BIOPLASTIQUES: MODE DE PRODUCTION, TYPES, AVANTAGES, INCONVÉNIENTS - ENVIRONNEMENT - 2024

Les bioplastiques sont tout matériau malléable à base de polymères d'origine pétrochimique ou de biomasse biodégradables. Semblables aux plastiques traditionnels synthétisés à partir du pétrole, ceux-ci peuvent être moulés en divers objets.

Selon leur origine, les bioplastiques peuvent être obtenus à partir de la biomasse (biosourcée) ou être d'origine pétrochimique. En revanche, selon leur niveau de décomposition, il existe des bioplastiques biodégradables et non biodégradables.

Couverts en polyester d'amidon biodégradable. Source: Scott Bauer

L'essor des bioplastiques survient en réponse aux inconvénients générés par les plastiques conventionnels. Celles-ci incluent l'accumulation de plastiques non biodégradables dans les océans et les décharges.

D'autre part, les plastiques conventionnels ont une empreinte carbone élevée et une teneur élevée en éléments toxiques. En revanche, les bioplastiques présentent plusieurs avantages puisqu'ils ne produisent pas d'éléments toxiques et sont généralement biodégradables et recyclables.

Parmi les principaux inconvénients des bioplastiques sont leur coût de production élevé et leur moindre résistance. De plus, certaines des matières premières utilisées sont des denrées alimentaires potentielles, ce qui pose un problème économique et éthique.

Certains exemples d'objets bioplastiques sont les sacs biodégradables ainsi que les pièces de véhicules et de téléphones portables.

Caractéristiques des bioplastiques

Importance économique et environnementale des bioplastiques

Divers objets utilitaires en bioplastique. Source: Hwaja Götz, via Wikimedia Commons

Récemment, il y a eu un plus grand intérêt scientifique et industriel pour la production de plastiques à partir de matières premières renouvelables et biodégradables.

Cela est dû au fait que les réserves mondiales de pétrole s'épuisent et que l'on prend davantage conscience des graves dommages environnementaux causés par les pétroplastiques.

Avec une demande croissante de plastiques sur le marché mondial, la demande de plastiques biodégradables augmente également.

Biodégradabilité

Les déchets de bioplastiques biodégradables peuvent être traités comme des déchets organiques, à dégradation rapide et non polluants. Par exemple, ils peuvent être utilisés comme amendements du sol dans le compostage, car ils sont naturellement recyclés par des processus biologiques.

Les bioplastiques avec d'innombrables utilisations commerciales. Source: F.Kesselring, FKuR Willich, via Wikimedia Commons

Limitations des bioplastiques

La fabrication de bioplastiques biodégradables est confrontée à de grands défis, car les bioplastiques ont des propriétés inférieures à celles des pétroplastiques et leur application, bien que croissante, est limitée.

Amélioration des propriétés des bioplastiques

Pour améliorer les propriétés des bioplastiques, des mélanges de biopolymères avec divers types d'additifs sont en cours de développement, tels que des nanotubes de carbone et des fibres naturelles modifiées chimiquement.

En général, les additifs appliqués aux bioplastiques améliorent les propriétés telles que:

• Rigidité et résistance mécanique.
• Propriétés de barrière contre les gaz et l'eau.
• Thermorésistance et thermostabilité.

Ces propriétés peuvent être intégrées au bioplastique grâce à des méthodes de préparation et de traitement chimiques.

Comment les bioplastiques sont-ils produits?

Bioplastique pour emballage en amidon thermoplastique. Source: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Histoire courte

Les bioplastiques sont antérieurs aux plastiques synthétiques conventionnels dérivés du pétrole. L'utilisation de polymères de matière végétale ou animale pour la fabrication de matière plastique remonte au 18ème siècle avec l'utilisation de caoutchouc naturel (latex d'Hevea brasiliensis).

Le premier bioplastique, bien qu'il n'ait pas reçu ce nom, a été développé en 1869 par John Wesley Hyatt Jr., qui a produit un plastique dérivé de la cellulose de coton comme substitut de l'ivoire. De même, à la fin du XIXe siècle, la caséine du lait était utilisée pour la production de bioplastiques.

