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UDDP BIODEGRADATION & BIOMATERIAUX Des moyens mutualisés au service de votre entreprise…..

UDDP Introduction La place des matériaux polymères dans notre vie La gestion des déchets polymères 1.La biodégradation Définitions Mécanismes Paramètres affectant cette biodégradation Tests et normes relatifs à la biodégradation 2. Les matériaux polymères biodégradables Classification Production industrielle 3.Le marché des matériaux biodégradables 4.Les domaines d’applications Conclusion

Introduction La place des matériaux polymères dans notre vie La gestion des déchets polymères 1.La biodégradation Définitions Mécanismes Paramètres affectant cette biodégradation Tests et normes relatifs à la biodégradation 2. Les matériaux polymères biodégradables Classification Production industrielle 3.Le marché des matériaux biodégradables 4.Les domaines d’applications Conclusion UDDP

Les matériaux polymères conventionnels (PS, PE, PP, PVC, PET…) sont produits en quantité massive 150MT/an. 4% des ressources pétrochimiques. Avantages de ces matériaux:mise en œuvre facile, coût faible, légèreté, longue durée de vie. Quelle est la place des matériaux polymères dans notre vie? UDDP

Inconvénient : l’élimination de ces matériaux après usage en particulier pour ceux ayant des applications à courte durée de vie comme l’emballage. Quelle est la place des matériaux polymères dans notre vie? UDDP

La mise en décharge Solution la plus simple mais la plus polluante au niveau des sols et des eaux souterraines. C’est un mode de gestion (stockage) mais non de traitement des déchets. Depuis 2002 la législation autorise seulement la mise en décharge des déchets ultimes. Le traitement des composés polymères est donc devenu un souci environnemental majeur. La gestion des déchets polymères UDDP

L’incinération Intéressante lorsqu’elle est combinée à une valorisation énergétique. Mais engendre l’émission de composés gazeux toxiques non complètement maîtrisés (dioxine, gaz acides…). Amène un apport supplémentaire en CO 2 contribuant à l’effet de serre. La gestion des déchets polymères UDDP

IUFM Le recyclage mécanique Intéressant pour le verre et les métaux il pose problème pour les polymères de synthèse car le mélange de polymères conduit à des matériaux aux qualités inférieures au produit initial et donc aux propriétés insuffisantes pour une réutilisation. Le tri doit donc être extrêmement rigoureux ce qui entraîne une augmentation importante du coût. La gestion des déchets polymères

IUFM Le recyclage chimique Dépolymérisation thermique ou chimiolyse: obtention des monomères d’origine. Craquage chimique (thermolyse ou pyrolyse): obtention d’intermédiaires chimiques. Gazéification: obtention de gaz de synthèse (CO 2 / H 2 ).  Solutions de valorisation mais très spécifiques et peu rentables. La gestion des déchets polymères

Conclusion Mise en décharge : interdiction Incinération : pollution Recyclage : coûteux et limité dans le temps puisque le polymère perd ses propriétés au fur et à mesure des traitements (solution d’attente…?) Quelle solution? La gestion des déchets polymères UDDP

Le recyclage biologique ou biodégradation Fondée sur des phénomènes d’élimination naturelle. Nécessite l’utilisation d’un matériau biodégradable. Voie économiquement intéressante uniquement si une valorisation du matériau après usage est envisagée. Essentiellement marché de produits à courte durée de vie : emballages, objets jetables. La gestion des déchets polymères UDDP

Introduction La place des matériaux polymères dans notre vie La gestion des déchets polymères 1.La biodégradation Définitions Mécanismes Paramètres affectant cette biodégradation Tests et normes relatifs à la biodégradation 2. Les matériaux polymères biodégradables Classification Production industrielle 3.Le marché des matériaux biodégradables 4.Les domaines d’applications Conclusion UDDP

Propositions de définitions du CEN (Comité Européen de Normalisation) Dégradation Processus irréversible conduisant à des changements de structure d’un matériau caractérisés par une perte de propriétés (structure, résistance mécanique…) et/ou une fragmentation. Dégradabilité Un matériau est dit dégradable si il subit une dégradation déterminée dans un temps donné, mesurée par la méthode standard adaptée. La biodégradation : définitions UDDP

Biodégradation Dégradation causée par une activité biologique, particulièrement par action enzymatique. Compost Amendement de sol organique obtenu par biodégradation d’un mélange de matières organiques. Compostabilité Capacité d’un matériau à être biodégradé dans un processus de compostage. Cette capacité doit être prouvé par des méthodes d’analyses standardisées. La biodégradation : définitions UDDP

