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.