Fragmentation fermentaire et fonctionnalisation de la biomasse : dichotomie ou complémentarité? Le cas de bioplastiques

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1 Fragmentation fermentaire et fonctionnalisation de la biomasse : dichotomie ou complémentarité? Le cas de bioplastiques Sandra Domenek AgroParisTech, UMR 1145, Massy, France INRA, UMR 1145, Massy, France 1

2 UMR 1145 GENIAL Ingénierie Procédés Aliments Interactions between materials and media in contact packaging Reverse engineering 2

3 Sommaire Introduction Polymères, volume de production, propriétés, définitions Stratégies d obtention de bioplastiques Deconstruction, fragmentation Complémentarité entre approches Assemblages de matériaux par le procédé de mise en œuvre Prise en compte des échelles petites Conclusion 3

4 Our plastic age 6

5 Volume de production 40 % des volumes utilisés dans des applications de courte durée de vie 7

6 Exemple polyéthylène Contrainte (kg/m 2 ) Le sac plastique polyéthylène basse densité léger, imperméable, résistant, réutilisable, imprimable,.. perte de 75 % de son poids en 15 ans pour des performances inchangées poids de 5 g pour transporter jusqu à 10 kg 200 L T LDPE 100 Allongement (%) HDPE LDPE 8

7 Bioplastiques matériaux biodégradables et/ou biosourcés Photos: European Bioplastics 9

8 Contenu en carbone biosourcé ASTM D6866 Base sur l identification du contenu en 14 C par méthodes d analyse isotopique Contenu en 14 C de la biomasse connu, carbone fossile ne contient plus de 14 C Méthode radiocarbone la plus répandu (dosage de la radioactivité faible du 14 C) Définitions: BIOBASED Materials that are derived in whole or in part from biomass resources are biobased. Biomass resources are organic materials that are available on a renewable or recurring basis such as crop residues, wood residues, grasses, and aquatic plants. Corn ethanol is a well-known example of a biobased material derived from biomass resources. BIOBASED PRODUCT Any product that contains some amount of biobased material within it is technically a biobased product. The term is typically applied only to materials containing carbon. Processus de normalisation européen en cours depuis

9 Biodégradation EN Caractéristiques à contrôler et critères d acceptation: Maîtrise des constituants (respect des concentrations seuils en métaux lourds) Biodégradabilité ultime Conversion métabolique de 90% en moins de 6 mois Désintégration en cours de traitement biologique Fragmentation et perte totale de visibilité en moins de 3 mois Caractérisation d effets écotoxiques Test de toxicité pour animaux terrestres et marines (daphnia magna, test de ver de terre, test de germination) Qualité du compost final Croissance des plantes, valeur agricole Renvoi à des méthodes d essai normalisées 11

10 Polymères disponibles Bioplastiques Bioplastiques Bioplastiques Matrice des bioplastiques : Preventpack, 2012, p.1 12

11 thermochimie Stratégies d obtention d un bioplastique Biomasse Fractionnement (physique) Fibres/ macromolécules Déconstruction (physique, chimique) Constituants monomères (sucres, lipides, ) Conversion (fermentaire, biochimique, chimique) Synthons Synthèse (bio)chimique, fermentaire Composites Papiers Amidons thermoplastiques Additifs, solvants, Macromolécules 13

12 Synthons et additifs polymères Molécule plateforme: ex. ac. succinique DOE, 2002 Plastifiants biosourcés: Polysorb, Bio-SA, Dow Ecolibrium, Proviplast,. 14

13 thermochimie Stratégies d obtention d un bioplastique Biomasse Fractionnement (physique) Fibres/ macromolécules Déconstruction (physique, chimique) Constituants monomères (sucres, lipides, ) Conversion (fermentaire, biochimique, chimique) Synthons Composites Papiers Amidons thermoplastiques Additifs, solvants, Résines biodégradables Synthèse (bio)chimique, PLA, PBS, fermentaire Résines durables de substitution PE, PET Macromolécules Résines durables nouvelles 15 Sandra Domenek colloque AEPRC 5-6 février Polyuréthanes, 2014 polyamides

14 Synthèse du poly(lactide) Biomasse Hydrolyse Fermentation Glucose CH 3 Purification CH 3 HO * O H OH - (n-1) H HO 2 O - H 2 O O O poly(d,l-lactide) PLA n HO CH 3 O H O n n=30-70 oligomers lactic acid - 2 H 2 O HO CH 3 O PLA O H n n= O H 3 C O O lactide O CH 3 Garlotta, J Polym Environ,

15 thermochimie Stratégies d obtention d un bioplastique Biomasse Fractionnement (physique) Fibres/ macromolécules Déconstruction (physique, chimique) Constituants monomères (sucres, lipides, ) Conversion (fermentaire, biochimique, chimique) Synthons Composites Papiers Amidons thermoplastiques Matériaux de commodité Matériaux techniques Additifs, solvants, Résines biodégradables Synthèse (bio)chimique, PLA, PBS, fermentaire Résines durables de substitution PE, PET Macromolécules Résines durables nouvelles 17 Sandra Domenek colloque AEPRC 5-6 février Polyuréthanes, 2014 polyamides

