Irving S. Goldstein
IRVING S. GOLDSTEIN est professeur au département des sciences du bois et de la papeterie de l'université d'Etat de Caroline du Nord (Etats-Unis). Cet article est tiré d'une communication présentée au huitième Congrès forestier mondial à Djakarta en octobre 1978.
Deux voies d'avenir s'ouvrent à la chimie du bois. La première consiste à étendre et perfectionner les techniques actuelles. La deuxième repose sur la conversion des composants des parois cellulaires en produits de base pour l'industrie chimique. Ces polymères, qui constituent la majeure partie du bois, peuvent répondre à tous nos besoins en remplacement des produits du pétrole
Les projections de la demande future de certains produits peuvent se fonder sur l'accroissement de la population ou sur les tendances passées. Dans le cas des produits chimiques tirés du bois, par contre, on ne saurait se fier à une simple extrapolation des données actuelles. A l'heure présente, les industries dépendent presque entièrement de produits de la pétrochimie dérivés d'hydrocarbures fossiles liquides et gazeux comme matières premières pour les fibres synthétiques, adhésifs, etc. Vu la hausse des prix et la raréfaction du pétrole et du gaz naturel, il est évident que l'on sera amené à faire appel à d'autres sources de carbone, telles que la houille ou le bois. Toutefois, bien que la conversion du bois en produits chimiques soit théoriquement et techniquement possible, il ne s'ensuit pas nécessairement que le bois sera utilisé dans ce but.
Avant d'examiner les facteurs - pour la plupart indépendants de la volonté des industriels forestiers - qui détermineront en fin de compte la nature et la quantité de produits chimiques qui pourraient à l'avenir être tirés du bois, il serait bon de voir quelle contribution le bois peut apporter dans ce domaine. On décrira ici brièvement la composition chimique du bois et les produits chimiques qui ont été ou sont dérivés du bois, ou pourront l'être dans l'avenir.
Bien que les chimistes puissent, en théorie, transformer les composants du bois en n'importe quelle substance, les produits chimiques que l'on pourra pratiquement tirer du bois dépendent dans une large mesure de sa composition chimique propre. Le bois est un mélange de trois polymères naturels: cellulose, lignine et hémicelluloses, dans la proportion approximative de 50:25:25, en fonction de l'espèce et de variations biologiques telles que différences génétiques intraspécifiques et conditions de croissance. La cellulose et les hémicelluloses sont des polymères d'hydrates de carbone formés à partir de molécules de monosaccharides ou oses (sucres simples), et la lignine est un polymère de phénylpropanes (Browning, 1963).
La cellulose est un polymère formé d'une longue chaîne de molécules de glucose, elle ne diffère de l'amidon, qui est aussi un polymère du glucose, que par l'arrangement des molécules de glucose. La nature fibreuse des cellules du bois résulte de la disposition linéaire, orientée, cristalline du constituant le plus abondant, la cellulose.
Les hémicelluloses sont des polymères plus courts ou ramifiés de sucres à 5 atomes de carbone (pentoses), tels que le xylose, ou de sucres à 6 atomes de carbone (hexoses) autres que le glucose. Elles sont de structure amorphe et forment avec la lignine la gangue dans laquelle sont enrobées les fibrilles de cellulose. Si la structure de la cellulose est la même dans les différentes espèces, par contre les hémicelluloses varient considérablement selon l'essence, et notamment entre feuillus et résineux. Les hémicelluloses de feuillus sont généralement plus riches en pentoses, tandis que les hémicelluloses de résineux contiennent habituellement davantage d'hexoses.
La lignine, troisième constituant de la paroi cellulaire, est un polymère tridimensionnel formé d'éléments de phénylpropanes assemblés au hasard pour former une grosse molécule complexe, avec de nombreuses liaisons de types différents entre les assemblages élémentaires. La structure de la lignine varie également entre feuillus et résineux. Les radicaux phényle sont plus souvent remplacés par des radicaux méthoxyle dans les lignines de feuillus que dans celles de résineux. Une conséquence de cette différence est que les lignines de feuillus présentent moins de liaisons intermoléculaires et sont par conséquent plus facilement dissoutes lors de la mise en pâte.
La lignine agit comme un ciment entre les fibres du bois et comme élément rigidifiant à l'intérieur des fibres. Dans la fabrication des pâtes chimiques, elle est dissoute par divers procédés chimiques, laissant la cellulose et les hémicelluloses sous forme fibreuse. Certaines hémicelluloses sont perdues dans l'opération en raison de leur poids moléculaire plus faible, de leur plus grande solubilité et de leur plus grande facilité d'hydrolyse.
