LAROSE Samuel 1S7

BEAL Clément

LENOBLE Margot

LES BIOPLASTIQUES

Que sont les bioplastiques, de quoi sont-ils formés et permettent-ils de répondre aux problèmes environnementaux posés par les plastiques actuels ?

Physique chimie : M. Néfati

Science de la Vie et de la Terre : M. Levesque 2012-2013

Préface des auteurs (ou introduction) :

Depuis la découverte de la bakélite en décembre 1909 par Léo Baekeland, les plastiques ce sont perfectionnés pour finir par jouer un rôle considérable dans notre industrie ainsi que dans notre société. Emballages, vêtements, jouets, ustensiles, meubles : le plastique est partout. Facile à produire et peu cher, ce matériau est un agent majeur dans la fabrication d'objets du quotidien. Cependant, nombre de plastiques sont définis comme étant pétrochimique, c'est-à-dire créés grâce à une modification chimique du pétrole, technique certes efficace mais très polluante or, à l'heure où notre environnement naturel et sa qualité sont mis en danger par diverses sources de pollution, cette synthèse polluante des plastiques, et leur dégradation lente voire quasi-nulle, qui entraîne une obligation de s’en débarrasser par incinération est une chose de plus en plus questionnée. Aussi, les chercheurs ont proposé un modèle de plastiques biologiques, biobasés voire biodégradables appelés bioplastiques qui possèdent, pour la plupart, une influence écologique, sinon négligeable, infiniment moins grande que celle des plastique pétrochimiques sur notre environnement. Nous nous efforcerons, donc, au cours de ce TPE de répondre à la question suivante :

Que sont les bioplastiques, de quoi sont-ils formés et permettent-ils de répondre aux problèmes environnementaux posés par les plastiques actuels ?

Pour cela nous considèreront d'abord les principes de la synthèse d'un bioplastique, en étudiant d’abord ce que sont les polymères. Nous passerons ensuite la théorie à la pratique, en tentant de fabriquer notre propre bioplastique à base d'amidon. Nous nous intéresserons, enfin, à la biodégradabilité, aux intérêts ainsi qu’aux désavantages des bioplastiques par rapport aux plastiques pétrochimiques, leur intégration sur les marchés de consommations et pour finir, sur ce que nous sommes en droit d’espérer en ce qui concerne l’avenir des bioplastiques.

LES BIOPLASTIQUES

Que sont les bioplastiques, de quoi sont-ils formés et permettent-ils de répondre aux problèmes environnementaux posés par les plastiques actuels ?

I) La composition et la synthèse d'un bioplastique

A. Les polymères

B. Amidon

C. PLA

II) La synthèse d’un bioplastique à base d’amidon

A. Mise en place du protocole

B. Résultats

C. Expérience : biodégradation de sacs plastiques

III) Les propriétés des bioplastiques

A. La biodégradabilité et la biodégradation

B. Avantages et inconvénients des bioplastiques

C. Les innovations à venir

Annexes :

- Glossaire- Bibliographie

I) La composition et la synthèse d'un bioplastique

A. Les polymères

1. Polymères ?

Monomère : (de « monos » une, et de « meros » partie) on appelle monomère des molécules pouvant être utilisée pour la synthèse de polymère. On parle de dimère quand deux monomères se sont assemblés, de trimère quand trois monomères se sont assemblés et d’oligomères quand plusieurs dizaines de monomères s’assemblent.

Polymère : de « polus » plusieurs et « meros », parties, les polymères représentent tout les assemblages de monomères, cependant pour éviter toute confusion on utilise le terme de polymères pour décrire les rassemblements de plusieurs centaines de monomères, que l’on appelle motif constitutif.

Biopolymères : Les Biopolymères sont des polymères naturellement présent dans l’organisme d’être vivant (ex : amidon ADN ou alors que l’on obtient par eux via une intervention extérieure (ex : PHA)

La polymérisation est le nom que nous donnons à l’assemblage de plusieurs monomères pour former une molécule polymère. On distingue deux voie de polymérisation :La polycondensation, mode de polymérisation générant des pertes de petites molécules, la plupart du temps d’eau, et la polyaddition, mode de polymérisation ou les monomères s’assemblent simplement les uns aux autres.

2. Répertoire des polymères :

-Polymères synthétiques : Ce sont tous les polymères obtenus grâce à des matériaux pétro-basés. Bien que non biodégradables, ils peuvent être oxo-dégradables ou recyclable

-Polymères biodégradables : Les polymères biodégradables sont des polymères synthétiques, auxquels on ajoute un aditif. Pour la plupart, cela les rends juste « fragmentable », c'est-à-dire que l’aditif se dégrade, séparant par la même occasion le polymère de base mais sans pour autant le dégrader, c’est le cas des plastiques oxo dégradables

-Polymères Bio basés : -Biopolymères issus de la faune et de la flore :

Ils sont naturellement synthétisés par les organismes des êtres vivants : Amidon, cellulose, protéines…

-Biopolymères produits par polymérisation chimique :Ici, nous partons d’un polymère bio basé et le modifions à notre convenance : PLA

-Biopolymères obtenus par des micros organismesIls sont obtenus grâce à des micros organismes, des bactéries pour la plupart : PHA, PHB

3. « Familles » de polymères :

-Au niveau macromoléculaire :

Les polymères sont utilisés pour fabriquer des objets de la vie courante. On Peut les séparer et les classer en trois grandes parties que sont :

-Les thermoplastiques : ce sont les polymères les plus répandus, ils forment une catégorie de matériaux indéfiniment remodelable quand ils sont placé à une certaine température. A défaut d’être biodégradables, ils sont donc recyclables. Contrairement à ce que leur nom laisse à penser, les thermoplastiques ne sont pas constitués seulement des plastiques, mais de tous les matériaux correspondant à la définition ci-dessus (exemple : PVC, métal, verre).

