Les ressources forestières en composés chimiques extractibles : une connaissance fondamentale indispensable pour refonder la xylochimie, dans le cadre de la transition bioéconomique circulaire des territoires

Contexte et genèse du projet

Comment valoriser au mieux le bois exploité de nos forêts ? Comment tirer un meilleur profit de la grande richesse en biomolécules des nombreux compartiments de l’arbre ? Comment apporter encore plus de valeur ajoutée aux co-produits de la transformation industrielle ? Comment participer à la transition bioéconomique circulaire des territoires ? Comment satisfaire la demande sociétale croissante en produits bio-sourcés ? 

En réponse à ces questions de société, et pour refonder une chimie du bois (xylochimie) moderne, il est apparu nécessaire d’améliorer nos connaissances fondamentales sur l’immense variabilité des composés chimiques présents dans nos 17 millions d’hectares de forêts (4^ème surface forestière nationale en Europe). Ces forêts présentent une large variabilité selon les territoires et leurs conditions écologiques, selon les nombreuses espèces et les compartiments de l’arbre (écorce, bois, nœuds), selon les gradients à l’intérieur des compartiments (particulièrement entre le haut et le bas de l’arbre).

La chimie du bois concerne deux grands types de composés : les composés structuraux que sont la cellulose, les hémicelluloses et les lignines d’un côté, et de l’autre les composés non structuraux qui migrent dans ces structures : composés dits extractibles car on peut les extraire par des solvants, idéalement des solvants verts comme l’eau, l’éthanol… Le déficit de connaissances s’avère plus grand pour le second type de composés sur lesquels un plus grand effort de recherche doit être consenti. 

 

Présentation du projet ExtraFor_Est

L’ensemble des recherches menées dans le cadre du programme de recherche ExtraFor_Est avait les objectifs suivants :

• Quantifier les différents niveaux de variabilité des composés extractibles ;
• Identifier les marchés susceptibles de valoriser les extraits et composés identifiés ;
• Diffuser rapidement les connaissances acquises pour sensibiliser les acteurs et susciter l’émergence de filières forêt-chimie.

Ces recherches ont débuté en 2012 par la thèse CPJ (Contrat Jeune Scientifique) de Zineb Kebbi-Benkeder sur les extractibles des nœuds, co-encadrée par l’UMR SILVA et le LERMAB. Cette thèse a été suivie par plusieurs contrats de recherche avec le LabEx Arbre, la DRAAF, le FEDER, l’ADEME, la région Grand-Est à hauteur de plus de 1 750 000 euros de 2017 à 2023. De son nom complet « Extractibles des Forêts de l’Est », ce programme a permis d’étudier les principales essences des régions Grand Est et Bourgogne Franche-Comté : Sapin, Épicéa, Douglas, Chênes, Hêtre. Six partenaires, à savoir l’UMR Silva (Université de Lorraine, AgroParisTech, INRAE) et l’UR LERMAB (Université de Lorraine, sous contrat avec INRAE), le Département ressources forestières et carbone de l’IGN, le CRITT Bois, l’Office National des Forêts (ONF) et l’Institut Technique, FCBA, ont collaboré activement, mobilisant 17 chercheurs, 3 post-doctorants ainsi que trois doctorants, un apprenti élève-ingénieur AgroParisTech, plusieurs contractuels techniciens ou ingénieurs, des stagiaires de master.

La structure du projet était fondamentalement « resource push » (de la ressource vers les marchés) et multi-échelle : de la molécule au compartiment de l’arbre (écorce, bois du tronc sans nœuds, nœuds, branches), puis à l’arbre entier, à la ressource régionale, aux co-produits générés par les industries et enfin aux marchés, de régionaux jusqu’à internationaux pour certaines applications. L’intégration des estimations des ressources chimiques vers les échelles supérieures a été rendue possible grâce aux nouvelles connaissances sur les volumes des compartiments dans les arbres et dans la ressource d’un territoire, l’infra-densité de ces compartiments permettant de passer des volumes aux biomasses, les concentrations en extraits permettant de passer des biomasses aux quantités d’extraits, dans l’arbre et dans la ressource d’un territoire régional ou infra-régional.

La communication au cœur du projet

Le programme de recherche ExtraFor_Est a été l’occasion de mettre en œuvre une communication de grande ampleur selon des principes mis en place par le bureau de communication OhWood, prestataire en 2019.

Cette communication avait pour but ultime de faire dialoguer le chimiste qui a besoin de biomolécules pour développer des produits nouveaux avec aussi bien le propriétaire forestier qu’il faut mobiliser dans la valorisation optimale de ses bois, que le scieur qui souhaite mieux valoriser ses co-produits dans un débouché supplémentaire, avec l’appui des facilitateurs d’innovation et des territoires.

 

Un projet impactant au niveau environnemental, territorial et économique

Au fur et à mesure de son avancement, le programme de recherche ExtraFor_Est a vu s’amplifier l’impact de ses résultats, grâce notamment à la communication rapide des résultats. Le monde professionnel est devenu familiarisé avec la chimie du bois et attentif aux concrétisations possibles optimisant la circularité dans la filière forêt-bois. Au niveau territorial, la chimie du bois s’affirme de plus en plus comme une alternative incontournable pour réussir la transition bioéconomique des territoires, encadrée par la volonté forte de la région Grand-Est de s’y investir.

