Stratégie industrielle du bioraffinage de la lignine et méthode pour atténuer les risques dans le modèle d'affaires

Dans un contexte de meilleure gestion des ressources terrestres et de développement de produits chimiques basés sur une biomasse renouvelable, la lignine offre une excellente alternative de remplacer certains dérivés d'origine fossile. Alors que l'industrie forestière en Amérique du Nord et en Europe (principalement des pâtes et papiers) est actuellement en recherche de nouveaux modèles d'affaires plus profitables commercialement, les stratégies de bioraffinage de la lignine pour l'obtention de produit à valeur ajoutée offrent de potentielles solutions technologiques et économiques durables. La lignine est connue depuis plus d'un siècle, cependant elle n'a jamais rencontrée le succès commercial de grande envergure correspondant à son potentiel pour les produits à valeur ajoutée, exception faite de la vanilline. Chaque année, des quantités de lignine, évaluées à 50 millions de tonnes, sont solubilisées dans la liqueur noire des usines kraft et sulfite, en tant que coproduit de basse qualité de la production de pâte à papier. Dans les usines kraft, le pouvoir énergétique de la lignine sert à générer les besoins nécessaires en énergie produite par la bouilloire de récupération; malgré ses opportunités dans les dérivés à valeur ajoutée. Un facteur majeur entravant son développement industriel subsiste : la complexité et la variabilité de la structure aromatique de la lignine, considérée comme une trop grande source d'incertitudes dans le milieu industriel. D'une part, mesurer les propriétés de la lignine mène souvent à des incertitudes sur les valeurs analytiques, donnant lieu à des incohérences dans la littérature scientifique. Et d'autre part, plusieurs dizaines de technologies d'extraction de lignine sont potentiellement disponibles; sans que les propriétés de leur lignine technique, ni que l'affinité entre les fonctionnalités de leur lignine et un portefeuille de produits, ne soient explicites. En outre, leur niveau de maturité est radicalement différent et les informations disponibles ne permettent pas toujours de comparer ces technologies ou de distinguer clairement leurs avantages compétitifs respectifs pour la commercialisation de dérivés de lignine à valeur ajoutée. À ce jour, Borregaard et Meadwestvaco sont les principales compagnies ayant commercialisé leurs lignines dans des produits de spécialité pour des marchés de niche; par exemple comme additif pour ciment ou agent dispersant de coloration. Leurs prix de vente peuvent aller jusqu'à 3000$\$$ par tonne; ce qui représente un bon profit, puisque les coûts de production de la lignine sont généralement dans une fourchette moyenne de 500-700$\$$ par tonne. Ces marchés très ciblés vi ne concernent que de petits volumes de lignine. Dans le monde industriel, il y a toujours eu des compagnies capables de produire de larges quantités de lignine. Or, celles-ci n'envisageant pas d'investir dans l'extraction de lignine pour des produits à valeur ajoutée, sans l'existence de marchés déjà prêts à absorber de telles quantités, la production ne se mettait pas en oeuvre. Pendant ce temps, des clients potentiels auraient pu être intéressés à développer des produits commerciaux de lignine, mais ne souhaitaient pas investir sans qu'une quantité suffisante de lignine de qualité ne soit déjà produite et disponible. Ce paradoxe de « l'oeuf et la poule » posait un dilemme sérieux pour le développement technologique de la lignine. Malgré le risque que cela représente, plusieurs compagnies viennent récemment d'implanter des unités d'extraction de lignine à l'échelle commerciale, dans le but de sortir de ce contexte inextricable. Bien que dans un premier temps, la lignine servira à la production d'énergie ou d'électricité, il est prévu de progressivement l'utiliser dans des produits à valeur ajoutée et améliorer ainsi le retour sur investissement. Tous les éléments pour le développement du bioraffinage de la lignine se mettent en place et une expansion rapide est attendue dans les cinq prochaines années. Déjà d'autres compagnies projettent à leur tour d'investir prochainement pour implanter des unités d'extraction de lignine