Bioplastiques alternatives aux plastiques pétrochimiques

Bioplastiques alternatives aux plastiques pétrochimiques

Bioplastiques alternatives aux plastiques pétrochimiques

Les bioplastiques sont des biopolymères biodégradables issus de matières premières renouvelables végétales ou animales. Les biopolymères sont des polymères présents dans des organismes vivants ou synthétisés par ceux-ci (Biofondations, 2006).
Il existe trois catégories de biopolymères qui peuvent être naturels (directement extraits de la biomasse), produits par synthèse chimique classique utilisant les monomères issus de ressources renouvelables ou produits par des microorganismes ou bactéries génétiquement modifiées (Weber, 2000; Quelenis, 2008a).

Applications des biopolymères

Les propriétés des biopolymères permettent leur utilisation pour fabriquer des bioplastiques destinés à différents secteurs du marché (emballage, construction, automobile, etc.) dans le but de substituer les plastiques issus de la pétrochimie. Les polymères biodégradables sont actuellement principalement utilisés pour des applications de grande distribution telles que les emballages, les sacs agricoles ou les films plastiques. (AGRICE, 2001). Selon une étude réalisée par Industrie Canada, l’emballage représente en 2011 le premier secteur du marché pour lequel les plastiques synthétiques sont utilisés  Le secteur de l’emballage est particulièrement confronté à la pression croissante d’une demande pour la préservation de la qualité de l’environnement. C’est la raison pour laquelle, la substitution progressive des plastiques synthétiques par des bioplastiques est une solution permettant de protéger les ressources et l’environnement, de minimiser la production des déchets, d’économiser l’énergie et de créer des emplois notamment en milieu rural (AGRICE, 2001).

Cadre légal sur l’emballage

Les lois sur l’emballage sont plutôt spécifiques à chaque pays, mais la mondialisation du commerce pousse vers l’harmonisation des lois locales avec des directives générales. Dans le cas de l’Union européenne, la directive des emballages définit le cadre général de tous les pays membres (CTAC, 2010).Au Canada, la législation sur la prévention du suremballage, de la traçabilité et des emballages éco-conçus n’est pas encore mise en place. Cependant, les lois canadiennes telle que la Loi fédérale sur l’emballage et l’étiquetage des produits de consommation (C38) stipule que tout emballage doit afficher, sans exception possible, la liste des ingrédients,  l’information nutritionnelle, la date de péremption et les conditions de stockage. De plus, elle vient établir des normes d’emballage limitant les formats et les formes des contenants pour la vente, de même que les conditions de fabrication (exemples : le vin, certains sirops, le beurre d’arachide) (CTAC, 2010).
Par ailleurs, la Loi sur les aliments et drogues comporte aussi des dispositions vis-à-vis des emballages, comme l’interdiction de la vente d’un aliment dont l’emballage peut transmettre à son contenu une substance pouvant être nuisible (CTAC, 2010).

Protéines utilisées pour la fabrication des plastiques
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Protéines animales

