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Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014 1
Fragmentation fermentaire et
fonctionnalisation de la
biomasse : dichotomie ou
complémentarité ? Le cas de
bioplastiques
Sandra Domenek
AgroParisTech, UMR 1145, 91730 Massy, France
INRA, UMR 1145, 91730 Massy, France
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014 2
Reverse engineering
packaging
UMR 1145 GENIAL Ingénierie Procédés Aliments
Interactions between materials and media in contact
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
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
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
Volume de production
7
www.plasticseurope.org
40 % des volumes utilisés
dans des applications de
courte durée de vie
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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
Exemple polyéthylène
HDPE
LDPE
500 1000
100
200
LDPE T
L
Contr
ain
te (
kg/m
2)
Allongement (%)
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• Bioplastiques – matériaux biodégradables et/ou biosourcés
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Photos: European Bioplastics
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Contenu en carbone biosourcé
• ASTM D6866 – Base sur l’identification du contenu en 14C par
méthodes d’analyse isotopique
• Contenu en 14C de la biomasse connu, carbone fossile ne contient plus de 14C Méthode radiocarbone la plus répandu (dosage de la radioactivité faible du 14C)
– 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 2011
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Biodégradation – EN 13432
• 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
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Polymères disponibles
Matrice des bioplastiques : Preventpack, 2012, p.1
Bioplastiques Bioplastiques
Bioplastiques
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Biomasse
Fibres/ macromolécules
Constituants monomères (sucres, lipides, …)
Synthons
Macromolécules
Fractionnement (physique)
Déconstruction (physique, chimique)
Conversion (fermentaire, biochimique, chimique)
Synthèse (bio)chimique, fermentaire
ther
mo
chim
ie
Composites Papiers Amidons thermoplastiques …
Additifs, solvants, …
Stratégies d’obtention d’un bioplastique
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Synthons et additifs polymères
DOE, 2002
Molécule plateforme: ex. ac. succinique
Plastifiants biosourcés: • Polysorb, Bio-SA, Dow
Ecolibrium, Proviplast, ….
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Biomasse
Fibres/ macromolécules
Constituants monomères (sucres, lipides, …)
Synthons
Macromolécules
Fractionnement (physique)
Déconstruction (physique, chimique)
Conversion (fermentaire, biochimique, chimique)
Synthèse (bio)chimique, fermentaire
ther
mo
chim
ie
Composites Papiers Amidons thermoplastiques …
Additifs, solvants, …
Stratégies d’obtention d’un bioplastique
Résines biodégradables • PLA, PBS, … Résines durables de substitution • PE, PET Résines durables nouvelles • Polyuréthanes, polyamides
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Synthèse du poly(lactide)
poly(D,L-lactide)
PLA
HO
CH3
OH
O n
*
HO
CH3
OH
O
HO
CH3
OH
O n
HO
CH3
OH
O n
O
O
H3C
O
CH3
O
oligomers
lactide
PLA
lactic acid
n=700-1500n=30-70
- (n-1) H2O - H2O
- 2 H2O
Biomasse
Fermentation
Purification
Hydrolyse
Glucose
Garlotta, J Polym Environ, 2001
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Biomasse
Fibres/ macromolécules
Constituants monomères (sucres, lipides, …)
Synthons
Macromolécules
Fractionnement (physique)
Déconstruction (physique, chimique)
Conversion (fermentaire, biochimique, chimique)
Synthèse (bio)chimique, fermentaire
ther
mo
chim
ie
Composites Papiers Amidons thermoplastiques …
Additifs, solvants, …
Stratégies d’obtention d’un bioplastique
Résines biodégradables • PLA, PBS, … Résines durables de substitution • PE, PET Résines durables nouvelles • Polyuréthanes, polyamides
Matériaux de commodité Matériaux techniques
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Acteurs dans la filière des objets plastiques
Producteurs de granulés
Compounders/ Formulateurs
Transformateurs/ mise en
œuvre
Equipementières/ Fabricants
de moules Utilisateurs
Consommateurs
Recycleurs
18
Industrie agro-alimentaire
Industrie chimique
Traitement
de fin de
vie
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Comparaison - Propriétés mécaniques
0
50
100
150
200
250
300
0 100 200 300 400 500 600 700
élongation à la rupture [%]
co
ntr
ain
te s
eu
il [
MP
a]
PET
PBAT PLA
PHB
PHBV
PBSA
PEA PBAT
PCL
LDPE
cellulose
PP
PA11
PA6
Données: Auras 2004,
Biopolymers L. Averous 2009,
données fabricant
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Comparaison - Propriétés barrière
Ketchup, sauces
Tablets (blister)
Oil
Coffee (instant)
Coffee (vaccum)
UHT milk
Beer
Baby food, special, infusions
Meat, MAP
Low fat, dry food