dans leur usine. Il existe plusieurs combinaisons prometteuses de technologies et de produits, mais les données disponibles, les moyens de les évaluer et de les comparer restent limités. En vue du contexte actuel, des efforts doivent être rapidement faits afin de construire des modèles d'affaires robustes et profitables. L'objectif de cette thèse est (1) d'analyser les données pertinentes de la littérature et les informations récentes d'experts dans le domaine pour en dégager des recommandations critiques et des règles heuristiques fondamentales; et (2) de développer une méthode afin d'examiner les aspects de faisabilité technique, technologique et économique; et les risques pour construire des alternatives compétitives de bioraffinage de la lignine. La méthodologie consiste à : • Assembler des données cruciales de la littérature passées et récentes pour dégager les éléments critiques clés, pouvant apporter de la valeur pour la génération de stratégies de bioraffinage de la lignine. • Affiner et rationaliser ces éléments, et spécialement les règles heuristiques, pour suggérer des recommandations et développer une méthode de construction de telles stratégies. vii • Mettre à l'essai la méthode proposée dans un cas d'étude de produit à valeur ajoutée prometteur pour la lignine; dont le choix s'est porté sur les résines phénoliques. • Évaluer le potentiel de généraliser la méthode à n'importe quel autre dérivé de lignine à valeur ajoutée. Les résultats globaux indiquent qu'il reste à effectuer un important travail de recherche et de développement des techniques analytiques pour l'adaptation à la complexité de la molécule de lignine. En l'état actuel des connaissances, des informations pratiques peuvent tout de même être tirées, e.g. des règles heuristiques pour l'utilisation de la lignine dans certains produits à valeur ajoutée ou la comparaison des types de lignine à travers une base de données globale. Grâce à l'optimisation du choix de conception par des règles heuristiques, la méthode a permis de définir des avantages compétitifs techniques, technologiques et économiques; puis d'identifier et d'atténuer les risques dans l'implantation de stratégies spécifiques aux résines phénoliques à base de lignine, esquissée avec une approche par phases. Ultérieurement, des approfondissements pourraient être réalisés quant aux éléments présentés dans ce mémoire. En effet, deux principales limites pourraient être que: • les incertitudes sur les propriétés de la lignine étant encore substantielles, et les données des technologies d'extraction étant émergentes (à un stade précoce de commercialisation), l'exactitude des règles heuristiques dégagées de la littérature pourrait être remise en question. De toute évidence, les perspectives vont être amenées à changer rapidement. • l'approche pratique proposée offre un point de départ intéressant, sans toutefois apporter des réponses absolues, faute du manque d'information pour certains dérivés de lignine et de l'ignorance des produits prometteurs à base de lignine dans le futur. Aussi, son application dans un contexte spécifique peut impliquer l'ajout ou la modification d'étapes méthodologique pour la construction des stratégies de bioraffinage. Finalement, le bénéfice du projet est d'assembler les éléments clés permettant d'avoir un aperçu global actualisé du bioraffinage de la lignine pour de susceptibles investisseurs ; tout en proposant une méthode pratique, adaptable à différents contextes industriels, pour définir des stratégies de bioraffinage forestier avec la lignine. Ces alternatives pourront ensuite être analysées par des outils de conception détaillée plus complexes, utilisés au sein des compagnies. La fiabilité de la méthode se situe dans son approche intemporelle de l'ingénierie basée sur les viii règles heuristiques: c'est le rôle de l'ingénieur d'utiliser au mieux les ressources disponibles pour faire face à l'incertitude d'un problème, et y chercher une solution. Ainsi, malgré l'évolution rapide de ce secteur industriel, la méthode systématique développée devrait invariablement répondre au besoin de conception stratégique, seules les informations utilisées seront amenées à changer, selon le contexte ou le degré de précision.