Outre les polymères constituant la paroi cellulaire, qui forment la plus grande partie du bois, les bois des différentes essences contiennent en quantités variables diverses substances étrangères appelées collectivement matières extractibles. Dans les bois de résineux, nous trouvons souvent des quantités considérables de résines, composées d'acides gras et d'acides dits résiniques qui sont dérivés des terpènes simples, telles que la térébenthine et l'huile de pin. Les tanins sont des phénols polyhydroxyliques que l'on trouve dans le bois de cœur et dans l'écorce de nombreuses essences. Le caoutchouc est tiré de l'écorce interne de certains arbres sous forme de latex. On peut aussi extraire des huiles aromatiques et des sucres hydrosolubles; l'huile de «cèdre» et le sucre d'érable en sont des exemples bien connus.
PYROLYSE DU BOIS. Avant l'avènement des combustibles fossiles à bon marché tels que la houille, le pétrole et le gaz naturel, la fabrication du charbon de bois par distillation détruisant la structure du bois était une activité importante (Stamm, 1953). Il n'en reste aux Etats-Unis que des vestiges, se limitant à la production de briquettes pour barbecue.
LA FORÊT CANADIENNE une véritable usine chimique
Le gaz produit dans la carbonisation du bois peut être utilisé comme combustible de faible pouvoir calorifique. Il a été employé occasionnellement pendant la seconde guerre mondiale pour actionner des moteurs à combustion interne lorsque l'essence manquait. Un certain nombre de composés organiques volatils peuvent être récupérés dans le distillat de la pyrolyse du bois. L'acide acétique, l'alcool méthylique et l'acétone étaient autrefois obtenus exclusivement par distillation du bois, d'où le nom d'alcool de bois ou esprit - de - bois donné couramment au méthanol. On isolait en outre diverses fractions d'huiles de goudron, employées pour la pharmacie, le fumage des viandes, les désinfectants et les herbicides.
MATIÈRES EXTRACTIBLES. L'exsudat résineux des pins fournissait la matière première pour l'industrie résinière, la plus ancienne industrie chimique en Amérique du Nord. D'abord utilisés pour le goudronnage des cordages et le calfatage des navires en bois, ces exsudats bruts furent plus tard distillés pour donner l'essence de térébenthine et la colophane, qui ont une grande diversité d'usages industriels.
Le latex obtenu par saignée des hévéas a été pendant longtemps la seule source de caoutchouc. Encore de nos jours, on préfère le caoutchouc naturel aux caoutchoucs synthétiques pour un grand nombre d'applications. Les extraits tirés du bois de cœur de certains feuillus ainsi que de l'écorce de diverses essences fournissaient des tanins, importants pour l'industrie du cuir.
En dehors de la cellulose, qui est le polymère le plus largement utilisé de nos jours, principalement dans son état naturel fibreux après avoir été extrait du bois, une grande quantité de produits chimiques dérivés du bois sont toujours en usage aujourd'hui (Goheen, 1972), en dépit de la prépondérance écrasante des produits de la pétrochimie.
LIQUEURS RÉSIDUELLES. Les fragments de parois cellulaires qui se retrouvent dans la solution après le processus de fabrication de la pâte peuvent souvent être isolés de la liqueur résiduelle et utilisés. Les liqueurs provenant de la fabrication de la pâte par procédé alcalin sont en général calcinées pour la récupération des produits chimiques, mais les liqueurs du procédé au bisulfite sont souvent traitées pour en extraire des sous-produits utiles. La lignine sulfonée peut être précipitée sous forme de sulfonates de lignine, utilisés comme agents tannants, adhésifs, liants, dispersants, etc. Les sucres contenus dans la liqueur résiduelle de bisulfite peuvent être fermentés avec de la levure de bière pour produire de l'alcool éthylique, ainsi que des aliments du bétail et des additifs alimentaires. Par oxydation alcaline douce des sulfonates de lignine, on peut obtenir de la vanilline, utilisée comme parfum alimentaire ou autre.
La lignine alcaline de la liqueur noire provenant du procédé au sulfate ou kraft peut être précipitée et utilisée comme charge pour résine adhésive, comme renforçateur dans les caoutchoucs et comme stabilisateur d'émulsions. Les produits volatils de la liqueur noire kraft comprennent le diméthylsulfure, le diméthylsulfoxyde et la diméthylsulfone, utiles comme solvants et comme réactifs chimiques.
TALL OIL. L'industrie résinière a pour la plus grande part fait place à la récupération des oléorésines du bois dans le procédé kraft (Uprichard, 1978; Zinkel, 1975). Les corps volatils tels que l'essence de térébenthine sont récupérés dans les gaz qui s'échappent des digesteurs. La liqueur alcaline transforme les acides gras et les acides résiniques en sels de sodium qui peuvent être séparés de la liqueur noire concentrée par écumage, pour être ensuite acidifiés et donner le tall oil brut.
HYDROLYSE DU BOIS. L'hydrolyse du bois, qui consiste en la conversion des polysaccharides du bois en oses ou sucres simples par réaction chimique avec l'eau en présence de catalyseurs acides, est connue depuis 150 ans et a été pratiquée à échelle industrielle aux Etats-Unis pendant la première guerre mondiale, en Allemagne pendant la seconde guerre mondiale, et l'est actuellement en U.R.S.S. Le principal produit obtenu est le glucose, qui peut être ensuite converti en alcool éthylique ou en levure.