-les thermodurcissables : Moins répandus que les thermoplastiques, ils ne se déforment plus une fois créé (exemples : les bakélites, qui furent les premiers plastiques pétrochimiques crées, ils composaient notamment des radios et des boulles de billard)

-Les élastomères : ils ne sont ni biodégradables, ni recyclables. Leur particularité est leur élasticité importante (exemples : caoutchouc, latex, silicone)

-Au niveau des structures :

-Les polymères linéaires

-Les polymères ramifiés

-les polymères linéaires ramifiés en peigne :

La chaine principale est le point de départ de chaines secondaires linéaires. On dit que la chaine principale présente des ramifications de degré 2.

-Les polymères ramifiés greffée

Une ou plusieurs chaînes latérales de compositions et de constitutions diverses viennent se greffer sur la chaîne principale.

-les polymères linéaires ramifiés en brosse :

La chaine principale est le point de départ de chaines secondaires comportant des ramifications de degré 2. La chaine principale présente donc des ramifications de degré 3.

-les polymères ramifiés globulaires :

Ici, le polymère a un point de départ appelé pseudo-centre et des ramifications pouvant être aléatoires, on parle alors de polymère hyperbranché (hautement ramifié et en 3D) ou symétriques et régulières : on parle alors de dentrimère.

Les polymères réticulés :

C’est quand deux polymères linéaires ou ramifiés forment des liaisons chimiques. Le plus connu des polymères articulés est… l’ADN !

-Au niveau de la composition :

On distingue alors deux catégories : les homopolymères, qui forment les polymères linéaires : le motif constitutif est constitué d’un seul monomère ainsi que les copolymères, qui comportent dans leur motif constitutif deux monomères ou plus.

4. La Polymérisation :

Tout comme il existe de nombreux types de polymères, il existe nombre de polymérisations différentes. On en distingue notamment deux types : la polymérisation en chaine et la polymérisation par étape. Dans le premier cas, la polymérisation est due à une réaction entre le(s) monomère(s) et une amorce, produit qui peut être de différents types que l’on mélange au(x) monomère(s) : c’est la période « d’amorçage », qui permet la création d’un centre actif. Vient ensuite la période de propagation, où les monomères seront répétés, puis la phase de terminaison ou de transfert de chaine, qui abouti soit à la neutralisation des centres actifs (terminaison), soit à leur déplacement sur une autre chaine.

Les amorces utilisées pour la polymérisation en chaine peuvent être organométalliques, soit à base d’aluminium, d’étain ou de nickel, (le nickel étant un matériau d’amorce sérieusement envisagé dans la cadre d’une utilisation biomédicale des bioplastiques) ou alors de type anionique et cationique. La polymérisation par étapes, quand à elle fait appel à des facteurs extérieurs, comme la chaleur, ou à la présence de certains solvants pour démarrer. Il en existe deux principaux types, que sont la polyaddition, mode de polymérisation où les monomères s’assemblent simplement les uns aux autres (les polymères obtenus étant des copolymères) et la polycondensation, où les monomères s’assemblent, mais en éliminant certaines petites molécules, notamment de l’eau.

B. L’amidon

1. L’amidon   :

L’amidon est un polysaccharide, il sert de réserve calorifique pour les plantes supérieures : il représente ainsi 30 à 80 % de la masse des céréales, 60 à 90 % des tubercules et 25 à 50 % des légumes (il est à noter que les valeurs suivante sont tirées de la masse sèches des éléments). L’amidon est constitué de grains, ou « entités granulaires » qui sont dues à sa structure semi cristalline. On dit d’un élément qu’il a une structure semi cristalline lorsqu’il est constitué d’un mélange de zones dites cristallines, crées par un pliage local des chaines linéaires qui permet de créer des « lamelles » où l’on retrouve de manière périodique le même agencement de polymères en forme de mailles cubiques ou hexagonales, entourées et de zones dites amorphes, c'est-à-dire sans structure atomique ordonnée, qui entourent les zones cristallines. Les caractéristiques macromoléculaires de l’amidon (composition, morphologie) varient selon sa provenance. L’amidon est constitué de deux polymères, l’amylose et l’amylopectine. Comme le montre ce tableau :

on voit que les proportions sont d’environ ¼ d’amylose pour ¾ d’amylopectine, sauf pour le maïs cireux, hybride à provenance chinoise et dont le qualificatif « cireux » signifie sans amylopectine (il est notamment utilisé dans le domaine industriel) et l’amylomais.

(Nombre de répétitions du motif α-D-glucose dans l’amylose et dans l’amylopectine)

L’amylose   :

L’amylose est un polymère linéaire de formule brute C6H10O5 constitué de résidus D-glucopyranose liés par des liaisons glucosidiques α-1,4 avec l’oxygène, en position axiale. C’est également un

polysaccharide. On considère qu’une molécule dite normale d’amylose est constituée de 200 à 2000 répétitions du motif central. L'amylose présente une structure hélicoïdale (hélice simple gauche) renfermant de 6 à 8 molécules D-glucopyranose par tour de spire. Cette hélice de par la répartition des hétérocycles possède des propriétés hydrophiles externes (fonctions C-OH) et un intérieur hydrophobe (groupement CH-CH).