Caséine
La caséine est une protéine dérivée du lait. Historiquement, c’est la première protéine utilisée pour faire des plastiques. Elle est facilement transformable, en raison de sa structure en bobine aléatoire. Cependant, le procédé est long et coûteux et nécessite la plastification de la caséine et sa mise en forme dans une presse chauffante, suivie de son durcissement par réticulation dans un bain de formaldéhyde. La durée du procédé peut aller jusqu’à plusieurs mois en fonction de l’épaisseur de l’objet (Woebcken, 1995; Weber, 2000). La caséine est utilisée pour la fabrication de films à usage alimentaire, car elle forme des films transparents, flexibles et sans goût. De plus elle est utilisée pour l’étiquetage de bouteille à cause de ses propriétés adhésives (Cuq et al., 1998).
Collagène
Le collagène est une protéine structurelle dans le tissu animal, particulièrement la peau, les os et les tendons. C’est un polymère flexible, mais à cause de sa structure complexe (hélicoïdale et fibreuse), il est insoluble et difficile à traiter. Le collagène est la matière première de base pour la production de gélatine, un additif alimentaire commun qui a du potentiel pour la fabrication de films alimentaires (Weber, 2000). Le collagène n’étant pas thermoplastique,  les films sont fabriqués par extrusion d’une dispersion acide dans un bain neutralisant, suivi d’un lavage et d’un séchage (Fishman, 1997).
Kératine
La kératine est une protéine abondante et de faible coût. Elle peut être extraite des cheveux, des ongles et des plumes. En raison de sa structure et un haut contenu en groupes cystéine, la kératine est la protéine la plus difficile à traiter (Weber, 2000). La découverte d’un procédé d’extraction de la kératine à l’aide de l’urée, de réducteurs et de surfactants, a permis l’utilisation de cette matière première pour la fabrication de films biodégradables et insolubles dans l’eau. Cependant, les propriétés mécaniques sont faibles comparées à celle de la caséine (Thorin et Soulier, 1996).
Protéines de petit-lait
Les protéines de petit-lait sont des sous-produits de la production de fromage et sont particulièrement riches en ß-lactoglobuline. Ils ont une haute valeur nutritive et un potentiel pour la fabrication de films pour l’emballage. Cependant, tout comme la gélatine, des stratégies de modification appropriées devraient être développées pour réduire la sensibilité des films à l’humidité pour permettre une préservation prolongée des aliments (Weber, 2000).

Protéines végétales

Gluten
Le gluten est la protéine de stockage principale dans le blé et le grain de maïs. Le traitement mécanique du gluten mène à la formation de ponts disulfures générés par l’acide aminé cystéine qui est abondante dans le gluten. Les ponts disulfures sont responsables de la création d’une pâte forte, viscoélastique et volumineuse. La présence des ponts disulfures des protéines rend la transformation du gluten difficile car, ils doivent être réduits avec un agent de réduction approprié (Weber, 2000).
Les propriétés mécaniques du gluten peuvent varier dans la même gamme que ceux de la caséine. Les plastiques de gluten ont une haute brillance et une bonne résistance à l’eau dans certaines conditions. Ils ne se dissolvent pas dans l’eau, mais ils absorbent vraiment de l’eau pendant l’immersion. En raison de son abondance et son bas coût, la recherche se fait couramment sur l’utilisation de gluten dans des films comestibles, des adhésifs ou pour d’autres applications (Maningat et al., 1994; Bietz et Lookhart, 1996).
Protéines de soja
Les protéines de soja ont des propriétés filmogènes qui sont exploitées traditionnellement en Asie pour la fabrication de films comestibles. Quelques brevets depuis le début des années 1900 décrivent l’utilisation de protéine de soja comme adhésifs ou plastiques. Les applications les plus fructueuses des protéines de soja sont leur utilisation dans des adhésifs, des encres et des couches de papier (Guilbert et Briquet, 1989).
Farines de graines de coton
Les farines de graines de coton sont riches en protéines (40 à 60% BMS). Elles ont des propriétés filmogènes attrayantes. Des films de structure et de composition différente sont obtenus en fonction du type de farine utilisée et de l’agent réticulant utilisé (formaldéhyde, glutaraldéhyde ou gosspyl) (Marquié et al., 1995). Les films sont utilisés dans le domaine agricole comme emballages ou films de paillage (Marquié, 1996).
Zéine
La zéine représente plus de 50% de l’ensemble des protéines de l’endosperme du maïs et se caractérise par des concentrations élevées en acides aminés non polaires. Elle est soluble dans les solutions alcooliques (Paulis, 1982). La zéine tend à former des agrégats et à précipiter en milieu aqueux. D’après Hoseney, (1986), elle est la plus hydrophobe des prolamines extraites des céréales.