POLYMÈRES CELLULOSIQUES. La cellulose de haute pureté chimique ou pâte à dissoudre est la matière première de base pour des polymères dérivés de la cellulose comme la rayonne et la cellophane (toutes deux étant de la cellulose régénérée), les esters de cellulose tels qu'acétate et butyrate pour fibres, films et moulage, et les éthers de cellulose tels que carboxyméthylcellulose, éthylcellulose et hydroxyéthylcellulose utilisées comme gommes synthétiques.
MATIÈRES EXTRACTIBLES. On extrait encore de l'essence de térébenthine et de la colophane des souches de pins, par distillation ou extraction à la vapeur. L'arabinogalactane, gomme hémicellulosique extraite du mélèze, est utilisée en remplacement de la gomme arabique. Les acides phénoliques extraits de l'écorce de divers résineux sont utilisés sous forme d'esters pour les colles de résines synthétiques et comme liants et dispersants. Les cires extraites de l'écorce du sapin de Douglas peuvent être employées dans les applications générales des cires. Enfin le caoutchouc naturel conserve de son importance.
Les utilisations futures du bois dans l'industrie chimique peuvent se diviser en deux grandes catégories: la première consiste essentiellement en un élargissement et un développement des techniques actuelles et la deuxième en une transformation des polymères de la paroi cellulaire en composés chimiques de base à faible poids moléculaire.
DÉVELOPPEMENT DES TECHNIQUES ACTUELLES. Il ne s'agit pas ici simplement d'un élargissement des activités existantes, mais aussi de l'utilisation de sous-produits et de matières extractibles. Nous en donnerons ci - dessous quelques exemples non limitatifs.
Les matières extractibles de l'écorce et du bois offrent des possibilités bien supérieures à ce que représente leur utilisation actuelle (Hillis, 1978; Laver, 1978). Les polymères cellulosiques pourraient prendre davantage d'importance si les coûts d'énergie étaient abaissés et les moyens d'utilisation améliorés (Allan, 1978; Goldstein, 1977). La production d'oléorésines chez les pins peut être stimulée par application de phytocides (Roberts, 1973). On peut produire des polymères d'hydrocarbures par la culture industrielle de nouvelles plantes (Galvin, 1978). On peut obtenir des phénols de faible poids moléculaire à partir de lignine, sous-produit des liqueurs résiduelles (Goheen, 1971; Benigni et Goldstein, 1971). On pourrait récupérer des acides sacchariques dans la liqueur noire kraft (Sarkanen, 1976). Les feuilles peuvent donner des huiles essentielles, de la chlorophylle et des protéines (Barton, 1978).
TRANSFORMATION DES POLYMERES DE LA PAROI CELLULAIRE. Le bois se compose principalement des constituants de la paroi cellulaire. Cette source de matière première excède de loin en volume les composants extractibles ou les sous-produits chimiques, et représente une ressource potentielle susceptible de remplacer les produits de la pétrochimie et de couvrir tous nos besoins dans ce domaine. La production à grande échelle, à partir de la lignocellulose, de substances chimiques importantes pour l'industrie peut être réalisée par diverses voies (Goldstein, 1976a). Les importants tonnages disponibles pourraient fournir les matériaux chimiques de base pour la fabrication de polymères synthétiques (Goldstein, 1975a).
BOIS TOTAL. Les polymères de la paroi cellulaire, dans leur état naturel mixte, peuvent être séparés en composés plus simples par des procédés énergiques mettant en jeu des températures élevées et, dans certains cas, de hautes pressions. Ces procédés sont par nature non sélectifs et identiques à ceux qui permettent de convertir les déchets organiques solides ou la houille en composés chimiques.
Dans la gazéification, le bois est chauffé à des températures atteignant 1000°C pour donner un mélange qui contient principalement du monoxyde de carbone et de l'hydrogène (Prahacs, 1971), avec comme sous-produits de petites quantités d'éthylène, d'acétylène, de propylène, de benzène et de toluène. Le monoxyde de carbone et l'hydrogène formés peuvent être, comme dans la gazéification de la houille, (a) retraités pour fournir de l'hydrogène en vue de la production d'ammoniac, (b) transformés par voie catalytique en méthanol, (c) enrichis en hydrogène et combinés pour former du méthane, ou (d) transformés par catalyse en un mélange d'hydrocarbures aliphatiques, par le procédé Fischer-Tropsch.
Le bois peut être liquéfié par réaction avec le monoxyde de carbone et l'eau à une température de 350 - 400°C et sous une pression de 275 bars en présence de divers catalyseurs (Appel, 1971). On obtient, avec un rendement de 40 - 50 pour cent, une huile visqueuse qui peut ensuite être transformée en produits chimiques de la même façon que l'on traite le pétrole brut en pétrochimie.
