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Une industrie émergente : de
la matière première aux
plasturgistes et composteurs


Michel Huneault
Université de Sherbrooke


Colloque sur les bioplastiques compostables
2 juin 2011
Resumé
 Définitions
 Forces motrices
 Revue de bioplastiques existants
 Perspectives et Opportunités
Que signifie le BIO
    dans BIOplastique ?

     Naturel ?
     Biodégradable?
     Meilleur pour l’environnement ?
     Vivant ?




3
Définition : Bioplastique
       Bioplastique = Polymère biosourcé
         ◦ Matériaux fabriqués à partir d’une matière première de
           source de carbone organique renouvelable




             Source renouvable           Source non‐renouvelable



        Contenu en ressource renouvelable :
                Norme ASTM D6866
                Basée sur la datation au C14 (i.e. âge du carbone organique)
4
Les premiers bioplastiques
                 (dérivés synthétiques de cellulose)


                                 Vêtements en rayonne
                                   (acetate de cellulose),
                                           1930s




Boules de billard en Celluloid
  (nitrate de cellulose), 1868

                                                             Panneaux en résine thermodurcissable
                                                                à base de soya et fibres naturelles,
                                                                              1941
Carbone organique :
               source fossile vs source renouvelable
                                           CO2

                                                             100 an

                                                                      Énergie
Énergie                                                               du soleil
(Nourriture,
Chauffage
transport
Production 
électrique)
                                   Biomasse
                102 ans            (C organique nouveau )

                                              106 ans

                   ~4% du 
                   pétrole 
                   utilisé pour 
                                      Réserve fossile
                   plastiques         (C organique ancien)
 6
Définition : Compostabilité
                                     ASTM D6400




                                                         Conversion de C (%)
                                                                               100
                                                                               80
       Biodegradation aérobique                                               60

        ◦ Conversion supérieure à un seuil (60-90%)                            40

          après 180j                                                            20
                                                                                0
                                                                                     0   60     120     180   240
                                                                                         Durée (jour)
       Fragmentation
        ◦ Moins de10% de fragments > 2 mm après
          12 semaines

       Toxicité
        ◦ Essai de germination (OECD 208)
           taux > 90% taux d’une référence
        ◦ Composition en métaux lourds sous
          niveaux déterminés

    * Note: Seule la fragmentation ou la croissance de
       mousses sur le plastique ne suffit pas


7
Biodégradation aérobique
                                                               ASTM5338
                                                                                          E.g. Milieu de compostage
   Mesure de respiration:                                                     T= 58±2  oC
    ◦ Mesure de CO2 émis en fonction du temps                                  En présence d’air
    ◦ Calcul de la conversion de C organique en C                              Référence négative: PE
      inorganique
    ◦ La biodégradation dépend des conditions du milieu                        Référence positive: cellulose
                CxH2x+3/2 O2    xCO2+xH20



                               Conversion de C (%)   100

                                                      80

                                                      60

                                                      40

                                                      20

                                                       0
                                                           0     60            120           180      240
                                                                      Durée (jours)
                                                                           8
Force motrice: plastiques biosourcés
Prix des ressources fossiles

                               Développement des
                               biotechnologies




                                    Photo National Research Council of Canada
    Surproduction agricole
                                                 Instabilité politique
                                                 Pression interne pour réduire
                                                 dépendance au pétrole




9
Forces motrices environnementales

•   Amélioration de l’image corporative
•   Perception positive pour le BIO



•   Diminution d’impact visuel

•   Diminution d’impact écologique
    (écosystèmes marins)

•   Diminution d’empreinte carbone

•   Valorisation des déchêts organiques
Force motrice: Compostabilité
   Composition des déchêts
    ◦ Papier et carton……….. 40%                 Déchêts secs
    ◦ Plastiques.…………..….. 10%                  Peuvent être recyclés, 
                                                enfouis, incinérés avec 
    ◦ Métaux ………………….. 10%                      récupération d’énergie. 


    ◦ Matière organique…….40%                   ¿Que faire?
             nourriture
             Feuilles  et       Compostage est une solution
             reste de jardin 
                                Coûte moins cher que biométhanisation.
                                Nécessite moins d’énergie que l’incinération
                                Évite la production de méthane

                                Et vous avez le compost en PRIME
Rôle des plastiques compostable dans la
            gestion des déchets organiques

   Souvent, il est difficile de valoriser les déchets
    organique mixtes (i.e. plastiques + matière
    putrescible)…
    ◦ Emballages plastiques+ matière organique
                                                                Sacs (TPS ou Ecoflex)
    ◦ Pellicules et mousses plastiques
    ◦ Articles jetables
    ◦ Revêtements de papier et carton
    ◦ Sac de retailles de jardin
                                                         Ustensiles (TPS)
    ◦ Pellicule de paillage (agriculture) 1Mt/an!