L’amylopectine   :

L’amylopectine, quand à elle a la même formule brute que l’amylose, à savoir C6H10O5 mais possède une structure ramifiée. Elle possède ainsi, en plus des liaisons α-1,4, des liaisons α1,6 en position équatoriale, ramification apparaissant toujours sur un même atome de carbone, et apparaissant environ toute les quatre répétitions du motif d’ α-D-glucose.

Les propriétés de l’amidon   :

-Il est insoluble dans l’eau : il reste en suspension si on le mélange avec, puis décante mais ne s’homogénéise pas.

-Si on le met en contact avec de l’iode, se forment alors des complexes violets. Il est à noter que l’amylose et l’amylopectine forment également des complexes colorés avec l’iode, rose pour l’amylose et bleu pour l’amylopectine

Si on chauffe un mélange d’eau et d’amidon jusqu'à 70° environ, l’amidon se gélifiera, formant de l’empois d’amidon, réactif utilisé en chimie. Plus la concentration d’amidon sera grande, plus la substance sera gélatineuse.

Le bioplastique à base d’amidon   :

Pour réaliser un bioplastique à partir d’amidon, on commence par faire subir à ce dernier une hydrolyse acide ménagée. Une hydrolyse est la décomposition d’un corps, ou la déstructuration d’une molécule grâce à l’eau, et aux ions H+, HO- et H3O+ qui la composent, en détruisant les liaisons peptidiques des molécules. Lors d’une hydrolyse acide (qui s’oppose à une hydrolyse basique), on ajoute de l’acide qui aura un rôle de catalyseur lors de la réaction : les liaisons peptidiques des molécules seront plus facilement brisées. « Ménagée » enfin, a ici le sens de partielle, puisque seules les liaisons peptidiques de l’amylopectine seront brisées.L’acidification de L’hydrolyse est le rôle de L’acide chlorhydrique ajouté dès le début de l’expérience.Cette réaction aboutit à la création d’amylose et de dextrine, la dextrine étant, tout comme l’amylose, un polymère linéaire du glucose, ne différant de celle-ci que par sa taille, la dextrine étant légèrement plus petite. A une température supérieure ou avoisinant 70 degrés, a lieu un phénomène d’adsorption, l’adsorption étant un phénomène de surface où les atomes ou molécules de gaz (adsorbats) se fixent sur une surface solide (adsorbant). Durant ce phénomène, la viscosité du mélange augmente, c’est la phase de gélification : c’est alors que se forme l’empois d’amidon dont nous avons parlé plus haut. Lorsque la viscosité commence à diminuer, c’est que commence la rétrogradation. Au cours de ce phénomène, les molécules d’amylose et de dextrine se reforment (c’est donc la phase de polymérisation en elle-même) pour nous faire obtenir un gel blanc translucide et opaque. C’est alors que nous ajoutons la glycérine, qui augmentera l’espace entre les chaînes de molécules et rendra le bioplastique nouvellement formé plus souple et moins cassant.

III Le PLA   :

Le PLA, ou acide polylactique, est un polymère synthétique fabriquée par la polymérisation de la lactide, elle-même obtenue grâce à l’acide lactique, naturellement synthétisé par notre corps puisqu’il est la cause … de nos courbatures

Fermentation et acide Lactique   :

La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l’énergie chimique contenue dans une source de carbone (notamment le glucose) en une autre forme d’énergie, directement utilisable par la cellule en un milieu anaérobie (où le dioxygène est donc absent). « La fermentation, c’est la vie sans l’air » (L. Pasteur).

On distingue deux types de fermentation : la fermentation éthylique, ou alcoolique et la fermentation lactique, ou lacto-fermentation :

-La fermentation éthylique est réalisée par de nombreux organisme vivant, de manière permanente ou occasionnelle en milieu anaérobie. Ici, les organismes transforment l’énergie carbonée en éthanol et en CO2 : C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2 ainsi la bière, pour ne citer qu’elle, est à la fois gazeuse et alcoolique (on distingue alcoolique, « comprenant de l’alcool » de alcoolisé, « auquel on a ajouté de l’alcool »)

-La fermentation lactique se produit également via des bactéries mais ne crée ni alcool ni CO2, cette transformation du glucose induit simplement une formation d’acide lactique. Anecdote sur l’acide lactique et sur la fermentation lactique : Les légumes (comme bien d’autres aliments) ont sur leur surface nombre de micro organisme, aussi, laissé à l’air libre, les légumes se putréfient. Mettons maintenant l’un de ses légumes dans un milieu anaérobie et en présence de sel. Le sel inhibera la plupart des ferments, et les ferments lactiques prendront le dessus sur les autres ferments et créeront, en mangeant le légume, de l’acide lactique qui bloquera durablement les autres ferments, et donc la putréfaction. On atteindra ensuite une concentration d’acide lactique telle que les ferments lactiques eux même seront inhibé. On aura alors permis la conservation longue durée de ces légumes.

On dit que l’acide lactique est une molécule chirale, c'est-à-dire qu’elle n’a pas de centre de symétrie. Il existe ainsi deux énantiomères (ou isomères qui seraient images l’un de l’autre devant un miroir, mais non superposables) de l’acide lactique :

-Le L- acide Lactique, ou S-acide lactique (« S » provenant de « sinister », gauche) : à gauche

-Le D-acide Lactique, ou R-acide lactique (« R » provenant de « rectus », droite) : à droite

Il est à noter que cet échange de place du groupe hydroxyle aboutit à une polarisation de force égale mais de direction inverse de la lumière, pour chacun des énantiomères. On dit que ces formes sont optiquement actives. Un mélange à part égale de ces deux formes sera donc optiquement inactif. L’énantiomère le plus courant dans la nature est le second : le L-acide lactique est présent à 99,5% contre 0,5% pour le D-acide lactique.