La pyrolyse, ou décomposition du bois sous l'action de la chaleur en l'absence d'air ou d'oxygène, convertit le bois en charbon de bois, gaz et huile (Soltes, 1978; Wender, 1974). Le rendement relatif des divers produits dépend des conditions de la pyrolyse et de la composition du matériau traité; on peut indiquer comme chiffres normaux à 900°C 25-35 pour cent de charbon de bois, 30-45 pour cent de gaz et jusqu'à 8 pour cent de goudron et d'huile. Le gaz se compose principalement d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de méthane, tandis que le goudron et l'huile contiennent des hydrocarbures légers tels que le benzène et le toluène, ainsi que des mélanges de composés à point d'ébullition plus élevé
CELLULOSE. La conversion sélective du polymère de glucose qu'est la cellulose en glucose monomère peut être réalisée par un certain nombre de voies. L'hydrolyse en glucose peut être catalysée soit par des acides soit par des enzymes, mais n'est jamais aussi aisée que l'hydrolyse de l'amidon, en raison de la structure cristalline de la cellulose. L'hydrolyse acide n'est pas inhibée par la lignine, mais la cellulose à haute teneur en lignine résiste à l'hydrolyse enzymatique; il faut donc que le bois soit partiellement délignifié, ou finement broyé, pour pouvoir être hydrolysé par les enzymes.
La houille et le bois sont les substituts possibles du pétrole comme matière première de l'industrie chimique pour l'avenir. Le choix de chaque pays dépendra évidemment duquel de ces produits il dispose, mais seul le bois est une ressource renouvelable
L'hydrolyse acide par l'acide dilué à haute température provoque la dé. composition d'une partie du glucose formé en hydroxyméthylfurfural (Harris, 1975), ce qui limite le rendement net en sucre à environ 50 pour cent. L'hydrolyse par l'acide fort à température moins élevée peut fournir un rendement en glucose de près de 100 pour cent (Kusama, 1960).
Shafizadeh (1978) a montré que la distillation sèche de la cellulose à 400 - 500°C donne environ 80 pour cent d'un goudron qui contient principalement du lévoglucosane et peut être converti en glucose avec un rendement de 50 pour cent par rapport à la cellulose. Il est nécessaire d'avoir une cellulose exempte d'autres constituants de la paroi cellulaire, afin d'éviter une contamination et des réactions avec d'autres produits de décomposition.
La conversion de la cellulose en glucose est la première étape de son utilisation à grande échelle dans l'industrie chimique. Le débouché potentiel le plus important est la fermentation du glucose en éthanol, par des techniques industrielles éprouvées à haut rendement. L'éthanol ou alcool éthylique est un produit chimique industriel important, obtenu à présent par hydratation de l'éthylène. Il pourrait aussi avoir un large emploi comme carburant pour les moteurs à combustion interne.
La déshydratation de l'éthanol en éthylène, réaction inverse de celle qui permet actuellement d'obtenir de l'éthanol à partir de l'éthylène extrait du pétrole, se fait également avec un rendement élevé. On peut de même facilement obtenir du butadiène à partir de l'éthanol, par des procédés industriellement éprouvés, mais tombés en désuétude en raison des bas prix du pétrole. La conversion du glucose en éthylène et en butadiène, en passant par l'éthanol, représente la plus grande utilisation potentielle de la cellulose dans l'industrie chimique, en raison de l'importance de l'éthylène, composé organique le plus utilisé en volume et matière première pour la pétrochimie et les plastiques, et du butadiène qui sert à la fabrication du caoutchouc synthétique.
Le glucose peut aussi être converti en substances chimiques qui ne sont pas importantes pour l'industrie actuellement, mais pourraient le devenir si les conditions économiques s'y prêtent. Un exemple en est la production d'hydroxyméthylfurfural et sa conversion en acide lévulique par l'action à chaud d'acides minéraux sur le glucose (Harris, 1975). L'emploi du glucose comme base générale de fermentation permettrait de produire une large gamme d'antibiotiques, médicaments, vitamines et enzymes à partir du bois (Seeley, 1976). L'acide lactique, par exemple, pourrait être converti en acide acrylique et en acrylates.
HÉMICELLULOSES. Les hémicelluloses sont plus facilement hydrolysées par les acides que la cellulose et, par conséquent, sont facilement converties en sucres simples avec des procédés doux à haut rendement. Les xylanes, qui sont plus abondants dans les arbres à feuilles caduques, fournissent principalement du xylose, tandis que les glucomannanes, que l'on trouve en plus grande quantité dans les résineux, donnent du mannose.
Le mannose et les autres hexoses peuvent être associés au glucose pour être transformés en éthanol par fermentation. Le xylose et les autres pentoses peuvent être convertis en furfural, et le xylose peut aussi donner par réduction du xylitol. Le furfural est actuellement produit industriellement par traitement acide du xylane contenu dans les épis de maïs et la bagasse de canne à sucre. Du fait qu'il serait disponible en bien plus grande quantité à partir de l'hydrolyse du bois, il faudrait lui trouver de nouvelles applications. Mais étant donné que le furfural a servi de matière première pour le nylon jusqu'au moment où il a été détrôné par le butadiène, on peut penser que des disponibilités abondantes de furfural à un coût acceptable encourageraient de nouveaux usages.
