Fragmentation fermentaire et fonctionnalisation de la ... · Schéma: Cees van Dongen, Coca-Cola, 2011 Retour sur expérience des transformateurs très positif . Sandra Domenek –

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


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


Our plastic age…

6


Volume de production

7

www.plasticseurope.org

40 % des volumes utilisés

dans des applications de

courte durée de vie


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 (%)


• Bioplastiques – matériaux biodégradables et/ou biosourcés

9

Photos: European Bioplastics


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

10


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

11


Polymères disponibles

Matrice des bioplastiques : Preventpack, 2012, p.1

Bioplastiques Bioplastiques

Bioplastiques

12


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


Synthons et additifs polymères

DOE, 2002

Molécule plateforme: ex. ac. succinique

Plastifiants biosourcés: • Polysorb, Bio-SA, Dow

Ecolibrium, Proviplast, ….


Biomasse



Synthons

Macromolécules





ther

mo

chim

ie




Résines biodégradables • PLA, PBS, … Résines durables de substitution • PE, PET Résines durables nouvelles • Polyuréthanes, polyamides


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


Biomasse



Synthons

Macromolécules





ther

mo

chim

ie




Résines biodégradables • PLA, PBS, … Résines durables de substitution • PE, PET Résines durables nouvelles • Polyuréthanes, polyamides

Matériaux de commodité Matériaux techniques


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


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


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






œuvre

Equipementières/ Fabricants

de moules Utilisateurs

Consommateurs

Recycleurs

21

? Retour sur

l’expérience


Industrie chimique

Traitement

de fin de

vie


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…)

22

Polymères biodégradables et biosourcés


Substitution directe de monomères

Exemple: PET biosourcé

Schéma: Cees van Dongen, Coca-Cola, 2011

Retour sur expérience des transformateurs très positif


Prédiction du volume de production

european-bioplastics.com


Trend du biodégradable au biosourcé

Avec Google Scholar






œuvre

Equipementières/ Fabricants de

moules Utilisateurs

Consommateurs

Recycleurs

26


Industrie chimique

Traitement

de fin de

vie Structuration par le procédé de mise en œuvre


Biomasse



Synthons

Macromolécules





ther

mo

chim

ie

Nouvelles stratégies mixtes vers de matériaux fonctionnels

27

Structures

multi-couches,

assemblages,

mélanges

Procédés de mise en œuvre


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


Biomasse



Synthons

Macromolécules





ther

mo

chim

ie

Nouvelles stratégies mixtes vers de matériaux fonctionnels

Exemple: Création de nanostructures organiques et dérivation chimique

29


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


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


Conclusion



Transformateurs/ mise en œuvre

Equipementières/ Fabricants de

moules Utilisateurs

Consommateurs

Recycleurs

32


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.

[email protected]

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Fragmentation fermentaire et fonctionnalisation de la ... · Schéma: Cees van Dongen, Coca-Cola, 2011 Retour sur expérience des transformateurs très positif . Sandra Domenek –