La Lactide   :

Il s’agit d’une molécule pouvant servir, pour des raisons qui seront expliquées plus bas, d’intermède entre l’acide lactique et le PLA

Etant donné qu’il existe plusieurs énantiomères de l’acide lactique et que la Lactide en est tiré, il existe également plusieurs formes de lactide :

-La D-lactide, en haut à gauche

-La L-lactide, en haut à droite

-La méso lactide : en bas

On obtient de manière préférentielle du L. lactide à partir du L. acide lactique et du D. lactide en partant de D. acide lactique. Il faudra donc procéder à un triage avant de transformer L’acide lactique en lactide, en oligomérisant l’acide lactique puis en procédant a une cyclisation.

Le PLA   :

Le PLA, enfin, est le produit final, obtenu à partir des matériaux décrits précédemment. Il existe plusieurs techniques qui permettent l’obtention de PLA à partir de l’acide lactique, le premier étant une polymérisation par polycondensation directe, seulement, ce procédé aboutit à une molécule de faible masse moléculaire. Qui plus est, la création de gouttes d’eau qui se créent lors de la polymérisation dégrade hautement le polymère. Pour palier à cette dégradation et à la faible masse moléculaire Mitsui Toatsu, grande entreprise japonaise emploie un procédé avec solvant pour obtenir un PLA de masse moléculaire élevée par condensation directe en utilisant une distillation azéotropique pour éliminer l’eau de condensation de manière continue. Nature Works, entreprise américaine, a quant à elle une technique en deux temps qui a l’avantage d’être sans solvants : la première étape de ce procédé est l’obtention, à partir de l’acide lactique, de lactide, qui est lui même obtenu en deux étapes de synthèse : en premier lieu, on oligomérise (légère polymérisation, entre deux et quelques dizaines de répétitions tout au plus) l’acide Lactique, puis on fait subir au résultat une cyclisation. A ce stade il est nécessaire de purifier la solution pour ne garder qu’un seul isomère de lactide. La seconde étape du procédé d’obtention du PLA est… La polymérisation du Lactide par réaction en chaine, l’octoate d’étain étain l’amorce la plus souvent utilisée, bien qu’il soit également possible d’utiliser des amorces à base d’aluminium ou de zinc.

(Image du PLA)

II La fabrication d’un bioplastique à base d’amidon

A. l’obtention d’un protocole

Les réactifs :

De l’amidon 5g De l’eau distillée 25mL De l’acide Chlorhydrique 2-3mL De la glycérine 3mL De la soude 2-3mL (du colorant) 10

gouttes

Le matériel :

Une spatule Une baguette de verre Deux bécher de 100mL Une plaque chauffante Un récipient métallique (de quoi faire un bain marie) Une pipette graduée et son pipeteur Une pince en bois Une capsule Une plaque de verre Un compte gouttes Une balance

Protocole :

E1 : mettre dans un bécher 5g d’amidon, 25mL d’eau distillée, 3mL d’acide chlorhydrique et entre 8 et 10 gouttes de colorant.

E2 : mettre à chauffer au bain marie le bécher, de manière a ce que l’eau soit aux alentours de 90 degrés, la solution ne doit pas bouillir :

E3 : après une dizaine de minutes, quand la solution est bien gélatineuse, voir qu’elle recommence à se solubiliser on ajoute 3mL de soude, puis 3mL de glycérine.

E4 : Attendre une ou deux minutes puis étaler la solution sur une plaque de verre qui sera passée à l’étuve durant 1 heure à 75°C (maximum autorisé par l’établissement) puis laisser à l’air libre durant 5 jours.

C. Les résultats   :

Première expérience

Le bioplastique obtenu est dur mais très craquelé. Cette déformation provient de l’absence de glycérine utilisée

lors de cette première expérience. Le rôle de la glycérine étant d’espacer les chaines, il est normal, sinon logique que son absence ait donné un bioplastique d’aussi piètre qualité.

Expérience 2

Nous avons ici suivi le protocole décris plus haut, sauf en ce qui concerne l’étuve ; le résultat est un bioplastique souple mais à la texture légèrement trop gélatineuse et relativement fragile, consistance qui est due au surplus d’eau présent.

Expérience 3

C’est là un bioplastique le plus proche possible de nos attentes, puisqu’il est souple et résistant. Il est néanmoins… biscornu, à cause du peu de temps que nous avons eu pour étaler ce plastique dans les récipients que vous pouvez voir.

C. Biodégradation d’un bioplastique

Voici un sac qui est dit bioplastique, et donc potentielle ment dégradable. Se dégrade-t-il réellement dans la « nature » ?

L’expérience consiste à placer ce sac plastique en milieu forestier sur un humus consistant (forte présence) puis de voir au fil des mois si un changement s’effectue (dégradation du bioplastiques voire disparition complète de ce dernier). Nous poserons une pierre sur le bioplastique afin de le maintenir au sol.

5 octobre 2012.

