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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
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56,1 60 55 57 58 57 58 59 58 60 64,4 61,8
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1950 1976 1989 2002 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
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Année de référence
61
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En chiffres
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© 2021 Richel Aurore
Selon les données de Geyer, R.; Jambeck, J. R.; Law, K. L. Sci. Adv. 2017, 3 (7), e1700782.
Production
primaire
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§ Empreinte environnementale (y.c. pollution terrestre et
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Monomères ou
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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
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PTFE (polytétrafluoroéthylène)
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PBAT
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Source: Richel, Coulembier, Actualité Chimique, 2021
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§ Biosourcés – biodégradables
Les + anciens – exploitation des propriétés « natives »
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Polymères biosourcés biodégradables
Biopolymères
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polymères produits
par fermentation
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PLA
PHAs
PBS
Celluloses modifiées
Cellulose native
(fibres)
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Amidon natif
Amidon modifié
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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
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O
OH
CH2OH
OH
OH
OH
D-glucose
O
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CH2OH CH2OH
OH
OH
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O
Cl H
O
CMF
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HO OH
O
O
O
O O
O
O
H
OH
n
Oxydation
HO
OH
FDCA PEF
Oxydation
Voie A
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Source: Richel, Coulembier, Actualité Chimique, 2021
BASF, Avantium
R&D et questions
HO
O
OH
O
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HO2C CO2H
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HO OH
O O
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HO
O
OH
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O
OH
O
HO
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HO2C
CO2H
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HO
O
OH
O
n
n = 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18
HO
O
OH
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HO
O
OH
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HO
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HO
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n
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OH
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HO
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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
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O
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HO
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HO OH
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of The Total Environment, Volume 705, 2020
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§ 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
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(starch)
Biodegradable
plastic pellets
Transformation into
packaging (films)
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composting
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Copyright © 2021 PolyPea
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Les bioplastiques, entre limites et opportunités | LIEGE CREATIVE, 23.02.21

  • 1. 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)
  • 2. LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :
  • 3. 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 ?
  • 4. 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
  • 5. Une longue histoire d’innovation 19ème siècle: production des premiers matériaux plastiques (> renouvelables) Goodyear Hyatt © Gooyear , © National Museum of American History
  • 6. 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
  • 7. 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
  • 8. 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%
  • 9. 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
  • 10. 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
  • 11. § 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
  • 12. 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
  • 13. 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
  • 14. Les bioplastiques: nuances de définitions Source: www.chem4us.be; (Etabli sur base de Plastics Europe, 2019)
  • 15. § 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
  • 16. § 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.
  • 17. § Biosourcés – mais non biodégradables Biopolymères - cas 2
  • 18. 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
  • 19. 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
  • 20. R&D et questions § Faisabilité technique (démo) et coûts de production
  • 21. § 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.
  • 22. § 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.
  • 23. § 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
  • 24. § 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
  • 25.
  • 26. • 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
  • 27. Source : European Parliament (2018) Source : Ellen MacArthur Foundation (2017) Source : CIEL (2019) Copyright © 2021 PolyPea
  • 28. Source : European Bioplastics, nova-Institute (2018) Biobased Biodegradable Copyright © 2021 PolyPea
  • 29. Source : Ellen MacArthur Foundation (2017) Copyright © 2021 PolyPea REDUCE REUSE RECYCLE BIOPLASTICS
  • 30. 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
  • 31. Source : TUV Austria Belgium (2020) Copyright © 2021 PolyPea
  • 32. Copyright © 2021 PolyPea
  • 33. Copyright © 2021 PolyPea
  • 34. 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
  • 35. • 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
  • 36. Peas crops Extraction process By-products (starch) Biodegradable plastic pellets Transformation into packaging (films) Usage Collect and composting Biomass Copyright © 2021 PolyPea
  • 37. !