Plastiques à base de protéines

Parmi les polymères issus des matières premières renouvelables, les protéines sont appropriées pour la fabrication de plastique pour l’emballage (films, pellicules, etc.) à cause de leurs propriétés de barrière à gaz excellentes (O2, CO2), leur insolubilité dans l’eau et leurs propriétés mécaniques qui sont proches du polystyrène ou du polychlorure de vinyle (ex: emballages à base de gluten de maïs) (Weber 2000; Multimania, 2011).
Cependant, les propriétés mécaniques et à gaz sont sous l’influence de l’humidité relative en raison de leur nature hydrophile. La sensibilité à l’humidité relative des plastiques à base de protéine peut être résolue grâce à l’incorporation des composés de nature lipidique (cire d’abeille, paraffine, etc.) dans la formulation du film (Rouilly et Rigal, 2002).
De plus, les emballages à base de protéines sont comestibles s’ils ne renferment dans leur formulation que des substances comestibles. Ils sont destinés pour la plupart à l’emballage alimentaire et de médicaments.
Pour mieux comprendre les propriétés et les utilisations des protéines comme plastique, il est important de connaître leurs caractéristiques structurales, le rôle que joue l’agent plastifiant dans leur formulation, leurs procédés de mise en œuvre, ainsi que la raison pour laquelle leur résistance mécanique est testée.

Production de l’éthanol de maïs

Il existe deux procédés de production d’éthanol à partir du maïs: le procédé de broyage humide (Wet Milling) et le procédé de broyage à sec (Dry Milling). Le procédé de broyage humide implique le trempage préalable des grains de maïs dans de l’eau pour séparer les constituants du grain. Le germe est séparé en premier pour l’extraction de l’huile de maïs. Le son riche en fibres est ôté, puis l’amidon est séparé du gluten (partie protéique) (Arlington Insttitute 2003; Iowa State University, 2008). C’est un procédé complexe qui produit en plus de l’éthanol, une variété de coproduits tels que le gros gluten, la farine de gluten de maïs le dioxyde de carbone. De plus, le broyage humide est plus dispendieux que le broyage à sec, car il est très énergivore (Arlington Insttitute 2003).
Le broyage à sec est le procédé utilisé à l’usine Ethanol Greenfield de Varennes, d’où proviennent les différentes fractions de production utilisées dans le cadre de cette recherche.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
1.1 Bioplastiques alternatives aux plastiques pétrochimiques
1.1.1 Propriétés des biopolymères
1.1.2 Applications des biopolymères
1.1.3 Cadre légal sur l’emballage
1.2 Protéines utilisées pour la fabrication des plastiques
1.2.1 Protéines animales
1.2.2 Protéines végétales
1.3 Plastiques à base de protéines
1.3.1 Aspects structuraux
1.3.2 Procédés de mise en œuvre
1.3.3 Plastification des protéines
1.3.4 Essai de traction mécanique
1.4 Production de l’éthanol de maïs
1.4.1 Procédé de broyage à sec
1.4.2 Fractions du procédé de broyage à sec
1.4.3 Biocomposite
CHAPITRE 2 MATÉRIEL ET MÉTHODE 
2.1 Matériel et produits chimiques
2.2 Prétraitements des différentes fractions
2.3 Analyses chimiques
2.4 Préparation de la résine bioplastique
2.5 Caractérisation du matériau bioplastique
CHAPITRE 3 RÉSULTATS 
3.1 Propriétés mécaniques des trois fractions en fonction du pourcentage de protéine brute de la solution bioplastique
3.1.1 Fraction whole stillage
3.1.2 Fractions sirop etdrêche sans sirop
3.2 Propriétés mécaniques des trois fractions en fonction du pourcentage de zéine commerciale ajouté à la solution bioplastique
3.2.1 Déformation à la rupture des fractions whole stillage,drêche sans sirop et sirop
3.2.2 Contrainte maximale des fractions whole stillage, drêche sans sirop et sirop
3.2.3 Module d’élasticité des fractions whole stillage,drêche sans sirop et sirop
CHAPITRE 4 DISCUSSION 
4.1 Aspect technique
4.2 Bilan de masse et propriétés mécaniques
4.3 Aspect économique
4.4 Aspect environnemental
CONCLUSION

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