5 janvier 2013

14 février 2013

Comme nous pouvons le constater, aucun changement ne s’est produit sur le sac plastique. Cette absence totale de résultat ne signifie pas forcement que l’expérience est un

échec, elle prouve simplement que bioplastique ne signifie pas forcement biodégradable, puisque ce terme regroupe non pas les polymères biodégradables, mais tout les polymères biobasés, qui, justement, ne sont pas tous biodégradables

III Propriétés des bioplastiques

A. Biodégradabilité et biodégradation

Biodégradabilité: n.f : propriété d’un produit qui, laissé à l’abandon dans la nature, est détruit par les bactéries ou autres agents biologiques naturellement présent dans le milieu

La biodégradation est définie par la norme européenne NF NE 13 432 comme étant, en milieu aérobie la décomposition d’un composé chimique organique en dioxyde de carbone, eau et sels minéraux, permettant l’apparition d’une nouvelle biomasse, et, en milieu anaérobie par la décomposition de ce même composé chimique en dioxyde de carbone, méthane, sels minéraux et permettant également la création d’une nouvelle biomasse

La norme EN 13432: (année 2000) prévoit la réalisation de tests, permettant de définir si un matériau est, ou non, biodégradable. En premier lieu, sont fixés des limites concernant la proportion de métaux lourds et de fluor dans le matériau de base. Ensuite, ces tests sont réalisés sur une période de 3 mois maximum dans plusieurs milieux (eau douce, eau salée, sol). Pour que le matériau soit approuvé, il faut qu’au bout de la période de test, 60 à 90% de la masse de départ du matériau se soit dégradée (ces seuils de valabilités changent en fonction de la composition du matériau) ; le résultat de cette biodégradation ne doit, en aucun cas présenter de danger pour l’environnement. Il est à noter que cette norme prévoit également la réalisation de test concernant la désintégration du produit : on place pour cela des fragments du matériau sur un tamis. Si, sous l’effet du compostage, il reste moins de 10% de la matière de base en 6 mois, on considère que le matériau est fragmentable.

Le processus de biodégradation étant maintenant un phénomène connu, on sait qu’un produit se dégradant passe par deux phases. : La première de ces phases de la biodégradation est une détérioration du produit, sous l’influence d’actions extérieures, qui peuvent être de plusieurs types : mécaniques, comme le broyage; chimiques, comme l’irradiation par les ultraviolets; ou thermiques, comme la phase de pasteurisation en compostage. Durant cette étape, des champignons microscopiques, des algues et des bactéries ou d’autres êtres vivants (vers de terre, insectes) peuvent aussi intervenir et fragmenter le produit : on parle alors de biofragmentation. Cette première étape a pour résultat l’augmentation de la surface du matériau en contact avec les microorganismes intervenant dans la deuxième phase. Cette deuxième phase correspond à la biodégradation à proprement parler : des microorganismes attaquent et digèrent le produit, lequel est transformé en métabolites, de « petits morceaux » qui sont assimilés par les micro-organismes.

Il est cependant à noter que la biofragmentation n'est pas forcément suivie d'une biodégradation. C’est le cas de certains plastiques additivés : l’additif se dégrade, laissant le matériau de base fragmenté mais toujours présent.

La biodégradabilité de nos déchets est un enjeu majeur dans notre évolution vers une existence écologiquement responsable. Il faut trouver des solutions qui permettraient au verre, au plastique et autres emballages d'être, à l'instar du papier, dégradés par les êtres vivants présents dans le sol.

Schéma représentant la durée de dégradation dans le sol de différents matériaux

La biodégradabilité et l’éco-responsabilité sont des concepts apparus dans les années 1970, dans après les constats alarmants concernant la pollution de notre environnement. La recherche se lance alors sur différents projets visant à limiter notre impact écologique sur la biosphère.

L'interdiction des CFC (Chlorofluocarbures) en 1987 scelle cette course à l'éco-responsabilité. Des programmes de prévention sont alors mis en place pour la sauvegarde des milieux naturels, encourageant la population à ne pas laisser couler l'eau courante, à ne pas jeter les déchets dans la nature, ou encore à les trier pour les faire recycler. Mais le recyclage a ses limites, car bien qu’infiniment moins mauvais pour l’environnement que l’abandon pur et simple ou l’incinération de nos déchets, le recyclage reste un processus polluant, c'est pourquoi on attend des bioplastiques qu'ils soient biodégradables à court terme.

Les termes « bioplastique » et « biodégradable » sont souvent liés mais les bioplastiques ne

sont pas tous biodégradables, les bioplastiques recoupant certes les plastiques biodégradables (ce qui comprends les plastiques pétrochimiques additivés) mais également tout les bioplastiques, qui eux ne sont pas forcément tous biodégradables.

Alors que le concept de biodégradabilité détermine un produit dégradable par des éléments vivants, l'oxo-dégradabilité, qui inclut photodégradabilité et thermodégradabilité, se définit par une dégradation par fragmentation, via une interaction de la lumière et de la chaleur. Il existe des bioplastiques oxo-dégradables, mais restant présent dans l’environnement sous forme dispersée après le processus de biofragmentation, aussi, ils ne répondent pas aux attentes de retour à l'état non nocif.

