Mardi 23 février 2021
Les bioplastiques, entre limites et
opportunités
Aurore Richel Professeur Ordinaire en Chimie des
Ressources Renouvelables (Gembloux Agro-Bio Tech,
ULiège), Gilles Crahay Fondateur & CEO (PolyPea)

LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :

AURORE RICHEL, PhD
Full Professor
University of Liège (Belgium)
a.richel@uliege.be
www.chem4us.be Chem.4.us
La chimie pour créer notre futur
Bioplastiques
De meilleures définitions pour une meilleure
compréhension des enjeux ?

Une longue histoire d’innovation
Matière plastique (polymère)
Polymère: issus de ressources naturelles renouvelables
1600 avant J.-C. (Mésoamérique):
caoutchouc naturel
Moyen Age (Europe):
cornes de bovins

Une longue histoire d’innovation
19ème siècle: production des premiers matériaux plastiques
(> renouvelables)
Goodyear
Hyatt
© Gooyear , © National Museum of American History

1830 1840 1850 1860 1870 1880 1900 1910 1920 1930
Caoutchouc
Goodyear
1839
Celluloïd
Parkes/Hyatt
1855-1869
Viscose
Hilaire de
Chardonnet
1884
Galalithe
Trillat
1899
Poly(chlorure de vinyle) PVC
Regnault 1835 – Baumann 1872
Cellophane
Brandenberger
1908
Bakélite
Baekeland
1907
Caoutchouc
synthétique
Hofmann
1907-1909
PVC additivé
BF Goodrich
1926
Polystyrène
IG Farben
1931
© 2021 Richel Aurore

1935 1940 1945 1950 1960
© 2021 Richel Aurore
Polyéthylène
basse densité
(LDPE)
ICI
1934
Téflon
Du Pont de Nemours
1938
Nylon
Du Pont de Nemours
1935
Silicones
Dow Chemical
1940
Polyuréthanes
O. Bayer
1937
Résines ABS
US Rubber Company
1946
« Mélamine-
formaldéhyde »
1930-après guerre
Polyéthylène haute
densité (HDPE)
Ziegler
1953
Polypropylène
Ziegler & Natta
1954
Poly(téréphtalate
d'éthylène)
Du Pont
~1945
« Styrène-Butadiène »
(Guerre)
1970
Polymères super-
absorbants
NASA
1965-1970
Polycarbonates
Bayer
1953

Une longue histoire d’innovation
§ Plus de 2 siècles de production
§ « Multi-phases » et « multi-applications »
§ Ressources naturelles fossiles (pétrole)
Demande EU (2019): 64 Millions de tonnes
97% 3%

En chiffres
Croissance en volumes – marchés par secteurs
1,5
50
100
200
245 250
270
279
288
299
311
322
335
348
359
0,35
19,8 27,4
56,1 60 55 57 58 57 58 59 58 60 64,4 61,8
0,
50,
100,
150,
200,
250,
300,
350,
400,
1950 1976 1989 2002 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Monde
Europe
Production
(en
millions
de
tonnes)
Année de référence
61
34,5
9,6
8,9
3,2
2,5
1,6
0 10 20 30 40 50 60 70
China (2016)
United States (2015)
Indonesia (2018)
Japan (2018)
Canada (2016)
Australia (2016)
Sweden (2016)
Quantité de déchets plastiques
(millions de tonnes)
Source: www.chem4us.be; (Etabli sur base de Plastics Europe, 2019)
39,9
19,8
9,9 6,2

En chiffres
Depuis 1950: effet cumulatif
© 2021 Richel Aurore
Selon les données de Geyer, R.; Jambeck, J. R.; Law, K. L. Sci. Adv. 2017, 3 (7), e1700782.
Production
primaire
8300 Mt
Mise en
décharge,
accumulation
4900 Mt
Stock « en usage »
2500 Mt
4600 Mt
300 Mt
Incinération
800 Mt
500 Mt
Recyclage
600 Mt
Secondaires
100 Mt
700 Mt
300 Mt
100 Mt

