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Les biomatériaux : des bioproduits en développement

Outre le pilier social et économique, l’environnement représente l’un des principaux piliers du développement durable. Il repose sur la protection des écosystèmes, en faisant recours aux ressources naturelles renouvelables, pour répondre aux besoins sociaux, qui sont assurés, prépondérement, par les ressources pétrolières.

L’exploitation de ces ressources végétales, appelées aussi « biomasse », a permis l’émergence d’un secteur prometteur de bioproduits, celui des biomatériaux. Ces derniers regroupent, en particulier, les bioplastiques qui sont produits à partir des biopolymères.  

Les bioproduits, ou produits bio-basés, sont des produits issus de la valorisation de la biomasse (ressources naturelles renouvelables). Ils présentent des fonctionnalités similaires à celles des produits à base des ressources fossiles, telles que le pétrole et le gaz naturel, tout en offrant des avantages sur le plan environnemental. Le tableau 1 résume certains avantages et inconvénients des produits bio-sourcés.

Tableau1 : Certains avantages et inconvénients des produits bio-sourcés

Avantages

Inconvénients

  • Réduction des émissions des gaz à effet de serre : cas des biocarburants ;
  • Biodégradabilité : cas des biomatériaux ;
  • Valorisation des déchets organiques (paille, peau de légumes et fruits, etc.) ;
  • Réduction de la dépendance aux ressources pétrolières.
  • Utilisation des ressources alimentaires (blé, canne à sucre, tournesol, etc.) ;
  • Epuisement des ressources en eau ;
  • Technologies de valorisation en cours de développement ;
  • Prix parfois élevés.

Le secteur des bioproduits peut être segmenté en trois grands sous-secteurs, à savoir l’énergie, la chimie et les biomatériaux. Le secteur énergie, en effet, comprend les bioproduits exploités énergétiquement comme le bioéthanol, le biodiesel, le biogaz et le biohydrogène. Ces biocarburants sont issus des filières végétales comme le blé, la betterave et la canne à sucre mais aussi de la filière de valorisation des déchets organiques, source principale du biogaz. Le secteur de la chimie s’intéresse, quant à lui, aux biomolécules synthétisées à partir de matières premières d'origines végétales transformées comme les esters méthyliques végétaux ou les molécules extraites des différentes agroressources (colza, tournesol, blé, maïs, betterave et plantes spéciales).

Outre le pilier social et économique, l’environnement représente l’un des principaux piliers du développement durable. Il repose sur la protection des écosystèmes, en faisant recours aux ressources naturelles renouvelables, pour répondre aux besoins sociaux, qui sont assurés, prépondérement, par les ressources pétrolières.

L’exploitation de ces ressources végétales, appelées aussi « biomasse », a permis l’émergence d’un secteur prometteur de bioproduits, celui des biomatériaux. Ces derniers regroupent, en particulier, les bioplastiques qui sont produits à partir des biopolymères.  

Les bioproduits, ou produits bio-basés, sont des produits issus de la valorisation de la biomasse (ressources naturelles renouvelables). Ils présentent des fonctionnalités similaires à celles des produits à base des ressources fossiles, telles que le pétrole et le gaz naturel, tout en offrant des avantages sur le plan environnemental. Le tableau 1 résume certains avantages et inconvénients des produits bio-sourcés.

Tableau1 : Certains avantages et inconvénients des produits bio-sourcés

Avantages

Inconvénients

  • Réduction des émissions des gaz à effet de serre : cas des biocarburants ;
  • Biodégradabilité : cas des biomatériaux ;
  • Valorisation des déchets organiques (paille, peau de légumes et fruits, etc.) ;
  • Réduction de la dépendance aux ressources pétrolières.
  • Utilisation des ressources alimentaires (blé, canne à sucre, tournesol, etc.) ;
  • Epuisement des ressources en eau ;
  • Technologies de valorisation en cours de développement ;
  • Prix parfois élevés.

Le secteur des bioproduits peut être segmenté en trois grands sous-secteurs, à savoir l’énergie, la chimie et les biomatériaux. Le secteur énergie, en effet, comprend les bioproduits exploités énergétiquement comme le bioéthanol, le biodiesel, le biogaz et le biohydrogène. Ces biocarburants sont issus des filières végétales comme le blé, la betterave et la canne à sucre mais aussi de la filière de valorisation des déchets organiques, source principale du biogaz. Le secteur de la chimie s’intéresse, quant à lui, aux biomolécules synthétisées à partir de matières premières d'origines végétales transformées comme les esters méthyliques végétaux ou les molécules extraites des différentes agroressources (colza, tournesol, blé, maïs, betterave et plantes spéciales).

Un biomatériau ?

Qu’est ce qu’un biomatériau ?

Enfin, les biomatériaux sont issus des produits et sous-produits des céréales (amidon, gluten), des oléagineux ainsi que des plantes fibreuses ligno-cellulosiques. On distingue, ainsi, les biopolymères et les agromatériaux composites.

Les biopolymères sont des polymères provenant de ressources renouvelables qu’on peut polymériser pour fabriquer des bioplastiques. Issus de la « chimie verte », ils représentent une alternative aux matériaux plastiques d'origine fossile, utilisés pour les emballages, les barquettes et les films alimentaires.

Quant aux agromatériaux, ils sont composés, majoritairement, de matières premières d'origine agricole. En particulier, les mélanges de fibres et de biopolymères naturels (amidon, cellulose...) ou de polymères synthétiques. Ils sont largement utilisés dans les revêtements, les garnitures automobiles, les isolants, etc. En effet, des fibres de chanvre ou de lin peuvent, par exemple, remplacer la laine de verre dans le bâtiment.