Les matériaux qui les composent ces matériaux pseudo-dégradables sont des thermoplastiques additivés : des « polyoléfines » contenant un agent oxydant pouvant être, du dithiocarbamate de fer, du nickel, du manganèse ou du stéarate de nickel pour permettre la dégradation par photodégradation et thermodégradation. Le terme d’oxo-dégradable a été créé après une enquête et une étude scientifique de l’ADEME qui détermina qu’ils étaient peu biodégradables, d’où ce terme « oxo-dégradable » : qui correspond à une fragmentation du matériau avec réduction de poids moléculaires

B. Avantages et inconvénients des bioplastiques biodégradables

Pourquoi les plastiques ne sont ils pas tous biodégradables ? Tout simplement parce

que les liaisons chimiques entre les atomes et molécules de certains plastiques sont trop fortes. C’est le cas de la plupart de plastiques industriels, souvent thermodurcissables, cela signifie qu’ils sont déformables, et modelables quand ils sont soumis à une certaine chaleur, puis résistants aux agressions extérieures une fois refroidis. Mais les défenses des plastiques thermodurcissables sont aussi leurs propres restrictions, puisque les liaisons chimiques effectuées à la fonte sont irréversibles : ils ne sont donc ni recyclables, ni dégradables.

Une alternative entre les thermodurcissables et les bioplastiques biodégradables est le thermoplastique, qui lui offre l’avantage de pouvoir être refondu : sa structure, en effet, est comparable à un mur de briques : des ensembles de polymères solides, pourvus de liaisons fortes en leur sein, reliés par des liaisons chimiques faibles, friables comme du ciment. Ainsi les thermoplastiques peuvent être refondus en modifiant l’agencement des polymères. Cela peut paraître comme l’alternative idéale, mais les polymères les constituants ne peuvent être refondus indéfiniment: au bout de quelques fontes, le polymère lui-même se dégrade et s’abîme, rendant impossible sa restructuration.

Les bioplastiques présentent un avantage sur les plastiques à base de pétrole sur ce premier point : non seulement les liaisons chimiques entre éléments sont friables, mais le polymère lui-même est « consommable » par les micro-organismes qui prennent part à la biodégradation. Mais cette force dans la course à la biodégradation est aussi une faiblesse à l’utilisation : ils sont peu résistants et sont très réactifs aux changements de températures. Certains sont aussi pour la plupart hydrolysables, et donc souvent extrêmement sensibles au contact avec l’eau, même hors des situations d’hydrolyse. Ces faiblesses sont en passe d’être compensées par la recherche, avec la synthétisation de thermoplastiques biodégradables, qui, sensément, cumuleront les avantages de ces derniers.

Il ne faut cependant pas oublier que la biodégradabilité d'un matériau est toute relative malgré les normes : lorsqu'on dit qu’un bioplastique a disparu dans le sol, on n’entend pas que cela a été fait sans dangers. Effectivement le bioplastique «biodégradable » peut contenir différents pigments, encres, plastifiants qui peuvent endommager le milieu, de manière « immédiate » ou par accumulation. D’autre part un bioplastique étant souvent constitués de plusieurs polymères différents, l’un des polymères peut se dégrader plus facilement, laissant place à de petits fragments de l’autre polymère. Celui-ci peut à terme se révéler bénéfique pour le sol mais en changera forcément la structure chimique, ce qui perturbera la biodiversité présente sur le terrain. Toutefois, les bioplastiques biodégradables sont dans leur grande majorité fidèles à ce que l'on attend d'eux : ils peuvent être éliminés sur place, en milieu naturel, sous certaines conditions, et ce beaucoup plus rapidement et proprement que les pétroplastiques, même additivés.

C. Le marché des plastiques

Les matériaux utilisés est un point important : alors que le pétrole, matériau dont la

formation est extrêmement longue, sous des conditions particulières, est rare, et sera bientôt épuisé, le maïs ou la pomme de terre d’où vient l’amidon servant à synthétiser les bioplastiques sont renouvelables et faciles à produire. Cependant, une substitution totale des plastiques pétrochimiques n’est guère envisageable : selon Science et Vie Junior, la surface continentale de la Terre n’y suffirait même pas. Il est donc impératif de réduire cette consommation si nous voulons aboutir à une solution durable.

Cependant, si l’on reste dans une optique qui consiste simplement à remplacer le plus possible notre consommation pétroplastique par celle des bioplastiques, on peut en substituer entre 15 et 20%, la production de ces derniers ayant beaucoup évolué depuis 1990. Ainsi, en 1990 leur capacité de production est de 500 tonnes sur une échelle mondiale et ils étaient 10 fois plus chers que des plastiques standards. En comparaison, en 2010, la production est de 400 000 tonnes de bioplastiques et leurs coûts varient de 1,5 à 4 fois plus cher que des plastiques pétrochimiques ce qui est une formidable avancée dans cette industrie en plein essor.

Pour démontrer cette croissance rapide de leur utilisation, il faut considérer que le marché progressait d’environ 30 à 40 % par an en 2009 et les perspectives pour 2020 étaient une pénétration du marché à hauteur de 2 à 5 %.

Il faut ainsi non seulement effectuer un travail sur le développement économique de ces matériaux, mais aussi maintenir le consommateur alerte par rapport aux innovations de l'industrie. Un des problèmes posés étant en effet la période d'adaptation du consommateur lorsqu'il recycle. : Les plastiques à base de pétrole doivent être recyclés pour être refondus et réutilisés. Lorsqu'ils aboutissent au stade où ils ne peuvent plus être réutilisés, car trop instables, ils doivent être brûlés, pour les faire disparaître. Ils émettent des gaz nocifs ce faisant.

La chaleur produite est certes utilisée pour la production d’énergie, mais ce processus reste polluant. Il en va de même pour les bioplastiques : ils émettent du méthane quand ils sont brûlés. Or le système de recyclage mis en place dans les pays occidentaux ne prend pas en compte les bioplastiques. Beaucoup de consommateurs jettent ainsi les plastiques à base de pétrole et leurs semblables biodégradables ou biobasés dans la même poubelle : les

envoyant souvent à servir de combustible dans les centrales thermiques, dégageant de grandes quantités de gaz à effet de serre. Le problème réside donc ici dans l’information des populations.