LIGNINE. Les caractéristiques de la lignine intéressantes pour l'industrie chimique tiennent à ce qu'elle comporte des radicaux phényle appartenant à la série aromatique et à la présence d'une covalence carbone - carbone qui empêche le retour aux monomères par des procédés doux. Dans des conditions plus sévères de pyrolyse, d'hydrogénation et d'hydrolyse, on a indiqué des rendements en phénols atteignant 50 pour cent (Goheen, 1971; Goldstein, 1975b; Schweers, 1978), et on a en outre envisagé des rendements possibles de 35 pour cent de phénol pur. Le benzène a été isolé dans les produits de l'hydrocracking (cracking en présence d'hydrogène) de la lignine; on pourrait l'obtenir, avec un rendement de 25 pour cent par rapport à la lignine, par déshydroxylation du phénol.
LES USINES CHIMIQUES DE L'AVENIR. La discussion qui précède montre que l'on peut convertir les divers constituants du bois en composés chimiques déterminés: par exemple la cellulose en éthanol et les hémicelluloses en furfural. Bien que l'on ait parfois envisagé des usines spécialisées pour une telle production d'un seul composé, cette formule ne représente pas l'utilisation la plus efficace et la plus économique du bois récolté en tant que matière première. Les usines de chimie du bois de l'avenir devront convertir tous les constituants du bois en produits utiles, exactement de la même façon qu'une raffinerie de pétrole ou un abattoir moderne utilisent intégralement toute leur matière première.
A titre d'exemple, qui ne représente pas la seule solution possible, un tel projet pourrait comprendre les opérations suivantes (Goldstein, 1975a). La préhydrolyse du bois par des acides faibles convertit les hémicelluloses en une solution riche en xylose ou en mannose, laissant un résidu solide de cellulose et de lignine. Le xylose peut être converti en furfural ou en xylitol et le mannose associé avec le glucose peut être soumis à fermentation. Une hydrolyse aux acides forts de la base cellulose - lignine donne une solution de glucose, qui peut être convertie par fermentation en éthanol ou autres substances, et un résidu solide de lignine. La lignine peut alors être convertie par hydrogénation en phénols ou transformée en résines. L'éthanol pouvant à son tour être transformé en éthylène et en butadiène, une telle usine peut produire les composés de base nécessaires pour la production de la plupart des plastiques, fibres et caoutchoucs synthétiques indispensables à notre société industrielle.
On peut concevoir d'autres systèmes intégrés d'utilisation du bois, comportant la production d'énergie, d'aliments et de matériaux en même temps que de substances chimiques (Lipinsky, 1978). Ces systèmes peuvent avoir une composante chimique plus ou moins importante et contribuer d'autant à la couverture des besoins en produits chimiques des peuples du monde.
Une substitution à grande échelle de la chimie du bois à la pétrochimie dépendra d'un certain nombre de facteurs d'ordre technique, économique, politique et social. Les possibilités théoriques d'obtention de produits chimiques à partir du bois exposées ci-dessus sont tempérées par la réalité des facteurs que nous allons examiner ci-après.
UNE ÈRE NOUVELLE. L'industrie chimique a connu au cours des 50 dernières années une croissance rapide, tant en volume qu'en complexité des produits. Favorisées par des disponibilités de matière première abondante et bon marché grâce au pétrole, les matières organiques synthétiques se sont répandues à un point tel que le niveau de vie même des sociétés industrielles leur est inextricablement lié.
Davies (1978) fait observer que la chimie industrielle a connu au cours de ces 50 années trois périodes. Dans la première la science autonome montrait le chemin; des recherches rationnelles et bien conduites menèrent à des inventions utiles et profitables. Dans la deuxième période, qui a suivi la seconde guerre mondiale, les forces économiques imposèrent une orientation. L'identification des besoins du marché permit à l'ingéniosité et à la science d'y répondre par de nouveaux procédés. C'est surtout à cette époque qu'une croissance rapide fut possible grâce au pétrole bon marché. La troisième période, dans laquelle nous entrons à présent, est qualifiée par Davies de «période de la gestion des ressources». Les impératifs sont désormais d'améliorer et de rendre moins chère et mieux assurée la fourniture des produits désirés en économisant les ressources et en les remplaçant par des matières premières plus abondantes.
D'après cette analyse, l'industrie chimique doit se préoccuper du fonds de ressources dont elle a besoin pour continuer à prospérer. De même que l'on est précédemment passé du goudron de houille au pétrole, il pourrait être nécessaire de s'orienter vers le charbon et la cellulose pour garantir dans l'avenir les matières premières nécessaires. Les produits de la chimie du bois n'auront vraisemblablement pas à affronter de barrières institutionnelles pour se faire accepter. L'adaptabilité dont l'industrie chimique a fait preuve dans le passé semble propice.
