Kalvin Durand remporte la bourse de soutien de l’hiver 2025 du CRMR, d’une valeur de 5 000 $ !Â
Félicitations à Kalvin Durand, lauréat de la bourse de soutien de l’hiver 2025 du Centre de recherche sur les matériaux renouvelables (CRMR) ! Kalvin poursuit un doctorat en génie du bois et des matériaux biosourcés sous la direction de Tatjana Stevanovic Janezic et Denis Rodrigue.
Cette bourse a pour objectif de promouvoir les études universitaires et la recherche en lien avec les axes du CRMR, en offrant un soutien financier à un(e) étudiant(e) de maîtrise ou de doctorat en fin de parcours et sans source de financement. La candidature de Kalvin s’est distinguée grâce à ses résultats académiques exceptionnels, ses réalisations scientifiques et personnelles, ainsi que la qualité et l’avancement de son projet de recherche.
Bravo à Kalvin pour cette belle réussite ! Un grand merci également au comité pour leur engagement et leur soutien tout au long de ce processus !
Titre du projet: Conversion des résidus d’hydrolyse des balles de riz et de la paille de blé en biopolymères et silice
L’objectif principal de ce projet est de convertir les résidus d’hydrolyse des déchets agricoles, tels que les balles de riz et la paille de blé, en biopolymères, et de les transformer en produits à haute valeur ajoutée. Dans un premier temps, il s’agira d’identifier, d’extraire et de caractériser les propriétés chimiques de la cellulose, de la lignine et de la silice de ces deux résidus agricoles en utilisant des méthodes de chimie du bois. Dans un second temps, les constituants isolés seront transformés en produits de la chimie du bois à forte valeur ajoutée et rigoureusement caractérisés.
Problématique – La transformation des déchets agricoles en produits de haute valeur représente un défi complexe. Les plantes céréalières, bien que fondamentalement différentes des essences boisées en termes de morphologie et de cycle de vie, partagent des similarités. Elles sont toutes constituées de biopolymères, d’extractibles et de minéraux. Il serait donc pertinent de substituer les ressources forestières par des résidus agricoles pour produire des monosaccharides, de la lignine, de la cellulose et de la silice.
Méthodologie – Pour atteindre le premier objectif du projet, nous avons adapté et optimisé une série de procédés de séparation et d’isolement des biopolymères du bois pour les appliquer aux résidus agricoles. En particulier, nous avons utilisé un procédé d’extraction des hémicelluloses par hydrolyse acide, un procédé d’extraction de la lignine (Lifer) développé par Tatjana Stevanovic à l’Université Laval, ainsi qu’un procédé d’extraction de la silice. Ce premier axe de recherche présente un double défi : optimiser un procédé conçu pour le bois de feuillus, tout en l’appliquant à une ressource agricole ayant subi un pré-traitement. Les différents constituants des agro-déchets seront quantifiés, puis l’optimisation des procédés d’extraction sera réalisée en étudiant l’influence de divers paramètres sur les taux de récupération d’hémicellulose, de cendres et de lignine.
Dans un second temps, la lignine, la cellulose et la silice extraites seront transformées en produits du bois à forte valeur ajoutée. En raison de leur application croissante dans divers secteurs industriels, ces composés seront convertis en nanomatériaux. Les deux techniques sélectionnées pour cette transformation sont la production de nanoparticules de lignine par électrospray et la production de microfibrilles de cellulose par ultrasonication haute intensité. L’objectif principal de cette étape est de produire des matériaux aux propriétés physico-chimiques comparables à ceux issus du bois, à partir des constituants isolés des agro-déchets.
Résultats attendus – Dans un premier temps, les principaux constituants des balles de riz et de la paille de blé, à savoir l’hémicellulose, la lignine, la cellulose et les cendres, ont été quantifiés. Ces biomasses ont ensuite été converties en cellulose riche en silice et en lignine de haute pureté, en utilisant le procédé organosolv catalytique développé dans le laboratoire du Dr Stevanovic. Les lignines organosolv obtenues à partir des balles de riz et des pailles de blé ont été rigoureusement analysées par des méthodes spectroscopiques et chromatographiques.
En raison de la forte teneur en silice résiduelle dans les pâtes cellulosiques, l’étude des propriétés de la cellulose s’est avérée complexe. Ainsi, un processus d’extraction en conditions douces de la silice a été établi et optimisé en utilisant une base faible. L’absence de silice dans les cendres produites à partir de la cellulose purifiée, confirmée par analyse élémentaire, a constitué une preuve de purification réussie. La cellulose a ensuite été blanchie et soumise à une analyse approfondie.
En utilisant la méthode d’électrospray, la lignine des balles de riz a été transformée en nanoparticules. Divers paramètres ont été optimisés, tels que la concentration de lignine, le débit, la tension appliquée et la distance entre la pointe et le collecteur, à l’aide d’une méthodologie de surface de réponse. Cela a permis d’obtenir des nanoparticules petites, sphériques, stables et homogènes. Enfin, ces nanoparticules de lignine ont été incorporées dans une matrice d’acide polylactique (PLA). En greffant les nanoparticules de lignine sur le PLA, une dispersion uniforme des particules dans la matrice a été obtenue, produisant ainsi des films aux propriétés optiques améliorées par rapport aux mélanges contenant de la lignine non modifiée ou des nanoparticules de lignine non greffées. De plus, les nanoparticules de lignine greffées ont augmenté la capacité antioxydante des films, les rendant ainsi aptes aux applications d’emballage alimentaire.
Pour la cellulose, en utilisant une sonification à haute intensité, la cellulose des balles de riz a été transformée en microfibrilles. Les paramètres de sonication, tels que la concentration de lignine, la puissance nominale, le temps et la concentration de cellulose, ont été optimisés pour obtenir des fibres de cellulose petites, stables et homogènes.
Applications potentielles et retombées industrielles – Ce projet représente une avancée significative pour le développement durable dans le secteur agricole, en valorisant les déchets agricoles pour la production de biopolymères destinés à la fabrication de matériaux. Cette approche innovante permet de traiter les déchets agricoles tout en créant des produits à valeur ajoutée, avec un large potentiel d’application dans de nombreux secteurs industriels.
La transformation en nanoparticules améliore la miscibilité de la lignine dans divers polymères, lui conférant des propriétés exceptionnelles, telles que la résistance thermique, la stabilité antioxydante, les propriétés antibactériennes et la protection contre les U.V. Ces caractéristiques sont particulièrement intéressantes pour les secteurs cosmétiques (protection U.V. dans les crèmes solaires), pharmaceutiques (vectorisation de médicaments) et environnementaux (absorption de métaux lourds).
La transformation en microfibrilles permet d’améliorer la résistance mécanique et la flexibilité des fibres de cellulose tout en réduisant leur densité. Ces propriétés, lorsqu’elles sont intégrées dans des matériaux composites, permettent d’optimiser les performances mécaniques, thermiques et barrières, avec des applications dans l’industrie papetière, textile, cosmétique, pharmaceutique et de l’emballage.
Conclusion – Malgré la transition vers une société plus respectueuse de l’environnement, de nombreuses ressources restent sous-exploitées. Les résidus agricoles, bien qu’abondants, sont souvent négligés, alors qu’ils représentent une alternative idéale aux produits pétro-sourcés, offrant des possibilités de remplacement pour des matériaux comme la lignine et la cellulose. Ce projet propose de valoriser ces résidus agricoles via un concept de bioraffinerie, transformant ainsi une ressource largement sous-utilisée en une matière première polyvalente et durable.