Une démarche informative de l’Etat ainsi que la mise en œuvre d’un parcours de recyclage spécifique aux bioplastiques serai probablement très productive, l’image du bioplastique jouant pour lui, les consommateurs étant extrêmement friands des gestes et produits écologiques, nous pouvons donc également nous attendre à un soutient de la part de l’acheteur, même si le prix d’un bioplastique est supérieur à celui d’un plastique traditionnel.

Car en effet l’un des principaux problèmes économique des bioplastiques réside dans les coûts de production. Les bioplastiques n'étant pas produits en grande quantité, et ce malgré les parlements français adoptant une loi sur interdisant les sacs de caisse non-biodégradables en 2006, le coût de production n'est pas amorti par un prix de vente normal, et ce, comme nous le montre le tableau ci-dessous, en partie à cause des très grands besoins énergétiques, liés à la création de bioplastiques.

Matériau Energie (MJ/kg)

LDPE-HDPE 81-90

PHA – maïs 90

PHA - fermentation bactérienne 80

PLA 57

Amidon+60%PCL 52

Amidon+52,5%PCL 48

Amidon 25

Amidon+15%PVOH 25

Energie nécessaire à la production de matériaux plastiques biodégradables (Patel, 2002)

En 2006 en effet, en comparaison avec la production d’un sac plastique non

biodégradable dont le coût de production est de 5 centimes d'euro, un sac en PLA avait un coût de production équivalent à 9 centimes.

Cependant, ces sacs biodégradables sont tout de même satisfaisants économiquement (ainsi qu’écologiquement) car ils permettent une importation moins importante d’hydrocarbures pour leur fabrication et, comme il est mentionné plus haut, ces matières premières sont rares mais également chères et polluantes.

Par ailleurs, la production de bioplastiques offre de bonnes perspectives économiques pour un pays comme la France : le territoire étant majoritairement occupé par des zones agricoles. La reconversion des régions organisée par certains industriels français offre une opportunité au marché des bioplastiques : la production d'amidon pourrait ainsi être effectuée sur le territoire, et ainsi encourager à la consommation écologiquement responsable des plastiques. Il faut, cependant, prendre garde à ne pas empiéter sur les ressources vivrières, et à continuer à favoriser les autres aspects du développement durable en agriculture : par exemple, commerce de proximité et production locale.

D. Innovations et perspectives d’avenir

Depuis la mise au point de bioplastique stable, de nombreuses compagnies commerciales se sont investies dans les polymères biodégradables et biobasés. Nike, Heinz, Ford, Pepsi et Coca-Cola utilisent des biopolymères dans leurs produits ; cependant les matières utilisées sont majoritairement des bioplastiques mélangés à des plastiques à base de pétrole. Le but de ces opérations, est triple, pour les entreprises, puisqu’il conduira à une utilisation moindre de pétrole, ainsi qu’a une certaine biodégradation. De plus, comme nous l’avons dit précédemment, les matériaux biobasés jouissant d’une grande popularité cela permettrait a ces entreprises de faire une campagne de pub à moindres frais et qui leur permettrait, en considérant que les capacités physique des bioplastiques augmentent de faire des économies sur le long terme, puisqu’ils investiront dans la recherche des bioplastiques.

Coca-Cola (corporation) veut investir dans un composé de bioplastique à base de maïs.

Ces plastiques sont réalisés avec 30% de bioglycol, un éthanol extrait de la canne à sucre, qui est allié à un matériau plastique pétrolier pour former un plastique stable alliant économie et résistance, une bouteille uniquement composé de bioglycol serait en effet trop fragile, ce dernier composant étant plus perméable au gaz contenu dans les boissons pétillante que les plastiques traditionnels.

Les innovations visent à obtenir des bioplastiques plus résistants mais aussi plus biodégradables, et à les utiliser essentiellement pour des matériaux et objets dits jetables : emballages, sacs plastiques, bouteilles… et qui pourront être utilisés à l’état pur, totalement biodégradables dans le sens où ils peuvent enrichir le sol.

Face à la crise du pétrole, les entreprises optent pour les matières premières biologiques.

Les scientifiques s’emploient à concevoir des plantes transgéniques qui permettraient non seulement l’alimentation des populations mais aussi la fabrication de bioplastiques : des maïs transgéniques sont étudiés de façon à mettre à permettre l’utilisation des graines pour l’alimentation, et de la tige comme matière première des matériaux plastiques.

On envisage également d’implanter des bactéries responsables de la synthèse de bioplastiques, afin que cette dernière se fasse au sein même de la plante.

D’une manière générale les plantes transgéniques semblent être l’avenir des biotechnologies puisque elles permettraient la fabrication de matériaux sans la pollution causée par les usines (mais nécessiterait de gros apports en eaux)

Bien qu’il soit certains que les bioplastiques ont un grand avenir, leur disponibilité, leurs prix, leurs performances et leurs mises en œuvre freinent leur développement. Certes, ces prix baisseront dès que la production des plastiques d’origine renouvelable se fera à plus

grande échelle : mais cela implique la généralisation de ces matières et la réalisation par de grands industriels en l’efficacité des biopolymères en tant qu’emballages ou objets du quotidien. De plus, les procédés d’extraction des matières premières sont de plus en plus efficaces. Les coûts de production unitaire des plastiques biodégradables diminueront en conséquence et devraient égaler les coûts de production unitaires des pétroplastiques d’ici 2015.