Nuts, snaks
Ketchup, sauces
Tablets (blister)
Oil
Coffee (instant)
Coffee (vaccum)
UHT milk
Beer
Baby food, special, infusions
Meat, MAP
Low fat, dry food
Nuts, snaks
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
Acteurs dans la filière des objets plastiques
Producteurs de granulés
Compounders/ Formulateurs
Transformateurs/ mise en
œuvre
Equipementières/ Fabricants
de moules Utilisateurs
Consommateurs
Recycleurs
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? Retour sur
l’expérience
Industrie agro-alimentaire
Industrie chimique
Traitement
de fin de
vie
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
Retour d’expérience transformateurs
• 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…)
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Polymères biodégradables et biosourcés
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014 23
Substitution directe de monomères
Exemple: PET biosourcé
Schéma: Cees van Dongen, Coca-Cola, 2011
Retour sur expérience des transformateurs très positif
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014 24
Prédiction du volume de production
european-bioplastics.com
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014 25
Trend du biodégradable au biosourcé
Avec Google Scholar
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
Acteurs dans la filière des objets plastiques
Producteurs de granulés
Compounders/ Formulateurs
Transformateurs/ mise en
œuvre
Equipementières/ Fabricants de
moules Utilisateurs
Consommateurs
Recycleurs
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Industrie agro-alimentaire
Industrie chimique
Traitement
de fin de
vie Structuration par le procédé de mise en œuvre
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
Biomasse
Fibres/ macromolécules
Constituants monomères (sucres, lipides, …)
Synthons
Macromolécules
Fractionnement (physique)
Déconstruction (physique, chimique)
Conversion (fermentaire, biochimique, chimique)
Synthèse (bio)chimique, fermentaire
ther
mo
chim
ie
Nouvelles stratégies mixtes vers de matériaux fonctionnels
27
Structures
multi-couches,
assemblages,
mélanges
Procédés de mise en œuvre
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014 28
Trend vers l’utilisation de nanostructures
Avec Google Scholar
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
1990-1995 1995-2000 2000-2005 2005-2010 2010-2014
no
mb
re d
e r
éfé
ren
ces
biobased polymer biodegradable polymer
biobased polymer nanocomposite biodegradable polymer nanocomposite
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Biomasse
Fibres/ macromolécules
Constituants monomères (sucres, lipides, …)
Synthons
Macromolécules
Fractionnement (physique)
Déconstruction (physique, chimique)
Conversion (fermentaire, biochimique, chimique)
Synthèse (bio)chimique, fermentaire
ther
mo
chim
ie
Nouvelles stratégies mixtes vers de matériaux fonctionnels
Exemple: Création de nanostructures organiques et dérivation chimique
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Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
Hydrolysis
Defibrillation
Mechanical homogenization
D 2-20 nm L 200-1000 nm
D 2-20 nm L ˃ 1000 nm
Dialysis Azizi-Samir et al. 2005 Tanem et al. 2006 Hubbe et al. 2008 TAPPI Nanocellulose 2011
Cellulose fiber
Mic
ro
fib
ril
Cellulose Nanocrystals-CNC
Microfibrillated cellulose
Fabrication et fonctionnalisation de nanostructures de cellulose
30
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
pH-Responsive Cellulose Nanocrystal Gels and Nanocomposites
Rowan et al. 2012
Enzyme immobilization and Catalysis using Au-CNC
Natural resources to prepare reusable hybrid inorganic-organic materials. Facility of product isolation/purification.
Mahmoud et al. 2009 Lam et al. 2012
Silver colloidal suspensions with antimicrobial properties
Ag–NCC solutions inhibit the growth
of both E. coli and S. aureus.
Drogat et al. 2011
Koga et al. 2010
Nanoscale fluorescent markers Surface hydroxyl groups can be reacted with fluorophores for quantification and localization of nanoparticles within a cell.
Dong et al. 2007
Bioimaging and drug delivery Surface charge and conjugation of noncytotoxic elements to NCC are
important considerations for the use of NCC as a natural carrier into cells.
Mahmoud et al. 2010
Moon et al. 2010
Lam et al. 2012
Fonctionnalisation chimique de la cellulose
31
Sandra Domenek – colloque AEPRC 5-6 février 2014
Conclusion
Producteurs de granulés
Compounders/ Formulateurs
Transformateurs/ mise en œuvre
Equipementières/ Fabricants de
moules Utilisateurs
Consommateurs
Recycleurs
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Industrie agro-alimentaire
Industrie chimique
Dichotomie ou complémentarité ?
Sophistication des
matériaux en intégrant les
besoins de la filière
• 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
Merci pour votre attention.
sandra.domenek@agroparistech.fr
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