Polymères dégradables Dégradation chimique Hydrolyse Polymères hydrolysables Photo- chimique Additifs photosensibles Copolymères photosensibles Oxydation Polymères oxydables Dégradation biologique Aseptique Polymères résorbables Microbienne Polymères biodégradables Additifs biodégradables Dégradation physique Mécanique Tous les polymères Thermique Tous les polymères Brandl et coll.,1995 UDDP

Proposition d’une nomenclature relative à la biodégradabilité des polymères dans l’environnement 1.Délitement sans altération des macromolécules Par voie physique : fragmentable Par voie biologique : biofragmentable 2.Délitement avec dégradation des macromolécules Et formation de molécules dont le devenir n’est pas établi Par voie chimique : dégradable Par voie biologique : biodégradable Et formation de molécules assimilées par les cellules : bioassimilable Vert et Guerin, 1992 La biodégradation : définitions UDDP

L’objectif est donc de créer un « cycle » écologique sans production de déchets. Exemple d’un produits biodégradable: Biolice® de la société LIMAGRAIN La biodégradation : définitions UDDP

La biodégradabilité, signifie, pour les matériaux exposés à un environnement naturel, la perte des propriétés mécaniques et des modifications chimiques. Deux modes de dégradation: Abiotique (dégradation due à l’oxygène, l’eau, le soleil…) Biotique (due aux microorganismes) Ces deux mécanismes coexistent dans la nature et il est difficile de différencier le rôle de chaque type. Mais au sens strict du terme la biodégradation est le résultat des réactions biochimiques catalysées par les enzymes produites par des micro-organismes en aérobiose ou anaérobiose La biodégradation : mécanismes UDDP

Au niveau moléculaire, deux modes d’action:  Soit la rupture se produit « au hasard » le long de la chaîne du polymère sous l’action d’endoenzymes. Diminution rapide et régulière de la masse molaire du polymère polymère oligomères La biodégradation : mécanismes UDDP

 Soit la rupture se produit de manière spécifique en fin de chaîne sous l’action d’exo-enzymes libérant des monomères, dimères ou trimères qui n’engendrent qu’une diminution lente et faible de la masse molaire du polymère La biodégradation : mécanismes UDDP

Au niveau cellulaire: polymère Clivage enzymatique extracellulaire oligomères monomères Métabolisme intracellulaire CO 2 + H 2 O + Biomasse O2O2 Les enzymes endocellulaires n’agissent que sur des molécules ayant pénétré dans la cellule: petites molécules ou longues molécules hydrosolubles. La biodégradation : mécanismes UDDP

Les paramètres physicochimiques du milieu de dégradation: Température pH (fixé à 7 dans les tests de dégradation, le milieu s’acidifie au cours de la dégradation) Teneur en eau (humidité suffisante qui de plus favorise l’hydrolyse chimique du matériau) Teneur en oxygène (aérobiose, teneur en O 2 >6%, sinon la flore microbienne est modifiée) Présence d’inhibiteurs (exemple des métaux lourds) Paramètres affectant la biodégradation UDDP

Les paramètres microbiologiques du milieu de dégradation: Présence ou non du micro-organismes Adaptation de celui-ci au polymère Association de plusieurs micro-organismes Taux de colonisation microbienne de la surface du biomatériau Age des cellules Paramètres affectant la biodégradation UDDP

Structure et propriétés des polymères constituant le matériau: Une faible masse molaire facilite la biodégradation Caractère hydrophile ou hydrophobe du polymère. Les polymères hydrophiles subissent une dégradation plus rapide. Porosité du polymère Type de monomère : l’irrégularité monomériques des polymères naturels facilite la biodégradation par rapport aux polymères de synthèse très régulier. Présence de liaisons facilement hydrolysables de type ester ou amide Paramètres affectant la biodégradation UDDP

Procédé de fabrication du matériau: Procédé de fabrication proprement dit (extrusion, injection, thermoformage…) Conditions de mise en œuvre (température, pression, additifs, plastifiants…) Surface spécifique du polymère (la rugosité augmente la capacité à la biodégradabilité) Présence d’additifs inhibant les micro-organismes Présence de charges biodégradables favorisant la biodégradation Paramètres affectant la biodégradation UDDP

Les tests de laboratoires, in vitro Dégradation en milieu liquide (test de Sturm). Le principe consiste à exposer le matériau à une source de micro- organismes et à mesurer le dégagement de CO 2 Méthodes enzymatiques (mesure par perte de poids et modification des caractéristiques mécaniques Tests en milieu gélosé (observation de la croissance bactérienne à la surface d’une gélose contenant comme seul source de carbone le matériau à tester. Tests et normes relatifs à la biodégradation UDDP

