Fractionnement et modifications chimiques d’une lignine alcaline pour la stabilisation d’émulsions

Fractionation and chemical modifications of an alkaline lignin for the stabilization of emulsionsFractionation and chemical modifications of an alkaline lignin for the stabilization of emulsions

• Auteur / Autrice : Maëva Peloille
• Direction : Stéphane Grelier, Henri Cramail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Maud Save
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Reulier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florent Allais, Isabelle Ziegler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ozonolyse

Cellules -- Fractionnement

Composés amphiphiles

Lignine

Mots clés libres

Lignine

Fractionnement

Ozonolyse

Carboxyméthylation

Amphiphiles biosourcés

Émulsions

Lignin

Fractionation

Ozonation

Carboxymethylation

Biobased amphiphiles

Emulsions

Résumé

La biomasse est une ressource abondante et renouvelable dont l’exploitation constitue une option incontournable face à l’épuisement des ressources fossiles et l’émission toujours plus importante de gaz à effet de serre. La valorisation de la lignine, première source naturelle de structures aromatiques et sous-produit de l’industrie papetière, est un véritable enjeu, d’autant plus que ses propriétés intrinsèques peuvent être mises à profit pour la stabilisation de systèmes colloïdaux. Dans ses travaux, une lignine alcaline locale a donc été soumise à des protocoles successifs visant à moduler son amphiphilie. Dans un premier temps, un procédé de fractionnement en deux étapes, impliquant l’eau et l’acétone a permis la solubilisation d’une majeure partie de la lignine dans l’eau, sur une large gamme de pH et ce, à forte concentration. Cette lignine a ensuite été modifiée chimiquement en milieu aqueux. D’une part, des réactions d’ozonolyse ont été optimisées et la caractérisation des lignines obtenues a notamment montré une rupture maîtrisée des cycles aromatiques, conduisant à la formation de nouvelles fonctions acide carboxylique et à une meilleure hydrophilie de la lignine. D’autre part, des réactions de carboxyméthylation ont également permis l’introduction de fonctions acide carboxylique, tout en conservant le squelette aromatique de la lignine. Ces lignines enrichies en fonctions acide carboxylique ont ensuite été engagées dans des réactions chimiques visant à moduler leurs propriétés de surface. Si les tentatives d’estérification effectuées en présence d’alcools gras se sont avérées infructueuses, des réactions de méthylation se sont montrées efficaces permettant d’obtenir des lignines d’hydrophobie accentuée. Les différentes lignines obtenues ont ensuite été utilisées dans la préparation d’émulsions directes dont la caractérisation a mis en évidence différents mécanismes de stabilisation de ces lignines modifiées chimiquement.

The biomass is an abundant and renewable resource whose exploitation offers a key solution to the depletion of fossil resources and the increasing emission of greenhouse gases. The valorization of lignin, the major natural source of aromatic structures and a byproduct of the paper industry, represents a significant challenge, especially since its properties can be useful for stabilizing colloidal systems. In this research, a local alkali lignin was subjected to successive protocols aiming at modulating its amphiphilic properties. First, a two-step fractionation process using water and acetone enabled the solubilization of most of the lignin in water, across a wide pH range and at high concentrations. This solubilized lignin was then involved in chemical modifications that could be carried out in aqueous media. On one hand, optimized ozonolysis reactions resulted in the controlled cleavage of aromatic rings, leading to the formation of new carboxylic acid groups and enhanced the lignin hydrophilicity. On the other hand, carboxymethylation reactions introduced carboxylic acid functions without altering the lignin’s aromatic backbone. These carboxylic acid-enriched lignins were then subjected to further surface property modification reactions. While esterifications with fatty alcohols were unsuccessful, methylation reactions effectively produced more hydrophobic lignins. The different lignins obtained were subsequently used to prepare oil-in-water emulsions, whose characterization revealed the various lignins stabilization mechanisms.