Les biopolymères ne sont pas des produits récents. En effet, au milieu des années 1900, Henry Ford a inventé une méthode de fabrication de pièces d'automobile en plastique à partir de soja. De nos jours, ils redeviennent populaires et on les fabrique grâce à de nouvelles méthodes issues de la biotechnologie.

Actuellement, plusieurs biopolymères, potentiellement importants, sont développés. Ils sont fabriqués, principalement, par fermentation des ressources végétales.

Biopolymères potentiels

Panorama des biopolymères potentiels

L’un des biopolymères potentiels est l’acide polylactique ou PLA. Ce dernier constitue une première alternative naturelle au polyéthylène. C’est un polyester aliphatique, normalement linéaire, biodégradable et thermoplastique.

Les monomères nécessaires à la synthèse de l'acide polylactique peuvent être obtenus par la voie fermentaire à partir de ressources renouvelables, telles que l'amidon de plantes amylacées (le maïs) ou sucrées (la canne à sucre ou la betterave sucrière). Cette voie conduit à l'acide L-lactique. Ce dernier est converti, par la suite, en PLA suivant deux étapes : la production du dimère cyclique, le lactide, qui est, ensuite, transformé en PLA par polymérisation à ouverture de cycle.

Les polyhydroxyalkanoates (PHA), tels que le poly(3-hydroxybutyrate) et les copolymères poly(3-hydroxybutyrate 3-hydroxyvalérate), sont, également, des biopolymères pouvant être utilisés dans différents secteurs. Ce sont des polyesters linéaires synthétisés par fermentation de sucres ou de lipides. Cette fermentation est réalisée par des bactéries qui produisent les PHA pour stocker le carbone et l'énergie.

Plus de 150 monomères différents peuvent être combinés dans cette famille pour donner des matériaux de propriétés très différentes. Ces polymères sont biodégradables et sont employés dans la fabrication de bioplastiques.

Les applications typiques du PLA incluent:

  • Raviers et pots ;
  • Bouteilles ;
  • Gobelets jetables ;
  • Emballages alimentaires ;
  • Fenêtres transparentes d'emballage ;
  • Emballage films divers ;
  • Applications médicales ;
  • Applications électriques/électroniques ;
  • Fibres.

Les applications typiques du PHAincluent:

  • Emballages cosmétiques ;
  • Emballages films ;
  • Raviers et couverts jetables ;
  • Applications médicales et pharmaceutiques.

 Outre le PLA et le PHA, plusieurs autres biopolymères sont développés pour substituer ceux issus du pétrole. En effet, on trouve, par exemple, le polycaprolactone (PCL), le polyTriméthyleTéréphtalate (PTT), le chlorure de polyvinyle (PVC) et les Triglycérides.

Le potentiel de croissance de ces produits biobasés dépendra de leur aptitude à remplacer les produits à base de matières fossiles. Ce potentiel est, très souvent, argumenté par le fait qu’ils sont amis de l’environnement vue qu’ils sont biodégradables, voire compostables.

En Europe

Les bioplastiques en Europe

Le secteur des bioplastiques en Europe se développe, continuellement, avec un taux de 20% par année. En effet, la production des bioplastiques en 2007 a été estimée, d’après l’association "European Bioplastics", à plus de 300000 tonnes. Par ailleurs, plusieurs pays européens ont réalisé un développement avancé dans ce secteur tels que l’Italie, l’Allemagne, la France, l’Angleterre, etc. Ce développement permettrait de créer, selon "European Bioplastics", un marché de substitution par les biopolymères estimé à 15 millions tonnes/année. Ce marché sera mis en perspective avec une offre de biopolymères de 1.5 million tonne en 2011. Le tableau 2 représente l’évolution de la production des bioplastiques en 2007, 2009 et 2011.

Tableau 2 : capacité de production annuelle des bioplastiques en Europe

 

Production des bioplastiques en kt (Kilo tonne)

Synthétiques, biodégradables

Biobasés non biodégradables

Biobasés, biodégradables

Total

2007

22

30

210

262

2009

36

225

505

766

2011

42

575

885

1502

Source : association "European Bioplastics"   www.european-bioplastics.org

recherche actuels

Champs de recherche actuels

Pour promouvoir ce secteur émergeant des bioplastiques, la composante recherche et développement s’avère très importante. Actuellement, accroitre le rendement de transformation des matières végétales constitue le principal défi. Par ailleurs, les procédés actuels, jugés énergivores, utilisent toujours des combustibles fossiles comme sources d’énergie. Ce qui paraît paradoxal, en particulier lorsqu’on fait valoir l’aspect environnemental dans les biomatériaux. De ce fait, les chercheurs s’efforcent, actuellement, à améliorer ces procédés afin de répondre aux exigences économiques et écologiques.

Également, plusieurs pôles de compétitivité sont consacrés au thème de valorisation non-alimentaire des ressources naturelles et plusieurs appels à projets sont lancés. Par exemple, celui lancé en 2007 autour du Programme « chimie et procédés pour le développement durable », prenant notamment en compte la transformation de nouvelles ressources renouvelables (tout particulièrement les matières premières d’origine agricole).

Pour mettre en évidence l’importance accordée au secteur des technologies durables et environnementales, dont le secteur des bioplastiques fait partie, l’organisation mondiale de la propriété intellectuelle (OMPI) a développé un nouvel outil destiné, spécifiquement, à la recherche des brevets « verts ». www.wipo.int/classifications/ipc/en/est/index.html

 

Pour en savoir plus

www.european-bioplastics.org

www.bioportal.gc.ca

www.canal-u.tv

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