Les tests de laboratoires, in vitro (suite) Dégradation en milieu solide simulant les conditions in-situ:test de compostage standard (ASTM D et ISO/CEN 14855) basé sur la mesure du CO 2 produit à partir de l’échantillon par les micro-organismes apportés par un compost mature (vieux de 2 à 4 mois). Les tests in-situ (de terrain) Les échantillons sont enfouis selon un protocole précis en milieu solide ou liquide. Après un temps déterminé, changements visuels et massiques sont notés. Tests et normes relatifs à la biodégradation UDDP

La seule norme qui fait référence actuellement est la norme NF EN Elle arrête 4 critères d’acceptation: Composition: taux maximal de solides volatils et métaux lourds Biodégradabilité: > 90% du taux de la substance de référence menée simultanément, celle-ci devant montrer une biodégradation >70% en 45 jours Durée de l’essai limité à 6 mois Désintégration: moins de 10% de résidus de taille >2mm en 3 mois Qualité du compost final: performance >90% du témoin Tests et normes relatifs à la biodégradation UDDP

Certifications et organismes certificateurs Exemple: AIB-Vinçotte délivre 3 labels: Matériau biodégradable dans un environnement naturel spécifique Matériau compostable dans une installation industrielle ou dans un compost privé UDDP

Introduction La place des matériaux polymères dans notre vie La gestion des déchets polymères 1.La biodégradation Définitions Mécanismes Paramètres affectant cette biodégradation Tests et normes relatifs à la biodégradation 2. Les matériaux polymères biodégradables Classification Production industrielle 3.Le marché des matériaux biodégradables 4.Les domaines d’applications Conclusion UDDP

Un biopolymère est une substance synthétisé par des processus biologiques ou chimiques à partir de monomères naturels (ou identiques à ceux-ci) Trois voies sont possibles pour fabriquer ces biopolymères: Polymère d’origine microbienne Polymère d’origine chimique Polymère d’origine agricole Les différents types de biomatériaux UDDP

Polymère d’origine microbienne 1.Les polyesters Polyhydroxyalcanoates tel que le polyhydroxybutyrate (PHB) et le Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalérate (PHBV) obtenu par fermentation des sucres par Alcaligenes eutrophus Exemple du biopol® de MONSANTO Les différents types de biomatériaux UDDP

Polymère d’origine microbienne 2.Les polylactides Les monomères d’acide lactique ou glycolique sont obtenus par fermentation. Le polymère est synthétisé par voie chimique: PLA EcoPla®, Heplon®,Laced®, Lacty® Les différents types de biomatériaux UDDP

Polymère d’origine microbienne 3.Les polyosides Pullulane : Pullulan® Gommes xanthane et Gellane Chitosanes Tous ces polymères sont très hydophiles La difficulté de la mise en oeuvre limite leurs applications. Chitosane Les différents types de biomatériaux UDDP

Polymère d’origine chimique Voie la plus compliquée à mettre en œuvre basée sur l’incorporation de liaisons labiles tels qu’ester ou amide dans la chaîne principale. Polyesters aliphatiques comme le polycaprolactone (Tone®, CAPA®,celgreen®) Les différents types de biomatériaux UDDP

Polymère d’origine chimique Polyesters amides: Ils sont principalement connus sous l’appellation commerciale BAK produit par Bayer mais dont la production a été stoppée en raison d’un coût trop élevé. Copolyeters aliphatiques et aromatiques (Ecoflex®, EastarBio®, Skygreen®) Polymères vinyliques : PVAL (polyalcool de vinyl) obtenu par hydrolyse du PVAC (polyacétate de vinyl) (Vinex®, Aquafilm®) Les différents types de biomatériaux UDDP

IUFM Polymère d’origine agricole Ce sont essentiellement des polyosides: 1.La cellulose Il s’agit de dérivés de la cellulose dont certains groupements hydroxyles ont été substitués par des groupes plus volumineux entraînant une solubilisation de la molécule et un assouplissement du polymère par diminution des forces intermoléculaires: nitrates de cellulose, esters et ethers de cellulose) Ultraphan®, Bioceta® Les différents types de biomatériaux

IUFM Polymère d’origine agricole 2. L’amidon Amylose: Amylopectine: Les différents types de biomatériaux