Encore une fois cependant, il ne faut pas oublier que les bioplastiques ne sont pas tous biodégradables : au contraire, la plus grande majorité est seulement biobasée. En effet, un des principaux buts de la plupart des grandes entreprises de consommation, est de se débarrasser de l’emprise du pétrole. Dans le contexte géopolitique, et économique, pouvoir fonctionner sur une matière première non fossile procure une certaine liberté par rapport au marché. Ainsi la production de bioplastiques dans le futur sera essentiellement représentée par des plastiques biobasés, tandis que les bioplastiques biodégradables vont peu évoluer.

Conclusion

Nous avons pu définir au cour de notre TPE que les bioplastiques sont des matières plastiques, comme leur nom le laisse à deviner, pouvant être soit tiré d’une biomasse renouvelable, c’est le cas, par exemple du PLA soit être un plastique pétrochimique auquel a été ajouté un aditif lui permettant d’être biodégradé.

Il a été montré, au cour de ce TPE que les bioplastique, comme tout ou presque ce qui nous entoure, sont formés de polymères, soit d’assemblage complexe de monomères voire de biopolymères, c'est-à-dire de polymères présents dans la biomasse.

Les bioplastiques actuellement, ont pour seul point de rivalité réelle avec les plastiques traditionnels le secteur médical, notamment le PLA qui possède de bonnes chances de devenir le prochain matériau de base du fil à suture (entre autres), les plastiques traditionnels étant en effet plus connu, ils bénéficient d’une très grande longueur d’avance, au niveau de la recherche, qui les met hors de portés des bioplastiques.

Au niveau écologique, le constat est partagé car d’une part, nous avons vus que bioplastique ne signifiait pas forcément biodégradable, que la production de matières premières servant à la fabrication de bioplastique réclamaient de grandes surfaces, risquant d’empiéter sur les terrains vivriers, destiné à nourrir l’humanité, puis que la synthèse des bioplastiques, à partir donc de ces matières premières, réclamaient de grand couts énergétiques, mais d’autre part que l’industrie des bioplastiques allait croissante, gagnant, chaque année de l’importance, ce qui montre tout de même l’importance croissante qu’ils prennent. Qui plus est les scientifiques sont loin d’être bloqué au niveau des recherches, de nouvelles découvertes concertants les bioplastiques, leur synthèse ainsi que les matériaux de base utilisables.

Cependant les plastiques ne sont pas les seuls acteurs de notre écologie défaillante, et plus qu’en recherchant de nouveaux matériaux, moins polluant, la vraie solution aux problèmes environnementaux qui sont actuellement posés, est tout simplement un changement radical dans notre mode de vie, qui de fait est trop gourmand en électricité, pétroles, et autre matériaux. Ce changement aurait besoin pour s’effectuer de mouvements d’informations nationaux et internationaux dont pourraient bénéficier, les enfants dès leur plus jeune âge. Les bioplastiques sont donc, plus que des solutions à ces problèmes des preuves de la nécessité de la remise en question de notre mode de vie.

GLOSSAIRE   :

Biobasé : à base de matières premières durables et biologiques, qui peuvent venir de l’agriculture.

Biofragmentation : C’est la dégradation par fragments d'un matériau sous l'effet de la lumière et de la chaleur.

Bioglycol : éthanol issu de la canne à sucre qui est intégré dans certains composés hybrides de plastiques.

Bioplastique : Un bioplastique peut être une matière plastique bio-sourcé et/ou une matière plastique biodégradable.

Hydrolyse : Décomposition d’une substance par l’eau grâce aux ions H3O+ et HO- provenant eux-mêmes de la dissociation de l’eau.

LDPE-HDPE: Polyéthylène a basse densité (Low density polyethylene) et polyéthylène a haute densité (Hight density polyethylene). Le LDPE est plus ramifié que le HDPE, ce qui signifie que les chaînes s’assemblent moins bien entre elles. Il en résulte un taux de cristallinité moindre, une plus faible densité, une malléabilité et une résistance aux chocs plus élevés. En revanche, le HDPE est plus rigide.

Méthane : C’est un composé chimique de formule chimique CH 4. Il fait parti des hydrocarbures des plus simples.

Oxodégradable : dégradable par fragmentation (partielle)

Pétroplastique : Plastique à base de pétrole.

PHA : Les polyhydroxyalkanoates sont des polyesters biodégradables produits par des bactéries à partir de la fermentation de sucres ou de lipides. On peu l’obtenir par extraction du maïs ; on de plantes oléagineuses en général.

Photodégradable : dégradable par la lumière (les photons)

Plastique : Mélange contenant une matière de base (polymère) et pouvant être moulé afin de fabriquer un objet.

PVOH : (ou PVA) (Polyvinyl acetate) C’est un polymère synthétique. Il est synthétisé par polymérisation de l'acétate de vinyle (ester de l’acide acétique

SOURCES

SITOGRAPHIE :

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-Wikipédia : Mise à jour : 12/02/2013. [consulté le 03/10/2012]. Bioplastic. Disponible sur : <http://en.wikipedia.org/wiki/Bioplastic> Autres articles moins importants mais utilisés :-biofragmentation-bioglycol-distillation azéotropique-hydrolyse-LDPE-HDPE-méthane -oxobiodégradable-pétroplastique-PHA-photodégradable-polymérisation en chaîne-polymérisation par étapes

BIBLIOGRAPHIE :

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-COLONNA Paul (coord.). La chimie verte. Paris, TEC&DOC, 2006. 532p.