§ Empreinte environnementale (y.c. pollution terrestre et
maritime / microplastiques) et meilleure gestion de fin
de vie
§ Pression sur les flux de matières premières (& volatilité
des prix)
§ Demande des consommateurs
=> 2000: regain d’intérêt pour les bioplastiques
Positionnement

Bioplastiques:
« matériaux plastiques qui peuvent être:
- composés - en tout ou en partie -de matières premières
renouvelables (organiques, CO2)
- et/ou biodégradables/compostables »
Définition officielle European Bioplastics
Les bioplastiques: nuances de définitions

Bioplastiques:
Les bioplastiques: nuances de définitions
Non
biodégradables
Ressources
renouvelables
Ressources
fossiles
Biodégradables
Polymères « conventionnels »
Polymères « conventionnels » Polymères biosourcés biodégradables
Biopolymères
(natifs, modifiés et
blends)
Monomères ou
polymères produits
par fermentation
Polymères biodégradables non biosourcés
PLA
PHAs
PBS
Celluloses modifiées
Cellulose native
(fibres)
Lignine -polyphénols
Amidon natif
Amidon modifié
Chitosan, chitine
Bio-PE
Bio-PP
Bio-PET
Bio-PA
Bio-PTT
Drop-in Alternatives
PEF (polyéthylène
furanoate)
PE
PP
PET
PVC (polychlorure de vinyle)
PS (polystyrène)
PTFE (polytétrafluoroéthylène)
Etc.
PBAT
PBS
PCL
PVA (alcool polyvinylique)
Etc.
Source: Richel, Coulembier, Actualité Chimique, 2021

Les bioplastiques: nuances de définitions
Source:
www.chem4us.be; (Etabli
sur base de Plastics
Europe, 2019)

§ Biosourcés – biodégradables
Les + anciens – exploitation des propriétés « natives »
Biopolymères – cas 1
Ressources
renouvelables
Biodégradables
Polymères biosourcés biodégradables
Biopolymères
(natifs, modifiés et
blends)
Monomères ou
polymères produits
par fermentation
Polymères biodégradables non biosourcés
PLA
PHAs
PBS
Celluloses modifiées
Cellulose native
(fibres)
Lignine -polyphénols
Amidon natif
Amidon modifié
Chitosan, chitine
e
PBAT

§ Biosourcés – biodégradables
Les + anciens – exploitation des propriétés « natives »
Biopolymères – cas 1
Ressources
renouvelables
Biodégradables
Polymères biosourcés biodégradables
Biopolymères
(natifs, modifiés et
blends)
Monomères ou
polymères produits
par fermentation
Polymères biodégradables non biosourcés
PLA
PHAs
PBS
Celluloses modifiées
Cellulose native
(fibres)
Lignine -polyphénols
Amidon natif
Amidon modifié
Chitosan, chitine
e
PBAT
P. Van Wouwe, M. Dusselier, E. Vanleeuw, B. Sels, ChemSusChem 2016, 9, 907.

§ Biosourcés – mais non biodégradables
Biopolymères - cas 2

Biopolymères - cas 2
Ressources
renouvelables
(amidon, cellulose et/ou
sucres libres)
O
OH
CH2OH
OH
OH
OH
D-glucose
O
HO H
O
5-HMF
Isomérisation O
CH2OH CH2OH
OH
OH
HO
D-fructose
Déshydratation
Déshydratation
Substitution par Cl
O
Cl H
O
CMF
Hydrolyse O
HO OH
O
O
O
O O
O
O
H
OH
n
Oxydation
HO
OH
FDCA PEF
Oxydation
Voie A
Voie B
Voie C
Source: Richel, Coulembier, Actualité Chimique, 2021
BASF, Avantium