Dans les années 1940, la société Ford a exploré des alternatives pour l'utilisation de matières premières végétales pour fabriquer des pièces pour ses voitures. Cette ligne de recherche a été motivée par les restrictions sur l'utilisation de l'acier pendant la guerre.

En conséquence, au cours de l'année 1941, la société a développé un modèle de voiture avec une carrosserie construite principalement à partir de dérivés de soja. Cependant, après la fin de la guerre, cette initiative n'a pas été poursuivie.

En 1947, le premier bioplastique technique a été produit, le polyamide 11 (Rilsan en tant que marque). Plus tard, dans les années 90, le PLA (acide polylactique), le PHA (polyhydroxyalcanoates) et les amidons plastifiés ont émergé.

-Matière première

Les bioplastiques biosourcés sont ceux qui sont fabriqués à partir de la biomasse végétale. Les trois sources de base de matières premières pour les biosourcés sont les suivantes.

Polymères naturels de la biomasse

Des polymères naturels fabriqués directement par les plantes, tels que l'amidon ou les sucres, peuvent être utilisés. Par exemple, le «plastique de pomme de terre» est un bioplastique biodégradable fabriqué à partir de fécule de pomme de terre.

Polymères synthétisés à partir de monomères de biomasse

Une deuxième alternative consiste à synthétiser des polymères à partir de monomères extraits de sources végétales ou animales. La différence entre cette voie et la précédente est qu'une synthèse chimique intermédiaire est nécessaire ici.

Par exemple, le Bio-PE ou polyéthylène vert est produit à partir d'éthanol obtenu à partir de la canne à sucre.

Les bioplastiques peuvent également être produits à partir de sources animales telles que les glycosaminoglycanes (GAG), qui sont des protéines de coquille d'œuf. L'avantage de cette protéine est qu'elle permet d'obtenir des bioplastiques plus résistants.

Biotechnologie basée sur des cultures bactériennes

Une autre façon de produire des polymères pour les bioplastiques est la biotechnologie par le biais de cultures bactériennes. En ce sens, de nombreuses bactéries synthétisent et stockent des polymères qui peuvent être extraits et traités.

Pour cela, les bactéries sont massivement cultivées dans des milieux de culture appropriés puis traitées pour purifier le polymère spécifique. Par exemple, le PHA (polyhydroxyalcanoates) est synthétisé par différents genres bactériens poussant dans un milieu avec un excès de carbone et sans azote ni phosphore.

Les bactéries stockent le polymère sous forme de granules dans le cytoplasme, qui sont extraits en traitant les masses bactériennes. Un autre exemple est le PHBV (PolyhydroxyButyl Valerate), qui est obtenu à partir de bactéries nourries avec des sucres obtenus à partir de restes de plantes.

La plus grande limitation des bioplastiques ainsi obtenus est le coût de production, principalement dû aux milieux de culture nécessaires.

Combinaison de polymère naturel et de polymère biotechnologique

L'Université de l'Ohio a développé un bioplastique assez résistant en combinant du caoutchouc naturel avec du PHBV bioplastique, du peroxyde organique et du triacrylate de triméthylolpropane (TMPTA).

-Processus de production

Les bioplastiques sont obtenus par différents procédés, en fonction de la matière première et des propriétés recherchées. Les bioplastiques peuvent être obtenus par des procédés élémentaires ou des procédés industriels plus complexes.

Processus de base

Elle peut être réalisée en cuisson et moulage dans le cas de l'utilisation de polymères naturels, comme l'amidon ou l'amidon de maïs ou de pomme de terre.

Ainsi, une recette élémentaire pour produire un bioplastique consiste à mélanger de la fécule de maïs ou de la fécule de pomme de terre avec de l'eau, en ajoutant de la glycérine. Par la suite, ce mélange est cuit jusqu'à ce qu'il épaississe, moulé et laissé sécher.

Processus de complexité moyenne

Dans le cas des bioplastiques produits avec des polymères synthétisés à partir de monomères de biomasse, les processus sont un peu plus complexes.

Par exemple, le Bio-PE obtenu à partir de l'éthanol de canne à sucre nécessite une série d'étapes. La première chose est d'extraire le sucre de la canne pour obtenir de l'éthanol par fermentation et distillation.