Cet esprit, au service de la transition bioéconomique des territoires, a animé depuis la fin de ExtraFor_Est, plusieurs projets-fils : les projets Interreg ExtraBark et ExtraForWal associant la région wallonne ; les projets animés par la SATT Sayens, ExtraFonction abordant les propriétés biologiques et ExtraGo préparant davantage la mise en place concrète de filières par un affinage des études de marchés et réglementaires et la fourniture d’informations sur les ressources ; le projet ANR Arbre ExtraFor_Suite permettant de développer la base de données Silva-LERMAB Wood_DB_Chemistry ; des projets ciblés cosmétiques (Résinœud…), biocontrôle/biostimulation, compléments alimentaires.

Deux initiatives régionales d’émergence de filières forêt-chimie ont par ailleurs vu le jour : l’initiative Kémyos dans et autour du territoire du Parc National des Forêts et l’initiative WoodChem Valley dans le territoire autour d’Epinal, animé par le CRITT Bois.

Résultats

Les résultats de ce programme de recherche sont riches et variés :

Du point de vue de la production de connaissances scientifiques :

• 4 thèses : l’une sur les infra-densités des différents compartiments, une sur la distribution verticale des écorces, une sur les extractibles présents dans les nœuds et une autre sur les extractibles présents dans les écorces ;
• 11 articles scientifiques de rang A publiés, un data paper soumis, un article de vulgarisation technique dans la Revue Forestière Française ; 4 articles en fin de rédaction ;

 

Du point de vue de la production de bases de données et d’outils de modélisation/simulation

• Wood_DB_Chemistry une base de données issues de la littérature scientifique sur les composés chimiques extractibles ;
• Un simulateur de croissance-qualité SimCop-Qual basé sur i. le modèle de croissance SimCop dédié à la sylviculture du Douglas, ii. Un module de modélisation de la qualité du bois et iii. Toutes les connaissances acquises dans ExtraFor_Est ; ce simulateur permet d’estimer la production d’extractibles suivant différents scénarios sylvicoles ;
• Un assemblage d’utilitaires rendant possible la connexion entre les données de l’Inventaire Forestier National, la représentation des filières de valorisation sous AF Filière (maintenant appelé Terriflux, développé par INRIA Grenoble), la comptabilité carbone sous CAT (Carbon Accounting Tool, développé par Matthieu Fortin sous la plateforme CAPSIS).

 

Du point de vue de la diffusion de connaissances :

• 6 interventions à des colloques internationaux notamment à Freiburg et à Nancy (colloque international WoodChem) ;
• 10 réunions publiques ExtraFor_Est de transfert rapide des connaissances régulièrement acquises ;
• Une quinzaine d’interventions aux journées nationales du Groupement de Recherches (GDR) en Sciences du Bois, FOREM (réseau des modélisateurs francophones des systèmes forêt bois), du Laboratoire d’Excellence LabEx ARBRE.
• Un rapport Silva des activités d’analyse des ressources.

 

Du point de vue de la production de ressources appropriées par les acteurs de l’innovation :

• Un outil IGN baptisé Extraforest, d’évaluation des ressources en extractibles dans un rayon de 50, 75, 100 km ou 1h, 2h, 3h autour d’un point géographique ;
• Une analyse des marchés des extractibles identifiés par le pôle de compétitivité B4C (Bioeconomy for Change) ;
• Une méthode générique d’analyse des ressources en extractibles, adaptable à n’importe quel territoire.

 

En termes de communication le bilan est le suivant : un comité de consultants acteurs de la filière forêt-chimie, un site Web, des informations diffusées régulièrement sous Tweets et Linkedin, un partenariat avec Forestopic concrétisé par une petite dizaine d’articles, deux interventions télévisées, une dizaine d’articles dans des revues professionnelles, 3 interventions à des réunions professionnelles…

 

 

Suite du projet et perspectives

Le souci actuel des projets comme WoodChem Valley, une des retombées du programme de recherche ExtraFor_Est, est de concrétiser l’installation d’unités d’extraction ou d’unités de chimie, au moins pilote, sur leur territoire. Des groupes de travail y ont été créés notamment le groupe de travail « Marketing territorial » rassemblant les informations sur les ressources en matière première, foncières, financières, facilités sociales pour l’accueil des personnels. Pour évaluer les ressources en matière première, toutes les connaissances nouvellement acquises dans ExtraFor_Est sont mobilisées, complétant les données de Wood_DB_Chemistry et présentées sous des formats simples, facilitant la communication. C’est également dans cet objectif que des fiches « espèces » sont actuellement préparées par les organismes INRAE/Silva, LERMAB, IGN et Fibois. Un exemple de ces fiches est présenté ci-dessous.

Conclusions

Plutôt que de brûler ou utiliser le paillage de toutes les écorces et les nœuds, riches de très nombreuses biomolécules, il était nécessaire de réfléchir à d’autres valorisations telles que leur valorisation chimique. La stratégie d’acquisition des connaissances nécessaires a été mise au point dans ses grandes lignes pour n’importe quel territoire. Des lacunes de connaissances subsistent néanmoins, qui devront être progressivement comblées, notamment sur les espèces moins importantes que celles déjà étudiées. Les ordres de grandeur des quantités d’extractibles ont été évaluées. Les fractions de biomasse à réserver spécifiquement pour la chimie, du fait de leur richesse chimique, sont maintenant connues, permettant de préserver les valorisations actuelles basées sur les autres fractions. Il s’agit maintenant de travailler sur les innovations organisationnelles, intéressant la logistique de récupération des biomasses, leur préparation, les process d’extraction, la valorisation des résidus d’extraction et surtout sur l’introduction des extraits et des biomolécules sur les marchés qui le permettent. Ceci intéresse des domaines de recherche bien au-delà de ceux des organismes associés au programme ExtraFor_Est.