AMÉLIORATION DES TECHNIQUES. Le moment auquel les produits de la chimie du bois supplanteront ceux de la pétrochimie, et la rapidité de ce changement, dépendront en dernier ressort de leur coût relatif. Le prix du pétrole échappe au contrôle des industries forestières, mais des changements technologiques dans la chimie du bois pourraient contribuer à réduire les coûts.
Aux prix actuels, les produits dérivés du bois, tels qu'éthanol, méthanol, etc., ne peuvent concurrencer ceux de la pétrochimie. La seule exception possible serait sans doute une usine intégrée produisant de l'éthanol, du furfural et du phénol (Katzen, 1978; USDA Forest Service, 1976). Des perfectionnements dans les procédés de gazéification et d'hydrolyse du bois des inés à augmenter les rendements et à réduire les coûts d'investissement pourraient diminuer l'écart des prix, notamment si l'on améliorait de façon notable le rendement net de glucose dans l'hydrolyse aux acides faibles, actuellement de 50 pour cent.
L'extraction de la cellulose chimique (pâte à dissoudre) et sa conversion industrielle en fibres, films, plastiques ou gommes sont des domaines où les perfectionnements technologiques pourraient augmenter la compétitivité des polymères cellulosiques, non seulement vis-à-vis des polymères synthétiques tirés du pétrole, mais également de ceux obtenus à partir du produit de décomposition de la cellulose.
D'autres domaines où des progrès technologiques peuvent influer favorablement sur le coût des produits chimiques tirés du bois sont l'hydrolyse de la cellulose en glucose par les enzymes, et la conversion de la lignine en phénols.
Les recherches sur l'utilisation chimique du bois ont été relativement insignifiantes par rapport aux efforts consacrés à la pétrochimie au cours des 50 dernières années. En pourcentage des ventes, leur coût ne représente que 10 pour cent environ de celui des études menées sur les produits chimiques et les polymères synthétiques en général. En fait, quand les prix du pétrole ont baissé, les recherches en matière de chimie du bois ont pratiquement cessé. Une intensification des recherches sur les bois serait susceptible de fournir les nouvelles technologies améliorées nécessaires pour exploiter à fond le potentiel du bois comme matière première pour l'industrie chimique.
COÛTS ET DISPONIBILITES. Ce sont les facteurs les plus décisifs pour l'avenir de la chimie du bois, et parmi les plus impondérables. La hausse du coût du pétrole et la perspective de son épuisement ont eu pour résultat de stimuler de nombreuses études en vue de trouver d'autres sources d'énergie et d'autres matières premières chimiques; le présent article en est un exemple parmi beaucoup d'autres. Les experts sont loin de s'accorder sur le rythme auquel les prix du pétrole continueront de monter et sur l'échéance à laquelle les gisements seront épuisés. Ces questions échappent à l'action des industries forestières, et ceux qui plaident en faveur de l'utilisation du bois comme matière première de l'industrie chimique ne peuvent guère qu'attendre tout en cherchant à améliorer leur technologie.
A une conférence récente sur les nouvelles sources de matières premières chimiques (Van Antwerpen, 1977), un groupe de participants a prédit que l'industrie pétrochimique amorcerait son déclin vers 1990, et que tout accroissement des quantités de matière première utilisée proviendrait pour 50 pour cent au moins de sources autres que le pétrole. A l'autre extrême de la gamme des prédictions, on a indiqué comme époque approximative de l'épuisement des réserves pétrolières mondiales le milieu du siècle prochain. A un moment ou à un autre de la période intermédiaire, les prix du pétrole brut seront si élevés que la production d'éthylène par déshydratation de l'éthanol deviendra sans doute économiquement rentable (Sarkanen, 1976). Cela suppose évidemment que les prix du pétrole brut continueront à monter plus vite que ceux du bois.
D'aucuns soutiennent que le pétrole est plus précieux comme matière première de l'industrie chimique que comme source d'énergie et doit, par conséquent, être réservé à cet usage préférentiel. Cependant, si les utilisateurs de pétrole en tant que matière première se trouvent en concurrence avec les consommateurs d'énergie, ceux qui veulent de l'essence et du mazout devront les payer plus cher, ce qui améliorera la compétitivité des autres matières premières.
HOUILLE ET BOIS. Les produits chimiques de base tirés actuellement du pétrole peuvent aussi l'être de la houille ou du bois. La houille est également une ressource limitée, et elle finira par s'épuiser ne laissant que le bois comme ressource indéfiniment renouvelable. Toutefois, dans l'avenir proche, la houille jouera probablement un rôle important dans l'industrie chimique, du fait que ses applications ont été mieux étudiées que celles du bois et que son utilisation massive pour la production de carburants liquides synthétiques procurera également des substances chimiques. En réalité, des usines de gazéification de la houille fonctionnent déjà, notamment en Afrique du Sud.