Ensuite, l'éthanol est déshydraté et on obtient de l'éthylène qui doit être polymérisé. Enfin, à l'aide de machines de thermoformage, des objets sont fabriqués à partir de ce bioplastique.

Processus complexes et plus coûteux

Lorsqu'on parle de bioplastiques produits à partir de polymères obtenus par biotechnologie, la complexité et les coûts augmentent. En effet, les cultures bactériennes impliquées nécessitent des milieux de culture et des conditions de croissance spécifiques.

Ce processus est basé sur le fait que certaines bactéries produisent des polymères naturels qu'elles sont capables de stocker à l'intérieur. Par conséquent, à partir des éléments nutritionnels appropriés, ces micro-organismes sont cultivés et traités pour extraire les polymères.

Les bioplastiques peuvent également être fabriqués à partir de certaines algues telles que Botryococcus braunii. Cette microalgue est capable de produire et même d'excréter des hydrocarbures dans l'environnement, à partir desquels sont obtenus des carburants ou des bioplastiques.

-Fabrication de produits à base de bioplastiques

Le principe de base est le moulage de l'objet, grâce aux propriétés plastiques de ce composé utilisant la pression et la chaleur. Le traitement se fait par extrusion, injection, injection et soufflage, soufflage de préformes et thermoformage et enfin il est soumis à un refroidissement.

Les types

Emballage en acétate de cellulose. Source: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

Les approches de la classification des bioplastiques sont diverses et ne sont pas sans controverse. Dans tous les cas, les critères utilisés pour définir les différents types sont l'origine et le niveau de décomposition.

-Origine

Selon une approche généralisée, les bioplastiques peuvent être classés selon leur origine comme biosourcés ou non biosourcés. Dans le premier cas, les polymères sont obtenus à partir de biomasse végétale, animale ou bactérienne et sont donc des ressources renouvelables.

D'autre part, les bioplastiques non biosourcés sont ceux produits avec des polymères synthétisés à partir d'huile. Cependant, comme ils proviennent d'une ressource non renouvelable, certains spécialistes considèrent qu'ils ne doivent pas être traités comme des bioplastiques.

-Niveau de décomposition

Concernant le niveau de décomposition, les bioplastiques peuvent être biodégradables ou non. Les biodégradables se décomposent en des périodes de temps relativement courtes (jours à quelques mois) lorsqu'ils sont soumis à des conditions appropriées.

De leur côté, les bioplastiques non biodégradables se comportent comme des plastiques classiques d'origine pétrochimique. Dans ce cas, la période de décroissance est mesurée en décennies, voire en siècles.

Il y a aussi une controverse sur ce critère, car certains chercheurs considèrent qu'un vrai bioplastique doit être biodégradable.

-Origine et biodégradation

Lorsque les deux critères précédents sont combinés (origine et niveau de décomposition), les bioplastiques peuvent être classés en trois groupes:

1. Provenant de matières premières renouvelables (biosourcées) et biodégradables.
2. Ceux obtenus à partir de matières premières renouvelables (biosourcées), mais ne sont pas biodégradables.
3. Obtenu à partir de matières premières d'origine pétrochimique mais biodégradables.

Il est important de noter que pour considérer un polymère comme bioplastique, il doit entrer dans l'une de ces trois combinaisons.

Biosourcé-biodégradable

Parmi les bioplastiques biosourcés et biodégradables, nous avons l'acide polylactique (PLA) et le polyhydroxyalcanoate (PHA). Le PLA est l'un des bioplastiques les plus utilisés et est principalement obtenu à partir de maïs.

Ce bioplastique a des propriétés similaires au polyéthylène téréphtalate (PET, plastique de type polyester conventionnel), bien qu'il soit moins résistant aux températures élevées.

De son côté, le PHA a des propriétés variables en fonction du polymère spécifique qui le constitue. Il est obtenu à partir de cellules végétales ou par biotechnologie à partir de cultures bactériennes.

Ces bioplastiques sont très sensibles aux conditions de traitement et leur coût est jusqu'à dix fois plus élevé que les plastiques conventionnels.

Un autre exemple de cette catégorie est le PHBV (PolyhydroxyButyl Valerate), qui est obtenu à partir de restes de plantes.