16 Acteurs dans la filière des objets plastiques Industrie agroalimentaire Industrie chimique Producteurs de granulés Traitement de fin de vie Recycleurs Compounders/ Formulateurs Consommateur s Transformateur s/ mise en œuvre Utilisateurs Equipementièr es/ Fabricants de moules

17 contrainte seuil [MPa] Comparaison - Propriétés mécaniques 300 PET cellulose PP PA6 PBSA PLA PA11 PCL PBAT PHB LDPE PHBV PEA PBAT élongation à la rupture [%] Données: Auras 2004, Biopolymers L. Averous 2009, données fabricant 19

18 Comparaison - Propriétés barrière Low fat, dry food Tablets (blister) Ketchup, sauces Nuts, snaks Meat, MAP Oil Coffee (instant) UHT milk Beer Coffee (vaccum) Baby food, special, infusions 20

19 Acteurs dans la filière des objets plastiques Industrie agroalimentaire Industrie chimique Producteurs de granulés Traitement de fin de vie Recycleurs Compounders/ Formulateurs Consommateur s Transformateur s/ mise en œuvre Utilisateurs Equipementièr es/ Fabricants de moules? Retour sur l expérience

20 Retour d expérience transformateurs Polymères biodégradables et biosourcés Cadences faibles Coûts d investissement élevés Coûts de matière première élevés Insécurité d approvisionnement Problématique de formation du personnel sur les lignes Problèmes de décoration des objets (impression, coloration ) 22

21 Substitution directe de monomères Exemple: PET biosourcé Retour sur expérience des transformateurs très positif Schéma: Cees van Dongen, Coca-Cola,

22 Prédiction du volume de production european-bioplastics.com 24

23 Trend du biodégradable au biosourcé Avec Google Scholar 25

24 Acteurs dans la filière des objets plastiques Industrie agroalimentaire Industrie chimique Producteurs de granulés Traitement de fin de vie Recycleurs Consommateurs Compounders/ Formulateurs Transformateur s/ mise en œuvre Structuration par le procédé de mise en œuvre Utilisateurs Equipementières/ Fabricants de moules

25 thermochimie Nouvelles stratégies mixtes vers de matériaux fonctionnels Biomasse Fractionnement (physique) Fibres/ macromolécules Déconstruction (physique, chimique) Constituants monomères (sucres, lipides, ) Conversion (fermentaire, biochimique, chimique) Synthons Synthèse (bio)chimique, fermentaire Procédés de mise en œuvre Structures multi-couches, assemblages, mélanges Macromolécules 27

26 nombre de références Trend vers l utilisation de nanostructures biobased polymer biobased polymer nanocomposite biodegradable polymer biodegradable polymer nanocomposite Avec Google Scholar 28

27 thermochimie Nouvelles stratégies mixtes vers de matériaux fonctionnels Biomasse Fractionnement (physique) Fibres/ macromolécules Déconstruction (physique, chimique) Constituants monomères (sucres, lipides, ) Conversion (fermentaire, biochimique, chimique) Synthons Exemple: Création de nanostructures organiques et dérivation chimique Synthèse (bio)chimique, fermentaire Macromolécules 29

28 Microfibril Fabrication et fonctionnalisation de nanostructures de cellulose Mechanical homogenization Microfibrillated cellulose Defibrillation D L 2-20 nm 1000 nm Cellulose Nanocrystals-CNC Hydrolysis Cellulose fiber Azizi-Samir et al Tanem et al Hubbe et al TAPPI Nanocellulose 2011 Dialysis D 2-20 nm L nm 30

29 Fonctionnalisation chimique de la cellulose Lam et al ph-responsive Cellulose Nanocrystal Gels and Nanocomposites Enzyme immobilization and Catalysis using Au-CNC Natural resources to prepare reusable hybrid inorganicorganic materials. Facility of product isolation/purification. Mahmoud et al Lam et al Rowan et al Silver colloidal suspensions with antimicrobial properties Ag NCC solutions inhibit the growth of both E. coli and S. aureus. Moon et al Koga et al Drogat et al Bioimaging and drug delivery Surface charge and conjugation of Nanoscale fluorescent markers noncytotoxic elements to NCC are Surface hydroxyl groups can be reacted with important considerations for the use of fluorophores for quantification and NCC as a natural carrier into cells. localization of nanoparticles within a cell. Dong et al Mahmoud et al

30 Conclusion Dichotomie ou complémentarité? Consommateurs Industrie agroalimentaire Recycleurs Producteurs de granulés Industrie chimique Sophistication des matériaux en intégrant les besoins de la filière Compounders/ Formulateurs Transformateurs / mise en œuvre complémentarité chimie/ chimie verte pour augmenter la technicité des matériaux exploiter la complémentarité entre approches de structuration chimique et physique pour la création de la fonction Utilisateurs Equipementières/ Fabricants de moules Merci pour votre attention. sandra.domenek@agroparistech.fr 32