Le prix réel de ces produits chimiques dérivés de la houille varie selon qu'ils sont écoulés comme sous-produits ou vendus à un prix représentant une part équitable du coût de production. Les coûts d'établissement sont beaucoup plus élevés pour la houille que pour le pétrole, de même que les coûts d'extraction et de transport. Le coût de la houille lui-même ne tient pas compte du dommage à l'environnement, non plus que le coût du pétrole avant 1973 ne faisait pas intervenir l'épuisement des gisements. On a prédit que les dérivés chimiques de la houille seront compétitifs à l'égard des produits de la pétrochimie lorsque le prix du pétrole brut à faible teneur en soufre aura doublé (Richards, 1976).
Face à ces incertitudes, on dispose de trop peu d'éléments sûrs pour affirmer catégoriquement si c'est le bois ou la houille qui l'emportera comme nouvelle base de l'industrie chimique. Naturellement, pour les pays qui ont d'amples disponibilités de bois et pas de houille ou vice versa, le choix s'imposera de lui-même.
Le bois matière première de l'industrie chimique ne concurrencera pas le bois destiné au sciage, au contreplaqué ou à la papeterie, étant donné qu'il sera obtenu à partir de sources actuellement inexploitées. Ni la forme ni la nature des bois destinés à la conversion chimique n'ont d'importance. L'essence et la taille sont indifférentes. Par exemple, les feuillus de qualité inférieure du sud des Etats-Unis, impropres aussi bien aux usages mécaniques qu'à la fabrication de pâte en raison de leurs dimensions, de l'essence, de défauts ou de la proportion d'écorce, conviendraient à cette application (Goldstein, 1978). Des ressources analogues, actuellement non commercialisées, abondent dans le monde entier.
Le coût actuel livré usine de ces bois, récoltés par déchiquetage d'arbres entiers, peut être très inférieur à celui des copeaux à pâte. Cependant, si on les utilisait en combustion directe pour produire de l'énergie, leur coût pourrait être inférieur, à valeur calorifique égale, à celui d'autres combustibles.
ENERGIE ET PRODUITS CHIMIQUES. Le coût des produits chimiques ne peut être dissocié de celui de l'énergie obtenue à partir de la même matière première. Les principaux produits des raffineries de pétrole, par exemple, sont l'essence et le mazout plus que les produits chimiques. Les prix des produits pétrochimiques sont fonction de considérations de comptabilité interne, et ils seraient beaucoup plus élevés si la majeure partie des frais généraux n'était supportée par les produits principaux.
De même, on envisage des usines de conversion de la houille pour répondre aux besoins de carburants liquides synthétiques. Les produits chimiques ne sont que des sous-produits. L'économie d'usines uniquement affectées à la production chimique serait beaucoup moins favorable.
Pour en venir à la chimie du bois, l'éthanol peut servir de carburant pour les moteurs à combustion interne, de produit chimique industriel en tant que tel et de matière première pour la production d'éthylène. Le marché est différent pour chacune de ces utilisations, mais il semble raisonnable de supposer que le prix de l'éthanol serait déterminé surtout par ses débouchés potentiels comme carburant.
Si les sous-produits de la fabrication de pâte, tels que lignine, phénols et acides sacchariques, devaient être récupérés dans la liqueur noire kraft, il faudrait les remplacer dans le bilan énergétique de l'usine par une quantité équivalente d'énergie provenant d'une autre source. Etant donné que l'une des fonctions de la chaudière de récupération est de fournir une atmosphère réductrice pour la régénération des produits chimiques inorganiques, une autre source de composés carbonés serait nécessaire. L'utilisation d'hydrogène nécessiterait une modification du système de récupération, et la vapeur industrielle provenant d'un générateur externe ne suffirait pas, même si elle comblait le déficit énergétique. Cette contrainte, qui s'ajoute aux problèmes de séparation, impose de sérieuses limites économiques aux quantités de sous-produits chimiques que l'on peut obtenir de cette source.
ECHELLE DES OPÉRATIONS. Par contraste avec les milliards de dollars d'investissements requis pour une usine de pétrochimie d'échelle mondiale ou pour une usine de conversion de la houille de la dimension considérée nécessaire pour l'économie d'échelle, une grande industrie de chimie du bois n'exige ni concentration ni grandes installations unitaires. La nécessité d'un approvisionnement en bois dans un rayon de transport raisonnable conduit à des usines de taille relativement modeste largement disséminées à travers les massifs forestiers. Un compromis entre économie d'échelle et limitations imposées par l'approvisionnement en bois serait de l'ordre de 2000 t/jour, mesurées en bois sec. Cette taille s'est avérée convenable pour de nombreuses usines de pâte. Le coût d'investissement estimé serait de l'ordre de 100 millions de dollars (USDA Forest Service, 1976).
INVESTISSEMENTS ADDITIONNELS. Etant donné que les investissements actuels dans les installations traitant le pétrole sont énormes, la substitution devrait être progressive, à moins qu'une interruption soudaine des approvisionnements en matière première pétrochimique n'impose un programme accéléré pour les remplacer. La taille relativement modeste des usines de chimie du bois et le montant correspondant des investissements pourraient faire pencher la balance en faveur du bois pour créer des capacités additionnelles de production. Par contre cet avantage est contrebalancé par l'incertitude des procédés nouveaux face aux techniques bien connues de la pétrochimie.
