# Optimisation du traitement par alcoolysse dans la délignification du bois de peuplier

Yi Hien Chin, Pascal Henry Biwole, Joseph Gril, Christophe Vial, Rostand

Moutou Pitti, Salah-Eddine Ouldboukhitine, Nicolas Labonne, Yoshiki

Horikawa

► To cite this version:

Yi Hien Chin, Pascal Henry Biwole, Joseph Gril, Christophe Vial, Rostand Moutou Pitti, et al. Optimisation du traitement par alcoolysse dans la délignification du bois de peuplier. 12èmes Journées Scientifiques du GDR 3544 "Sciences du bois", Nov 2023, Limoges, France. . [hal-04585095](https://hal.science/hal-04585095)

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https://hal.science/hal-04585095

Submitted on 23 May 2024

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destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
# Optimisation du traitement par alcoolysse dans la délignification du bois de peuplier

Yi Hien Chin, Pascal Henry Biwole, Joseph Gril, Christophe Vial, Rostand

Moutou Pitti, Salah-Eddine Ouldboukhitine, Nicolas Labonne, Yoshiki

Horikawa

► To cite this version:

Yi Hien Chin, Pascal Henry Biwole, Joseph Gril, Christophe Vial, Rostand Moutou Pitti, et al. Optimisation du traitement par alcoolysse dans la délignification du bois de peuplier. 12èmes Journées Scientifiques du GDR 3544 "Sciences du bois", Nov 2023, Limoges, France. . [hal-04585095](https://hal.science/hal-04585095v1)

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# Optimisation du traitement par alcoolyle dans la délignification du bois de peuplier

CHIN Yi Hien¹,²,³, BIWOLE Pascal¹,⁴, GRIL Joseph¹,⁵, MOUTOU PITTI Rostand¹,⁶, VIAL Christophe¹, OULDBOUKHITINE Salah-Eddine¹, LABONNE Nicolas², HORIKAWA Yoshiki³

¹Université Clermont Auvergne, CNRS, SIGMA Clermont, Institut Pascal, F-63000 Clermont-Ferrand, France.

²Dagard Company, 23600 Boussac, France.

³Institute of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technology, Fuchū, Tokyo 183-8509, Japan.

⁴MINES Paris, PSL Research University, PERSEE - Center for Processes, Renewable Energies and Energy Systems, France.

⁵Université Clermont Auvergne, INRAE, PIAF, F-63000 Clermont-Ferrand, France.

⁶CENAREST, IRT, BP 14070, Libreville, Gabon.

yi_hien.chin@uca.fr

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

I-SITE
CLERMONT
Clermont Auvergne Project

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

国立大学法人
東京農工大学
Tokyo University of Agriculture and Technology

## Introduction

La délignification du bois en deux étapes, impliquant l'alcoolyle et le blanchiment au chlorite de sodium, permet de produire des matériaux d'origine biologique à haute teneur en cellulose, tout en préservant la structure anatomique et l'orientation des microfibres de cellulose (Fig.1).

Le protocole du traitement d'alcoolyle à 150 °C pendant 1 heure est optimal pour le cèdre japonais [1]. L'objectif de ce travail était de déterminer les conditions optimales pour le peuplier français en réduisant la température et en prolongeant la durée du traitement.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Fig. 1: Représentation schématique illustrant la délignification de bois [1]</figcaption></figure>

## Méthodes

### Délignification par alcoolyle et blanchiment

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Fig. 2: Procédure de délignification par alcoolyle et blanchiment</figcaption></figure>

### Vérification de la présence de lignine et d'hémicellulose par IRTF

* Système PerkinElmer Frontier avec un accessoire de réflexion totale atténuée (ATR)

* Prétraitement spectral avec les fonctions de correction ATR et normalisation par la bande supérieure ~ 1000 cm⁻¹

### Estimation des teneurs en lignine et en polysaccharides

* Hydrolyse acide en deux étapes (72 % H₂SO₄ à 30 °C pendant 1 h, suivi de 4 % H₂SO₄ à 121 °C pendant 1 h), le résidu insoluble dans l'acide est représenté principalement par la lignine Klason

* Mesure de la concentration en monosaccharides par chromatographie en phase liquide à haute performance

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Fig. 3: Résidu insoluble obtenu après l'hydrolyse acide</figcaption></figure>

### Analyse microstructurale par diffraction des rayons X

* En mode réflexion avec un diffractomètre à rayons X polyvalent automatisé à 40 kV et 30 mA

* Calcul de l'indice de cristallinité relative et la largeur à mi-hauteur au pic de (200) à partir du diffractogramme avec la fonction Pseudo-Voigt [2]

### Porosité

* Porosité (%) = $\left(1 - \frac{\rho_{\text{échantillon}}}{\rho_{\text{paroi cellulaire}}}\right) \times 100\%$

* $\rho_{\text{paroi cellulaire}}$ est supposé de 1,5 g/cm³

## Résultats

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Fig. 4: Blocs de bois de peuplier 1 cm³: (a) sans traitement ; (b) alcoolyle 150 °C-1 h ; (c) blanchiment NaClO₂ ; (d) alcoolyle 100 °C-1 h et blanchiment NaClO₂ ; (e) alcoolyle 120 °C-1 h et blanchiment NaClO₂ ; (f) alcoolyle 150 °C-1 h et blanchiment NaClO₂</figcaption></figure>

* Les deux étapes (alcoolyle et blanchiment) sont essentielles pour extraire les composants non cellulosiques.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Fig. 5: Spectres IRTF des blocs de peuplier sous différentes conditions de traitement</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Fig. 6: Rapport des composants chimiques avant et après le traitement</figcaption></figure>

* La disparition du pic à 1508 cm⁻¹ indique l'absence de lignine.