Biosourcé non biodégradable

Dans ce groupe, nous avons le bio-polyéthylène (BIO-PE), avec des propriétés similaires à celles du polyéthylène conventionnel. De son côté, le Bio-PET présente des caractéristiques similaires au polyéthylène téréphtalate.

Les deux bioplastiques sont généralement fabriqués à partir de la canne à sucre, obtenant du bioéthanol comme produit intermédiaire.

Le bio-polyamide (PA), qui est un bioplastique recyclable avec d'excellentes propriétés d'isolation thermique, appartient également à cette catégorie.

-Non biosourcé-biodégradable

La biodégradabilité a à voir avec la structure chimique du polymère et non avec le type de matière première utilisée. Par conséquent, des plastiques biodégradables peuvent être obtenus à partir du pétrole avec un traitement approprié.

Un exemple de ce type de bioplastiques sont les polycaprolactones (PCL), qui sont utilisées dans la fabrication de polyuréthanes. Il s'agit d'un bioplastique obtenu à partir de dérivés du pétrole comme le polybutylène succinate (PBS).

avantage

Emballage de bonbons en PLA (acide polylactique). Source: F. Kesselring, FKuR Willich

Ils sont biodégradables

Bien que tous les bioplastiques ne soient pas biodégradables, la vérité est que pour de nombreuses personnes, c'est leur caractéristique fondamentale. En fait, la recherche de cette propriété est l'un des moteurs fondamentaux du boom des bioplastiques.

Les plastiques conventionnels à base de pétrole et non biodégradables mettent des centaines, voire des milliers d'années à se décomposer. Cette situation représente un problème grave, car les décharges et les océans se remplissent de plastique.

Pour cette raison, la biodégradabilité est un avantage très pertinent, car ces matériaux peuvent se décomposer en quelques semaines, mois ou quelques années.

Ils ne polluent pas l'environnement

Parce qu'ils sont des matériaux biodégradables, les bioplastiques cessent d'occuper l'espace comme des déchets. De plus, ils présentent l'avantage supplémentaire que, dans la plupart des cas, ils ne contiennent pas d'éléments toxiques qu'ils peuvent rejeter dans l'environnement.

Ils ont une empreinte carbone plus faible

Tant dans le processus de production des bioplastiques que dans leur décomposition, moins de CO2 est libéré que dans le cas des plastiques conventionnels. Dans de nombreux cas, ils ne libèrent pas de méthane ou ils le font en faible quantité et ont donc peu d'impact sur l'effet de serre.

Par exemple, les bioplastiques fabriqués à partir d'éthanol à partir de la canne à sucre réduisent les émissions de CO2 jusqu'à 75% par rapport à ceux dérivés du pétrole.

Plus sûr pour transporter la nourriture et les boissons

En général, dans l'élaboration et la composition des bioplastiques, aucune substance toxique n'est utilisée. Par conséquent, ils représentent moins de risque de contamination pour les aliments ou les boissons qu'ils contiennent.

Contrairement aux plastiques conventionnels qui peuvent produire des dioxines et d'autres composants polluants, les bioplastiques biosourcés sont inoffensifs.

Désavantages

Les inconvénients sont principalement liés au type de bioplastique utilisé. Entre autres, nous avons ce qui suit.

Moins de résistance

Une limitation de la plupart des bioplastiques par rapport aux plastiques conventionnels est leur faible résistance. Cependant, cette propriété est associée à sa capacité à se biodégrader.

Coût plus élevé

Dans certains cas, les matières premières utilisées pour la production de bioplastiques sont plus chères que celles issues du pétrole.

D'autre part, la production de certains bioplastiques implique des coûts de traitement plus élevés. En particulier, ces coûts de production sont plus élevés dans ceux produits par des procédés biotechnologiques, y compris la culture de masse de bactéries.

Conflit d'usage

Les bioplastiques produits à partir de matières premières alimentaires concurrencent les besoins humains. Par conséquent, comme il est plus rentable de consacrer des cultures à la production de bioplastiques, ceux-ci sont retirés du circuit de production alimentaire.

Cependant, cet inconvénient ne s'applique pas aux bioplastiques obtenus à partir de déchets non comestibles. Parmi ces déchets, nous avons des restes de cultures, des algues non comestibles, de la lignine, des coquilles d'œufs ou des exosquelettes de homard.

