PROCÉDÉS DE VALORISATION DU BOIS ET DES DÉCHETS
Les recherches menées au sein de cette équipe visent à valoriser différents types de biomasses et déchets via leur dépollution ou leur déconstruction en vue de produire des matériaux biosourcés, des molécules chimiques d’intérêt et de l’énergie (chaleur, électricité, biocarburants, hydrogène, …). L’équipe adopte une approche filière en traitant l’ensemble des maillons de la chaine, de la préparation de la biomasse (broyage, granulation, séchage) à sa valorisation par différents procédés thermochimiques à basse (<250°C ; organosolv, hydrolyse, explosion vapeur, …) et haute (>250°C ; pyrolyse, combustion, gazéification) températures, en allant de l’échelle laboratoire à l’échelle semi-industrielle.
Les travaux ont pour objectif de maintenir ces ressources sous forme de matière le plus longtemps possible pour profiter des avantages du stockage de carbone (valorisation en cascade, bioéconomie circulaire). Dans un dernier temps, la nature combustible du bois est exploitée pour la production de différentes formes d’énergie à plus ou moins haute valeur ajoutée destinées à se substituer aux énergies fossiles.
L’équipe « Procédés de valorisation du bois et des déchets » est composée de dix membres permanents et d’une quinzaine de personnels non permanents (doctorants, post-doctorants, CDD et stagiaires). L’équipe est localisée sur le site du Campus Bois (Epinal) et de la Faculté des Sciences et Technologies (Vandoeuvre lès Nancy).
Caractériser et préparer la biomasse et les déchets
La détermination des caractéristiques physiques, chimiques et biologiques de la ressource en amont et en aval des procédés étudiés est une étape indispensable pour pouvoir évaluer et optimiser leur efficacité en fonction de la nature du gisement et des applications visées. Les caractéristiques les plus recherchées ici concernent la composition chimique (élémentaire, teneur en extractibles, lignine, cellulose, hémicelluloses, nature et teneur des adjuvants présents) ainsi que d’autres propriétés comme le pouvoir calorifique, la teneur en minéraux, en matières volatiles et en carbone fixe ou encore la morphologie, la densité, les propriétés mécaniques, … Pour réaliser ces caractérisations, l’équipe dispose d’un parc analytique très complet et diversifié (chromatographie, spectrométrie, …) au sein des plateformes ERBE et GP4Wood du LERMaB, complété par les dispositifs d’imagerie (microscopie, tomographie) de la plateforme SILVATECH .
La seconde phase indispensable à nos travaux est la mise en forme de la matière. Il s’agit par exemple de séchage, de broyage, d’affinage, de compactage, etc.. Le laboratoire possède une plateforme de mise en forme unique comprenant différents dispositifs de broyage, d’affinage, de granulation et de caractérisation des propriétés physiques de bois divisés qui permet d’optimiser la mise en forme tout en réduisant les impacts énergétiques et environnementaux de cette partie des procédés.









Déconstruire la biomasse et les déchets
Les projets de recherche engagés au sein de l’équipe se déclinent en deux voies : les valorisations thermochimiques à basse température (< 250°C ; atmosphère humide saturée) et celles à hautes températures (> 250°C ; atmosphère plutôt sèche), pour cela plusieurs procédés de déconstruction de la biomasse sont utilisés.
Basses températures : explosion vapeur, organosolv, hydrolyse
Concernant les valorisations à basse température, les procédés utilisés le plus couramment sont le prétraitement organosolv, l’hydrolyse (neutre, basique ou acide), ainsi que le fractionnement par explosion vapeur. Le prétraitement par hydrolyse consiste à mettre la matière végétale en contact avec de l’eau (acide, basique ou neutre) à une température modérée (de l’ordre de 150 °C-180°C) pendant 20 à 60 minutes environ. Le prétraitement organosolv est réalisé dans des conditions identiques mais en utilisant des solvants organiques comme l’éthanol. Le procédé par explosion à la vapeur quant à lui présente l’avantage de déstructurer ou de défibrer le matériau par utilisation de vapeur d’eau sur des faibles temps de séjour (<10 min), mais sous pression.
Ces prétraitements sont réalisés dans les réacteurs de la plateforme GP4Wood dont la taille va de 400 ml à 20 l, et ils permettent ainsi d’isoler sélectivement la lignine, la cellulose et les fibres, les hémicelluloses, ainsi que les molécules extractibles initialement contenues dans le bois dans le but de les valoriser ultérieurement.