Polymère d’origine agricole Sous sa forme granulaire (amidon natif): en mélange avec un polymère chimique, il se comporte comme une charge biodégradable au sein de la matrice. Les teneurs faibles en amidon (~10%) classe ses matériaux comme biofragmentables et non biodégradables (EcoStar®, Amyplast®…) Amidon déstructuré ou gélatinisé, obtenu par traitement thermique en excès d’eau, incorporé jusqu’à 50 ou 60% associé avec un polymère synthétique. Ces matériaux sont très souvent considérés comme biodégradables mais la partie non biodégradée peut contaminer les sols (MaterBi®, Bioflex®, Novon®). Les différents types de biomatériaux UDDP

Polymère d’origine agricole Amidon plastifié, obtenu par traitement thermique et cisaillement à faible teneur en eau, alors utilisé seul (Paragon®) ou associé avec un autre polymère minoritaire. Du fait de la grande quantité d’amidon qu’ils contiennent ces matériaux sont facilement biodégradables (MaterBi®, BioPlast®) Les différents types de biomatériaux UDDP

Les principaux polymères biodégradables d’origine chimique ( source ADEME) Les différents types de biomatériaux : récapitulatif UDDP

Les polymères biodégradables issus des ressources renouvelables (source ADEME) UDDP

Introduction La place des matériaux polymères dans notre vie La gestion des déchets polymères 1.La biodégradation Définitions Mécanismes Paramètres affectant cette biodégradation Tests et normes relatifs à la biodégradation 2. Les matériaux polymères biodégradables Classification Production industrielle 3.Le marché des matériaux biodégradables 4.Les domaines d’applications Conclusion UDDP

Il n’a cessé de croitre depuis 1990, mais reste reste très en deçà du marché des matières plastiques (~ 0,3%). Le marché des biomatériaux biodégradables UDDP

Si cette croissance continue à ce rythme la production devrait atteindre de tonnes en Actuellement les producteurs les plus importants sont: L’américain CARGILL L’italien NOVAMONT Les allemands BASF et BIOTEC D’autres devraient jouer un rôle important ces prochaines années: Les américains DUPONT et PROCTER and GAMBLE Le hollandais EASTMAN L’anglais UCB En ce qui concerne la consommation de ces biopolymères, elle serait actuellement de tonnes/an dans le monde Le marché des biomatériaux biodégradables UDDP

Introduction La place des matériaux polymères dans notre vie La gestion des déchets polymères 1.La biodégradation Définitions Mécanismes Paramètres affectant cette biodégradation Tests et normes relatifs à la biodégradation 2. Les matériaux polymères biodégradables Classification Production industrielle 3.Le marché des matériaux biodégradables 4.Les domaines d’applications Conclusion UDDP

Exemple du Materbi de la société NOVAMONT Les domaines d’applications UDDP

Les secteurs visés concernent particulièrement les objets à usage unique, à courte et moyenne durée de vie. Les sacs de collecte Sacs Mater-bi commercialisés par NOVAMONT pour la collecte des déchets fermentiscibles Les sacs à sapin 100% biodégradables et 100% compostables lancés par Handicap International Les sacs réutilisables Les domaines d’applications UDDP

Les emballages industriels Dominés par les produits de calage, ils sont réalisés essentiellement avec de l’amidon extrudé ou formé et se présentent sous forme de chips et autres blocs destinés à l’absorption des chocs. On trouve aussi dans ce segment de marché les films de suremballage. L’emballage ménager et la restauration Barquettes destinées aux produits frais Pots de yaourt Films pour sandwicherie, boulangerie Assiettes et couverts jetables Les domaines d’applications UDDP

Les films pour paillage agricole Avantages: Technique (difficultés de ramassage) Législatif (brûlage en plein champ interdit) Agronomique (utilisation unique sur de courtes durées) Économique (suppression de la main d’œuvre de ramassage) Les tee de golf! Les domaines d’applications UDDP

Conclusion Dans le cadre du développement durable, ces nouveaux matériaux « écologiques » entrent dans une logique qui visent à supprimer les causes des pollutions au lieu de n’en traiter que les effets. Le principal inconvénient de ces polymères biodégradables est leur coût (2 à 10 fois supérieurs aux polymères d’origine pétrochimique. Trois leviers d’amélioration sont à envisager: L’augmentation des tonnages réduisant les coûts de recherche, L’arrivée de nouvelles technologies en particulier celle qui simplifie le processus de fabrication, Une volonté politique internationale … (comme par exemple la taxation différentes de ces produits) UDDP

Je vous remercie de votre attention. UDDP