Abstract

Against a background of better management of land resources and the development of chemicals based on renewable biomass, lignin is an excellent alternative to fossil fuel derivatives. While the forest industry in North America and Europe (mainly pulp and paper) is currently looking for new, more commercially profitable business models, the strategies of lignin biorefineries for value-added production offer potential solutions both technologically and economically sustainable. We have known about lignin for over a century, yet, with the exception of vanillin production, it has never achieved the large-scale commercial success corresponding to its potential in valueadded products. Each year, an estimated 50 million tons of lignin are dissolved in black liquor from kraft and sulfite mills as a low quality coproduct of pulp production. In kraft mills, the energy potential of lignin is used to generate the necessary energy requirements produced by the recovery boiler; whereas it could be enhanced through value-added purposes. A major factor impeding the industrial development of lignin is the complexity and the variability of its aromatic structure, which is considered too great an uncertainty in the industry. On the one hand, the measurement of lignin properties often leads to inaccuracies in the measured values; this has led to discrepancies in the literature. On the other hand, several dozen lignin extraction technologies are potentially available; such technologies are emerging, without having clear properties of their technical lignin. Also, affinity between their lignin functionalities and an ideal product portfolio are not easily delineated. Furthermore, their level of development is radically different and the information available does not always permit comparison of these technologies, or the clear distinction of their respective competitive advantages for marketing value-added lignin derivatives. To date, Borregaard and Meadwestvaco are prime examples of companies that have marketed their lignins in specialty products for niche markets; for example, as a cement additive or as a dye-dispersing agent. Their price can reach up to $\$$3,000 per ton, which is a good profit considering lignin productions prices between $\$$200-800 per ton; but concerns only small market volumes for lignin. In the industrial world, there have always been companies capable of producing larger amounts of lignin. However, no company wants to invest in lignin extraction for value-added products without readily accessible markets to absorb such quantities. Meanwhile, x potential clients have indicated an interest in developing commercial lignin products, but have been reluctant to invest without a sufficient amount of quality lignin already produced and available. This "chicken and egg" paradox poses a serious dilemma for the industrial development of lignin. Despite the risk, several companies have recently set up delignification plants at commercial scale to change this inextricable context. Although initially lignin will be used in the production of energy or electricity, it is expected gradually to be used in value-added products, and thus, to improve its return on investment. All the elements for the rapid development of lignin biorefineries are in place, and rapid expansion is expected in the next five years; meanwhile, other companies have already invested in the future installation of lignin precipitation units in their mills. There are several promising combinations of technology and products, but the available data and the means to evaluate and to compare them remain limited. In view of the current context, efforts should be made to quickly build robust and profitable business models. The objective of this thesis is (1) to analyze the relevant data from the literature and recent expert information in the field to reveal crucial recommendations and fundamental heuristic rules; and (2) to develop a method to examine aspects of competitive advantage and risks to build successful lignin biorefinery strategies. The methodology involves: • Assembling relevant data from past and recent literature to identify key elements that can bring value in building a lignin biorefinery strategy. • Refining and streamlining these elements, particularly some heuristics, to suggest some recommendations and to develop a method of elaborating such strategies. • Testing the proposed method in a case study of a very promising value-added lignin product, namely, phenolic resins. • Assessing the potential to generalize the method to any value-added derivative of lignin. The overall results indicate that there remains important research and development work of analytical techniques to adapt to the complex lignin molecule. In the current state of knowledge, practical information may still be highlighted, e.g. heuristic rules for the use of lignin in some value-added products or the comparison of lignin types through a global database. Due to xi optimization in the choice of technology design and the identification of technical, technological and economical competitive advantages; the method allowed to characterize and mitigate risks for lignin-based phenolic resins strategies, before describing steps to commercial implementation following a phase approach. A more thorough consideration could be made as to the materials presented in this paper. Indeed, two main limitations could be: • Uncertainties about lignin properties continuing to be substantial and data of extraction technologies still emerging (early commercialization), the accuracy of heuristic rules emerging from the literature may be challenged in the future. In all cases, the concepts will be undergoing rapid change. • The practical approach proposed provides an interesting starting point without providing absolute answers, due to the lack of information on some lignin derivatives and the ignorance of promising lignin-based products that have yet to be discovered. Also, its application in a specific context may involve the addition or modification of steps in the construction of a strategy regarding lignin biorefinery. Finally, this project provides benefit by assembling the key elements to have a judicious and accurate overview of lignin biorefinery for likely investors: by offering a practical method of reference that is easily adaptable to different industrial contexts, in order to evaluate the strategies of forest lignin biorefineries by experts in forestry companies. The reliability of the method lies in its timeless approach to engineering and design: it is the role of the engineer to use the best resources available to deal with the uncertainty of a problem by attempting to answer it through the use of heuristic rules. Thus, despite rapid changes in the industry, the systematic method developed should invariably meet the need for strategic design; only the basic data will have to be updated and refined.