères solubles en présence de métaux nobles comme catalyseurs pour afin de produire des polyols (C2-C6) ayant différents groupes OH et leur transformation en des acides dicarboxyliques polymérisables, suivant les conditions réactionnelles. Selon le nombre d’atomes de carbone restants dans les polyols (rupture des liaisons C-C), le nombre de groupes de l’OH (désoxygénation) et le degré d’oxydation de OH en groupes COOH, des polymères (polyesters ou polyuréthanes) totalement différents peuvent être obtenues. Les conditions plus prometteuses seront optimisées et reproduites à grande échelle afin de fournir suffisamment de matière pour des essais visant certaines applications spécifiques (composites, isolants, panneaux, cosmétiques, etc.). L’approche sera complétée par des études techniques, environnementales et économiques (simplifiées) par rapport aux polyesters et les polyuréthanes disponibles commercialement. Le projet constitue donc un ensemble cohérent, en proposant une nouvelle façon éco-éfficace de produire des biopolymères à partir d’une fraction de ressources renouvelables sous-exploitées.

Bien que la recherche fondamentale soit au cœur du projet, le consortium rassemble des partenaires interdisciplinaires : IRCELYON, spécialisée dans la catalyse ; LISTE, spécialisée dans les polymères et science des matériaux et FCBA, centre technique pour les industries forestières, qui est en lien étroit avec l’industrie du bois, des pâtes pour papier et de la chimie. Cela garantira, sans aucun doute, un transfert efficace des connaissances obtenues pendant le projet à l’industrie.

principaux résultats DU PROJET

  • Mise au point des conditions de purification des hémicelluloses par ultrafiltration pour l’obtention de sucres
  • Mise au point des outils analytiques permettant d’analyser les différents composés possibles à partir d’un pentose ou un hexose selon si des coupures C-C ou C-O sont privilégiées
  • Développement de catalyseurs pour la désoxygénation des sucres (oxydation de diols en di-acides)
  • Synthèse de polyesters linéaires à partir de monomères biosourcés commercialement disponibles

perspectives DU PROJET

  • La production et la caractérisation de polyesters hyper-ramifiés à partir de monomères modèles
  • Des essais de polymérisation pour obtenir des polyesters à partir des polyols et des acides carboxyliques obtenues par conversion catalytique des sucres hémicellulosiques
  • La production et la caractérisation de polyuréthanes sans isocyanates à partir de monomères modèles
  • Publication de 5 articles scientifiques

CONTACT

DENILSON DA SILVA PEREZ, Senior Scientist – Expert in Lignocellulosics Materials Chemistry, FCBA: Denilson.DASILVAPEREZ@fcba.fr

 

Projet labellisé par AXELERA