CONSIDÉRATIONS POLITIQUES. Selon toute probabilité, les décisions de construire des usines pour la conversion du bois en produits chimiques ne seront pas fondées entièrement sur la faisabilité technique et sur les règles classiques de l'offre et de la demande dans une économie libérale de profit. Les mesures prises par les gouvernements, dans un sens ou dans l'autre, influeront certainement sur ces décisions, d'autant plus qu'il existe une corrélation étroite entre produits chimiques et énergie. Elles pourront prendre la forme de subventions, de soutien des prix, de dégrèvements fiscaux ou au contraire d'impôts sur des matières premières dont l'utilisation n'est pas souhaitée.
Des décisions sociales, variant d'un pays à l'autre, joueront un rôle important, parfois même déterminant, dans l'expansion future de la chimie du bois.
CONSIDÉRATIONS ÉCOLOGIQUES. L'utilisation accrue du bois pour sa conversion en produits chimiques entraînera une intensification de l'exploitation, avec toutes les conséquences que cela peut avoir sur les sols, les bassins versants, la faune sauvage, etc. Comme on se préoccupe déjà de ces effets avec l'exploitation forestière à des fins classiques, il ne devrait pas y avoir de problèmes techniques particuliers pour étendre les pratiques actuelles.
Toutefois, si le public se prononce en faveur de la conservation de l'environnement forestier les disponibilités de bois supplémentaire risquent d'être limitées. Une société d'abondance pourrait choisir de laisser recycler par les agents naturels une grande partie du bois produit chaque année plutôt que de permettre la récolte de cet accroissement annuel pour servir de matière première chimique.
BARRIÈRES PSYCHOLOGIQUES. Selon les ingénieurs chimistes, les liquides et les gaz sont plus faciles à manipuler que les solides, et l'industrie pétrolière de même que l'industrie chimique traitant des substances organiques sont habituées à manutentionner des matières premières liquides transportées par citernes et pipelines. La collecte d'une matière première solide sur des milliers de kilomètres carrés leur serait si incommode et si peu familière que la possibilité même en a été contestée.
Par ailleurs, les industriels forestiers, qui ont pourtant l'habitude de traiter des volumes encore plus importants de bois, répugnent tout autant à produire des substances chimiques à côté de leurs opérations habituelles.
Ces obstacles tomberont lorsque les incitations seront suffisantes, mais ils ralentissent l'évolution.
Compte tenu des facteurs en jeu, il est évident que les prévisions concernant la chimie du bois ne peuvent être exprimées qu'en termes très généraux et même ainsi elles seront lourdes d'incertitude. Néanmoins, je me risquerai à exposer mon opinion personnelle, si partiale soit-elle étant donné ma participation aux recherches dans ce domaine.
Nous ne pourrons compter sur les hydrocarbures fossiles en tant que source de composés organiques qu'aussi longtemps que cette ressource limitée et non renouvelable sera disponible. Avant même que les réserves mondiales de pétrole et de gaz ne soient totalement épuisées, leur coût atteindra un niveau tel que la houille et le bois seront en mesure de concurrencer les produits de la pétrochimie. Ce point sera atteint plus tôt dans certains pays que dans d'autres, qui possèdent des ressources de remplacement et appliquent des politiques favorables à leur économie. Il est donc probable que les produits de la chimie du bois remplaceront ceux de la pétrochimie.
Parmi les produits chimiques dérivés du bois à l'heure actuelle, la cellulose sous forme de pâte à papier continuera d'être de plus en plus utilisée parallèlement à l'expansion démographique et à l'industrialisation croissante des pays en développement. L'emploi du tall oil, sous-produit extrait des liqueurs noires, s'accroîtra aussi à proportion et par suite de l'augmentation de la production de résine résultant des traitements phytocides. Les pâtes à dissoudre et leurs dérivés cellulosiques polymères ont vu leurs débouchés se restreindre, et leur déclin se poursuivra avec la hausse du coût de l'énergie, à moins que n'apparaissent de nouvelles technologies.
Dans les pays disposant de houille, on ne recourra pas à la gazéification du bois pour la production d'ammoniac, de méthanol et d'hydrocarbures, mais en l'absence de houille cette technique peut être valable. On fera surtout appel à l'hydrolyse du bois pour obtenir des sucres, convertis ensuite en produits chimiques, tels qu'éthanol, furfural, acide lactique, et les monomères polymérisables qu'on peut en tirer. Dès maintenant une usine intégrée produisant éthanol, phénol et furfural à partir de feuillus serait économiquement viable aux prix actuels.
Il n'y a pas de réponse unique au problème de l'approvisionnement en composés organiques que pose la hausse des prix du pétrole, mais je suis convaincu que le bois contribuera beaucoup à sa solution.
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