* La bande 1730 cm⁻¹ est attribuée à l'hémicellulose acétylée, seule l'alcoolyle à 150 °C réussit à retirer l'hémicellulose en 1 heure.

<table><thead><tr><td></td><td>Indice de cristallinité</td><td>Largeur à mi-hauteur de (200)(°)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Peuplier naturel</td><td>0,759</td><td>2,98</td></tr><tr><td>Peuplier délignifié</td><td>0,829</td><td>2,49</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Fig. 7: Porosité des blocs de peuplier sous différentes conditions de traitement</figcaption></figure>

* Une cristallinité relative plus élevée indique l'amélioration de l'orientation des microfibres de cellulose après la délignification.

* Un traitement d'alcoolyle à température plus élevée ou de plus longue durée avant le blanchiment NaClO₂ entraîne une perte de masse plus élevée.

## Conclusions et Perspectives

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

* Le traitement d'alcoolyle à 120 °C pendant au moins 3 heures est nécessaire avant le blanchiment au NaClO₂ pour délignifier efficacement.

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

* L'extraction de la lignine et de l'hémicellulose du bois de peuplier par délignification en deux étapes réduit sa densité de 0,4 à 0,16.

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

* Le bois délignifié présente un potentiel d'utilisation comme matériau d'isolation thermique biosourcé.

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

* Pour la production industrielle, il convient d'envisager des méthodes de séchage alternatives et des agents de blanchiment écologiques.

### Remerciements

Les auteurs remercient l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) et la société Dagard pour le financement de la thèse via le plan « France Relance », ainsi que le projet I-Site CAP 20-25 et Tokyo University of Agriculture and Technology pour le financement du séjour de recherche. Les auteurs remercient également les membres du Laboratoire *Biomass Structural Functionality* (T.Kurei, X.Wei, Y.Yasuda, S.Sakai, R.Suzuki, A.Yamanaka) pour les conseils sur les instruments expérimentaux.

### Bibliographie

[1] Horikawa Y., Tsushima R., Noguchi K., Nakaba S., Funada R. (2020). Development of colorless wood via two-step delignification involving alcoholysis and bleaching with maintaining natural hierarchical structure. Journal of Wood Science, 66(1), 37.

[2] Hirano S., Kurei T., Nakaba S., Funada R., Horikawa, Y. (2023). Elucidation of alcoholysis for the preparation of lignin-free wood sections from Cryptomeria japonica. Cellulose, 30(10), 6589-6600.
<figure><img src="image_2.png" /></figure>

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

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# Optimisation du traitement par alcoolyle dans la délignification du bois de peuplier

CHIN Yi Hien¹,²,³, BIWOLE Pascal¹,⁴, GRIL Joseph¹,⁵, MOUTOU PITTI Rostand¹,⁶, VIAL Christophe¹, OULDBOUKHITINE Salah-Eddine¹, LABONNE Nicolas², HORIKAWA Yoshiki³

¹Université Clermont Auvergne, CNRS, SIGMA Clermont, Institut Pascal, F-63000 Clermont-Ferrand, France.

²Dagard Company, 23600 Boussac, France.

³Institute of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technology, Fuchū, Tokyo 183-8509, Japan.

⁴MINES Paris, PSL Research University, PERSEE - Center for Processes, Renewable Energies and Energy Systems, France.

⁵Université Clermont Auvergne, INRAE, PIAF, F-63000 Clermont-Ferrand, France.

⁶CENAREST, IRT, BP 14070, Libreville, Gabon.

yi_hien.chin@uca.fr

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

I-SITE
CLERMONT
Clermont Auvergne Project

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

国立大学法人
東京農工大学
Tokyo University of Agriculture and Technology

## Introduction

La délignification du bois en deux étapes, impliquant l'alcoolyle et le blanchiment au chlorite de sodium, permet de produire des matériaux d'origine biologique à haute teneur en cellulose, tout en préservant la structure anatomique et l'orientation des microfibres de cellulose (Fig.1).