Ils ne sont pas faciles à recycler

Le bioplastique PLA est très similaire au plastique PET (polyéthylène téréphtalate) conventionnel, mais il n'est pas recyclable. Par conséquent, si les deux types de plastique sont mélangés dans un conteneur de recyclage, ce contenu ne peut pas être recyclé.

À cet égard, on craint que l'utilisation croissante du PLA n'entrave les efforts existants de recyclage des plastiques.

Exemples et leurs utilisations de produits fabriqués avec des bioplastiques

Conteneur à vin en bioplastique issu de déchets agricoles et de mycélium. Source: Mycobond

-Objets jetables ou jetables

Les articles qui génèrent le plus de déchets sont les conteneurs, emballages, assiettes et couverts liés à la restauration rapide et aux sacs à provisions. Par conséquent, dans ce domaine, les bioplastiques biodégradables jouent un rôle important.

Pour cette raison, divers produits à base de bioplastiques ont été développés afin d'influencer la réduction de la production de déchets. Entre autres, nous avons le sac biodégradable fabriqué avec Ecovio de BASF ou la bouteille en plastique en PLA obtenue à partir de maïs par Safiplast en Espagne.

Capsules d'eau

La société Ooho a créé des capsules biodégradables à partir d'algues avec de l'eau, au lieu des bouteilles traditionnelles. Cette proposition a été très innovante et réussie et a déjà été testée lors du marathon de Londres.

agriculture

Dans certaines cultures comme les fraises, une pratique courante consiste à recouvrir le sol d'une feuille de plastique afin de contrôler les mauvaises herbes et d'éviter le gel. En ce sens, des rembourrages en bioplastique tels que l'Agrobiofilm ont été développés pour remplacer les plastiques conventionnels.

-Objets pour des applications durables

L'utilisation de bioplastiques ne se limite pas aux objets d'utilisation et d'élimination, mais peut être utilisée dans des objets plus durables. Par exemple, la société Zoë b Organic produit des jouets de plage.

Composants d'équipements complexes

Toyota utilise des bioplastiques dans certaines pièces automobiles, telles que des composants pour climatiseurs et panneaux de commande. Pour cela, il utilise des bioplastiques tels que le Bio-PET et le PLA.

Pour sa part, Fujitsu utilise des bioplastiques pour fabriquer des souris d'ordinateur et des pièces de clavier. Dans le cas de la société Samsung, certains téléphones portables ont des boîtiers en grande partie en bioplastique.

-Construction et génie civil

Les bioplastiques à base d'amidon ont été utilisés comme matériaux de construction et les bioplastiques renforcés de nanofibres dans les installations électriques.

De plus, ils ont été utilisés dans la production de bois d'ameublement en bioplastique, qui ne sont pas attaqués par les insectes xylophages et ne pourrissent pas avec l'humidité.

-Applications pharmaceutiques

Ils ont été fabriqués avec des capsules bioplastiques contenant des médicaments et des véhicules médicamenteux qui sont libérés lentement. Ainsi, la biodisponibilité des médicaments est régulée dans le temps (dose que le patient reçoit dans un temps donné).

-Applications médicales

Les bioplastiques cellulosiques applicables dans les implants, l'ingénierie tissulaire, la chitine et les bioplastiques chitosane ont été fabriqués pour la protection des plaies, l'ingénierie des tissus osseux et la régénération de la peau humaine.

Des bioplastiques cellulosiques ont également été fabriqués pour des biocapteurs, des mélanges avec de l'hydroxyapatite pour la fabrication d'implants dentaires, des fibres bioplastiques dans des cathéters, entre autres.

-Transport aérien, maritime et terrestre et industrie

Des mousses rigides à base d'huiles végétales (bioplastiques) ont été utilisées, à la fois dans les appareils industriels et de transport; pièces automobiles et pièces aérospatiales.

Des composants électroniques de téléphones portables, d'ordinateurs, d'appareils audio et vidéo ont également été produits à partir de bioplastiques.

-Agriculture

Les hydrogels bioplastiques, qui absorbent et retiennent l'eau et peuvent la libérer lentement, sont utiles comme couvertures protectrices pour le sol cultivé, en maintenant son humidité et en favorisant la croissance des plantations agricoles dans les régions sèches et en basse saison des pluies.

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