R&D et questions
HO
O
OH
O
Acide succinique
HO2C CO2H
Acide maléique
HO OH
O O
Acide glutarique
HO
O
OH
O
Acide adipique
O
OH
O
HO
O
FDCA
HO2C
CO2H
Acide téréphtalique
HO
O
OH
O
n
n = 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18
HO
O
OH
Acide glycolique
HO
O
OH
Acide lactique
HO
O
OH
Acide 3-hydroxypropionique
HO
CO2H
n
n = 7 à 18
HO2C OCH3
OH
Acide vanillique
O
HO
CO2H
Acide 5-hydroxyméthylfuroïque
MeO OMe
O
Carbonate de diméthyle
O O
O
O O
O
Carbonate d’éthylène
Carbonates cycliques
O O
O
RO OR
O O
O
R
Acides dicarboxyliques
Acides carboxyliques hydroxylés Carbonates
O
O
γ-butyrolactone
O
O
O
O
Lactide
β-méthyl-δ-valérolactone
O
O
O
O
ε-caprolactone
Lactones
Diols
HO
OH HO
OH
Ethylène glycol 1,4-Butanediol
O
O OH
HO
Isosorbide
O
HO
OH
HO OH
n
n = 1, 2, 10, 15
2,5-furandiméthanol

R&D et questions
§ Faisabilité technique (démo) et coûts de production

§ Bénéfices environnementaux ?
§ Cas par cas
§ Chaine de valeur complète pour une fonction donnée
§ LCA
R&D et questions
Results of life-cycle assessment with biopolymers listed
as PLA-NW, PLA-G, PHA-G, and PHA-S. Hybrid is B-PET.
Table from Environmental Science & Technology.

§ Bénéfices environnementaux ?
§ Question des additifs ?
§ Positionnement par rapport aux options de recyclage ?
R&D et questions
Benavides, P. T.; Dunn, J. B.; Han, J.; Biddy, M.; Markham, J. Exploring Comparative Energy and Environmental
Benefits of Virgin, Recycled, and Bio-Derived PET Bottles. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6 (8), 9725–9733.

§ Aspects sociétaux – logistiques ?
R&D et questions
Danny Taufik, Machiel J. Reinders, Karin Molenveld, Marleen C. Onwezen, Science
of The Total Environment, Volume 705, 2020

§ Tradition vs. Rupture technologique
§ Définition (biosourcés et/ou biodégradables)
§ Bénéfices et positionnement par rapport aux filières
existantes (y.c. Recyclage)
En résumé
Richel, Coulembier, Actualité Chimique, 2021,
« Bio-sourcing » et catalyse organique : vers une possible
synergie pour le développement de matériaux polymères

• Founded in 2020, start-up in R&D stage.
• Developing a bioplastic made from pea starch.
• Active in circular economy and eco-design.
• Research program in collaboration with UMONS.
• Website : www.polypea.be (available in French)
Copyright © 2021 PolyPea

Source : European Parliament (2018)
Source : Ellen MacArthur Foundation (2017)
Source : CIEL (2019)
Copyright © 2021 PolyPea

Source : European Bioplastics, nova-Institute (2018)
Biobased
Biodegradable
Copyright © 2021 PolyPea

Source : Ellen MacArthur Foundation (2017)
Copyright © 2021 PolyPea
REDUCE
REUSE
RECYCLE
BIOPLASTICS

Conditions for biobased materials to be beneficial to
environment:
✓ Renewable resources need to be really renewable
X No deforestation, decent work conditions,
avoid food competition
✓ Circular supply is even better → Wastes and
by-products as renewable raw materials
✓ Need for a clear definition of biobased, if not
gateway to greenwashing
Copyright © 2021 PolyPea

Source : TUV Austria Belgium (2020)
Copyright © 2021 PolyPea

Copyright © 2021 PolyPea

Copyright © 2021 PolyPea

European Commission : 100% of plastics packaging must be reusable,
recyclable or compostable by 2030.
Source : European Commission, Circular Economy Action Plan, 2020
Copyright © 2021 PolyPea

• Development of a 100 % biobased and biodegradable plastic.
• Promote circular economy by using by-products and waste
streams.
• Rely on particularities of pea starch with regards to other
starches.
• Bioplastic film with applications in packaging.
Copyright © 2021 PolyPea

Peas crops
Extraction process
By-products
(starch)
Biodegradable
plastic pellets
Transformation into
packaging (films)
Usage
Collect and
composting
Biomass
Copyright © 2021 PolyPea

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