Le protocole du traitement d'alcoolyle à 150 °C pendant 1 heure est optimal pour le cèdre japonais [1]. L'objectif de ce travail était de déterminer les conditions optimales pour le peuplier français en réduisant la température et en prolongeant la durée du traitement.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Fig. 1: Représentation schématique illustrant la délignification de bois [1]</figcaption></figure>

## Méthodes

### Délignification par alcoolyle et blanchiment

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Fig. 2: Procédure de délignification par alcoolyle et blanchiment</figcaption></figure>

### Vérification de la présence de lignine et d'hémicellulose par IRTF

* Système PerkinElmer Frontier avec un accessoire de réflexion totale atténuée (ATR)

* Prétraitement spectral avec les fonctions de correction ATR et normalisation par la bande supérieure ~ 1000 cm⁻¹

### Estimation des teneurs en lignine et en polysaccharides

* Hydrolyse acide en deux étapes (72 % H₂SO₄ à 30 °C pendant 1 h, suivi de 4 % H₂SO₄ à 121 °C pendant 1 h), le résidu insoluble dans l'acide est représenté principalement par la lignine Klason

* Mesure de la concentration en monosaccharides par chromatographie en phase liquide à haute performance

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Fig. 3: Résidu insoluble obtenu après l'hydrolyse acide</figcaption></figure>

### Analyse microstructurale par diffraction des rayons X

* En mode réflexion avec un diffractomètre à rayons X polyvalent automatisé à 40 kV et 30 mA

* Calcul de l'indice de cristallinité relative et la largeur à mi-hauteur au pic de (2θ) à partir du diffractogramme avec la fonction Pseudo-Voigt [2]

### Porosité

* Porosité (%) = $\left(1 - \frac{\rho_{\text{échantillon}}}{\rho_{\text{paroi cellulaire}}}\right) \times 100\%$

* $\rho_{\text{paroi cellulaire}}$ est supposé de 1,5 g/cm³

## Résultats

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Fig. 4: Blocs de bois de peuplier 1 cm³: (a) sans traitement ; (b) alcoolyle 150 °C-1 h ; (c) blanchiment NaClO₂ ; (d) alcoolyle 100 °C-1 h et blanchiment NaClO₂ ; (e) alcoolyle 120 °C-1 h et blanchiment NaClO₂ ; (f) alcoolyle 150 °C-1 h et blanchiment NaClO₂</figcaption></figure>

* Les deux étapes (alcoolyle et blanchiment) sont essentielles pour extraire les composants non cellulosiques.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Fig. 5: Spectres IRTF des blocs de peuplier sous différentes conditions de traitement</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Fig. 6: Rapport des composants chimiques avant et après le traitement</figcaption></figure>

* La disparition du pic à 1508 cm⁻¹ indique l'absence de lignine.

* La bande 1730 cm⁻¹ est attribuée à l'hémicellulose acétylée, seule l'alcoolyle à 150 °C réussit à retirer l'hémicellulose en 1 heure.

<table><thead><tr><td></td><td>Indice de cristallinité</td><td>Largeur à mi-hauteur de (2θ)(°)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Peuplier naturel</td><td>0,759</td><td>2,98</td></tr><tr><td>Peuplier délignifié</td><td>0,829</td><td>2,49</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Tab. 1: Indice de cristallinité et largeur à mi-hauteur avant et après le traitement</figcaption></figure>

<caption>Fig. 7: Porosité des blocs de peuplier sous différentes conditions de traitement</caption>

* Une cristallinité relative plus élevée indique l'amélioration de l'orientation des microfibres de cellulose après la délignification.

* Un traitement d'alcoolyle à température plus élevée ou de plus longue durée avant le blanchiment NaClO₂ entraîne une perte de masse plus élevée.

## Conclusions et Perspectives

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

Le traitement d'alcoolyle à 120 °C pendant au moins 3 heures est nécessaire avant le blanchiment au NaClO₂ pour délignifier efficacement.

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

L'extraction de la lignine et de l'hémicellulose du bois de peuplier par délignification en deux étapes réduit sa densité de 0,4 à 0,16.

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

Le bois délignifié présente un potentiel d'utilisation comme matériau d'isolation thermique biosourcé.

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Pour la production industrielle, il convient d'envisager des méthodes de séchage alternatives et des agents de blanchiment écologiques.

### Remerciements

Les auteurs remercient l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) et la société Dagard pour le financement de la thèse via le plan « France Relance », ainsi que le projet I-Site CAP 20-25 et Tokyo University of Agriculture and Technology pour le financement du séjour de recherche. Les auteurs remercient également les membres du Laboratoire Biomass Structural Functionality (T.Kurei, X.Wei, Y.Yasuda, S.Sakai, R.Suzuki, A.Yamanaka) pour les conseils sur les instruments expérimentaux.

### Bibliographie

[1] Horikawa Y., Tsushima R., Noguchi K., Nakaba S., Funada R. (2020). Development of colorless wood via two-step delignification involving alcoholysis and bleaching with maintaining natural hierarchical structure. Journal of Wood Science, 66(1), 37.

[2] Hirano S., Kurei T., Nakaba S., Funada R., Horikawa, Y. (2023). Elucidation of alcoholysis for the preparation of lignin-free wood sections from Cryptomeria japonica. Cellulose, 30(10), 6589-6600.