Technoeconomic assessment of bacterial nanocellulose production from second generation sugars derived via the OxiOrganosolv pretreatment process
Cette étude évalue la faisabilité technico-économique de la production de nanocellulose bactérienne à partir de sucres issus de la foresterie via un prétraitement par OxiOrganosolv, identifiant que la minimisation de l'investissement en capital fixe dans les bioréacteurs et l'optimisation des coûts des matières premières et du séchage sont critiques pour atteindre la viabilité économique.
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Dans le monde des matériaux, il existe une recherche constante de substances qui soient à la fois solides, flexibles et respectueuses de la planète. L'un de ces matériaux est la nanocellulose bactérienne, une substance créée non pas par des plantes, mais par de minuscules bactéries qui transforment le sucre en fibres incroyablement fines. Contrairement à la cellulose que l'on trouve dans le bois ou le coton, qui s'accompagne d'un mélange d'autres parties végétales comme la lignine, cette version bactérienne est pure. Elle forme une feuille gélatineuse composée principalement d'eau, tout en possédant une force remarquable et pouvant être façonnée en films, tubes ou échafaudages pour un usage médical. Parce qu'elle est biodégradable et non toxique, les scientifiques et les ingénieurs cherchent avec empressement des moyens de la produire assez peu cher pour remplacer les plastiques dans l'emballage ou pour l'utiliser dans des pansements avancés. Le défi a toujours été que la fabrication de ce matériau est lente et coûteuse, nécessitant souvent des sucres purs et de vastes quantités d'énergie pour éliminer l'eau du produit final.
Une équipe de chercheurs en Grèce a récemment abordé la question de savoir si ce matériau pouvait devenir économiquement viable en utilisant un type spécifique de sucre résiduel issu de déchets forestiers. Ils se sont concentrés sur un processus qui élimine d'abord les parties ligneuses et non utiles de la matière végétale à l'aide d'oxygène et de chaleur, laissant derrière lui une pulpe propre qui peut être transformée en sucre. Ils ont ensuite posé une question simple mais difficile : si nous utilisons ce sucre de deuxième génération pour nourrir les bactéries, combien coûterait réellement la production du produit final ? Pour trouver la réponse, ils ont construit un modèle informatique détaillé d'une usine capable de produire cent tonnes de nanocellulose bactérienne sèche chaque année. Ils n'ont pas fait de suppositions ; ils ont calculé le coût de chaque équipement, de chaque goutte d'eau et de chaque heure d'électricité nécessaire au fonctionnement de l'usine, du moment où le sucre arrive jusqu'au moment où les feuilles séchées sont emballées.
Les chercheurs ont conçu une configuration d'usine qui repose sur de grands plateaux peu profonds où les bactéries croissent dans un environnement calme et immobile. Cela est nécessaire car les bactéries ont besoin de respirer l'air pour créer leurs fibres, et l'agitation du mélange briserait les feuilles délicates qu'elles forment. Le processus implique un cycle long d'environ huit jours pour chaque lot, durant lequel les bactéries consomment le sucre et construisent une couche épaisse de nanocellulose à la surface du liquide. Une fois la croissance terminée, les feuilles sont récoltées, lavées avec une solution de nettoyage douce pour éliminer les bactéries, puis séchées. L'équipe a modélisé deux résultats différents pour le produit final : un cas où le matériau est séché jusqu'à être principalement solide avec une petite quantité d'humidité, et un autre où il est vendu sous forme de gel humide composé presque entièrement d'eau.
Lorsqu'ils ont lancé les calculs, les résultats étaient clairs mais exigeants. Pour que le projet soit financièrement viable, l'entreprise devrait vendre le matériau séché à environ deux cent trois euros le kilogramme, ou le gel humide à un peu plus de deux euros le kilogramme. Ces prix sont élevés, mais ils reflètent la réalité de la technologie actuelle. Le principal moteur de coût n'était pas le sucre ou l'électricité, mais la machinerie elle-même. Les chercheurs ont découvert que l'équipement nécessaire pour cultiver les bactéries, spécifiquement les réservoirs d'ensemencement et les grands réacteurs à plateaux, représentait près de quatre-vingts pour cent du coût total de construction de l'usine. Cet investissement lourd est nécessaire car les bactéries croissent lentement, ce qui signifie que l'usine a besoin d'un grand nombre de réacteurs fonctionnant simultanément pour produire une quantité décente de produit par an.
L'étude a également souligné que le coût de l'alimentation des bactéries est un facteur majeur. La solution de sucre nécessite des nutriments coûteux, particulièrement un ingrédient riche en protéines appelé peptone, qui constitue une part importante du budget de fonctionnement quotidien. De plus, le processus génère un volume important d'eaux usées qui doivent être traitées avec soin, ajoutant une autre couche de coût et de complexité. Les chercheurs ont noté que l'étape du séchage, bien qu'énergivore, représente un fardeau financier moindre que les coûts d'équipement, mais qu'elle reste critique car la manière dont le matériau est séché modifie ses propriétés physiques. Si le matériau est séché trop agressivement, il perd les qualités uniques qui le rendent précieux pour les applications haut de gamme.
Malgré ce prix élevé, l'analyse suggère que le projet pourrait être rentable sur une durée de vie de trente ans, à condition que le marché valorise suffisamment les propriétés uniques du matériau pour accepter de payer le prix fort. Les chercheurs ont conclu que la voie pour rendre ce matériau moins cher réside dans l'ingénierie de réacteurs meilleurs et moins coûteux et dans la recherche de moyens pour raccourcir les longs cycles de fermentation. Ils ont également insisté sur le fait qu'améliorer l'efficacité du processus de séchage et trouver des moyens moins coûteux de traiter les eaux usées sont des étapes essentielles. Bien que le modèle actuel montre que la nanocellulose bactérienne est un produit à coût élevé, l'étude fournit une feuille de route claire indiquant où des améliorations sont nécessaires pour la rapprocher du prix des matériaux du quotidien. Ce travail confirme que si la technologie est solide, l'économie est actuellement tendue, reposant sur la qualité supérieure du matériau pour justifier son coût dans des marchés de niche comme la médecine et l'emballage avancé.
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