Hautes températures : pyrolyse, gazéification, combustion
Concernant les procédés à haute température, l’objectif est de produire de l’énergie, des vecteurs énergétiques et des matériaux à hautes valeurs ajoutées (charbons actifs, biochar). Les procédés utilisés sont la pyrolyse, la gazéification et la combustion. L’objectif de la combustion est principalement de produire de l’énergie sous forme de chaleur ou d’un mix chaleur/électricité (cogénération). En ce qui concerne la gazéification, c’est la technologie du lit fluidisé dense qui est étudiée principalement. Les travaux portent à la fois sur la cogénération de chaleur et d’électricité mais aussi sur la production d’autres vecteurs énergétiques et des molécules plateformes pour l’industrie chimique. La pyrolyse, permet à la fois la production d’un matériau à plus ou moins forte teneur en carbone (du bois torréfié au charbon actif) et d’un gaz combustible pouvant être valorisé de différentes manières. La taille des réacteurs utilisés pour les procédés haute température décrits ici s’étend de l’échelle laboratoire (quelques grammes en batch) à l’échelle semi-industrielle (50 kg/h en continu pendant plusieurs jours).







Valorisation des fibres, des biopolymères et des molécules plateformes de la chimie verte.

Dépolluer les déchets bois : voies chimiques, biologiques, thermiques
La dépollution des déchets bois issus de tout type de filière industrielle est étudiée au travers de l’ensemble des procédés, qu’ils soient thermochimiques à basse température (principalement explosion vapeur), à haute température (pyrolyse) ou par voies biologiques (enzyme, mycoremédiation, …) Nos travaux visent à promouvoir l’intégration de cette matière dépolluée dans la fabrication des produits industriels bois (panneaux, isolants à base de fibres) ou de nouveaux matériaux. L’objectif étant de favoriser le recyclage et la valorisation en cascade des déchets pour répondre aux enjeux de l’économie circulaire.
Fibres naturelles
La valorisation des fibres naturelles s’appuie sur des plantes locales (chanvre, lin, ortie) et tropicales (kénaf, palmier, etc.). L’objectif est de transformer ces ressources en matériaux à haute valeur ajoutée pour des applications dans les secteurs du bâtiment, des transports et des biens de consommation. Ces recherches visent à améliorer les performances des matériaux biosourcés et à promouvoir une filière locale et durable.
Valorisation des biopolymères et molécules à haute valeur ajoutée.
Les molécules et bioplolymères issus des prétraitements à basse température peuvent ensuite être valorisés directement pour fabriquer de nouveaux matériaux (panneaux sans colle, mycocomposites) ou utilisés pour stabiliser des émulsions (nanolignines), produire des ignifugeants, des charges anti-UV, des plastiques biosourcés, …
Production de matériaux carbonés : charbon, biochar, charbon actif
Différents types de « charbons » sont produits via le procédé de pyrolyse. Ceux-ci peuvent être utilisés pour produire de l’énergie ou pour ses capacités réductrices (barbecue, remplacement partiel des charbons fossiles dans le secteur de l’énergie et de l’industrie). Les matériaux produits peuvent aussi être utilisés comme adsorbants (charbons actifs) pour la dépollution de différents fluides (eaux usées ou effluents industriels) ainsi que pour l’amendement des sols (biochar).





Production d’énergie renouvelable et propre
Réduction de l’impact environnemental de la combustion de bois et de déchets
Les recherches menées concernant la combustion visent principalement à réduire l’impact environnemental du chauffage au bois domestique, surtout en termes d’émissions de particules, mais aussi au niveau industriel et collectif, notamment pour les polluants azotés et chlorés issus de la combustion de déchets de bois.
Production de molécules d’intérêt par gazéification : méthane, hydrogène, méthanol, SAF.
La gazéification permet de valoriser la biomasse et les déchets en un gaz de synthèse qui peut être utilisé à des fins énergétiques ou purifié pour obtenir des vecteurs énergétiques comme le méthane ou l’hydrogène. Le méthanol est aussi un composé d’intérêt dans la mesure où c’est une molécule plateforme pour l’industrie chimique qui peut aussi servir de base pour la production de SAF (Sustainable Aviation Fuels = Combustible Aviation Durable (CAD)).
Production de bioéthanol de 2ème génération
Une partie des activités de l’équipe s’intéresse à la production de bioéthanol de 2ème génération à partir de bois ou d’algues. Le bioéthanol est obtenu en trois étapes : prétraitement par explosion à la vapeur de la biomasse, hydrolyse enzymatique de la pâte cellulosique puis fermentation des sucres simples. Ces biocarburants de deuxième génération présentent l’avantage de ne pas entrer en compétition avec les végétaux destinés à l’alimentation humaine, et réduisent les émissions de gaz à effet de serre.

Réduction de l’impact environnemental des procédés
Au cours des différents projets, des études à la fois expérimentales et numériques sont réalisées avec l’objectif de concevoir et d’améliorer des procédés et de réduire leurs impacts environnementaux. Les études menées incluent également la réalisation de bilans matière et énergie pour alimenter ensuite des travaux de type bilans technico-économiques ou Analyses du Cycle de Vie (ACV). Ainsi, les travaux menés par l’équipe permettent d’apporter des éléments de réponses aux grands enjeux du réchauffement climatique en valorisant des ressources renouvelables et à l’amélioration de la biodiversité et du stockage de carbone en valorisant des bois de faible qualité.