        OPPORTUNITÉ POUR
        PLASTIQUES
        COMPOSTABLES


L’infrastructure de compostage se met en place!
                                  12
                                                                        Pellicule de paillage
Le compostage, une réalité…
Resumé
 Définitions
 Forces motrices
 Revue de bioplastiques existants
 Perspectives et Opportunités
Ressources de la biomasse
       Energy



                                             heating            Ethanol           Biodiesel


                Natural Fibers        Cellulosics &      Sugars & Starches         Oils        Other            Proteins
                •Cotton, Sisal, Jute, Lignocellulosics   •From Corn, wheat, potato •Soybean,   Polysaccharides Gluten,
                •Hemp, Flax                                                        •Rapeseed   •Pectin, Chitin, Zein
                                                                                   •Castor     •Levan, Pullulan


                                                                                               Chitosan
Materials




                                    Wood Wood            Thermoplastic
                  Textiles          lumber composites    Starch
                        +
                                                                                         Thermoset from
                  Natural fiber                                                                                 Soy-based
                                    Cellulose                                            triglycerides
                  composites                                                                                    binders,
                                    Derivatives
                                    (cellophane,                                                                PSA
                                    Cellulose acetate)

                                                             BIOREFFINERY
                                                                                               Chemical
                                                                                               Building 
                                                                                               Blocks

          15                      agrobusiness
       chemicals
Plastiques biosourcés
                                                                                    Huiles végétales
                   Amidon et Carbohydrates                                          Ricin, Soya
                                                        hydrolyse

gelatinisation                      fermentation
                  éthanol                            Sucres simples

                                                   fermentation/      Synthèse
plastification   déhydration                       traitement         microbienne
                                    Monomères      enzymatique                                         Réticulation
                                                                                    modification
                                    biosourcés
                                                                      extraction

                               Lactic   Propane Succinic Adipic                      Acide gras
                 ethylene      Acid     Diol    acid     acid                           11C




 Amidon            Polyethylene          Polyesters,                     PHA           PA11        Thermosets
 Thermo-                                 polyamides,
 plastique                               polyurethanes
     16
                                                            *undecanoic acid
Matériaux compostables


       Mélange à base d’amidon
        thermoplastique
        ◦ Novamont’s Materbi, Plantic,
          Rodenburg




Polylactide (PLA)
    NatureWorks                    Polyhydroxyalcanoate (PHA, PHB)
                                         Telles, PHB industrial
Non-Compostable             Compostable
     100%Biosourcé     Polyéthylène issu       Poly(acide lactique)
                       de l’éthanol (Brésil)
                       Polyamide 11 issu       Poly(hydroxy alcanoate)
                       d’huile de ricin
                                               Amidon thermoplastique

                       PU et Polyester         PEA

       Partiellement   utilisant diol
                       biosourcés
       Biosourcé                               PBAT



                       99% des plastiques      Polyester aromatique
                       conventionnels          /aliphatique, E.g. Ecoflex

         Fossile
                        OXOdégradables




18
Perspective : volume de production des
    plastiques biosourcés
                           2010          2013
                           kton/an       kton/an

   PLA                    150            300
   PHA                     ~0             50
   Thermoplastic starch   100            150
   PTT (25%Biobased)       50            100
   PU (25% Biobased)       50             50
   PE                       0            450
   PA11                    50             50
    ◦ Total                400           1150


Marché mondial des plastiques    > 200,000 kTon/an
Positionnement stratégique – Filière Bioplastique au Québec

                       Industrie de                      Industrie 
        Producteurs    synthèse        Formulateurs      de la             Distributeurs/ 
        de matière     chimique                          plasturgie        Utilisateurs
        première       primaire et 
                       secondaire

                                                                  positionnement du projet


ENTREPRISES TYPES
                       Purac           Novamont          IPL               Entreprise de 
        Cargill                                                            secteurs 
        ADM            Tate & Lyles    Cereplast         Balcan
                       Dow             Cerestech         Winpak            alimentaire, 
        Exxon                                                              emballage, 
        Shell          Dupont          Solanyl           Plastech
                       NatureWorks     Lavergnes         & 500 PME         hygiène, etc.
                       Telles          Felix compounds   au Québec

PRÉSENCE REGIONALE

        Non               Non             Oui              Oui                Oui
Opportunités
 Quelques bioplastiques actuellement
  disponibles
 Opportunités
    ◦   Mélanges polymères/amidon thermoplastique
    ◦   Formulation de PLA cristallisable
    ◦   Formulation de bioplastiques moussables
    ◦   Formulation de bioplastiques pour laminage
        de papier
Procédé de malaxage
                                               Plastifiant




                                                                                      Amidon
                                                 Polymère
                                                synthétique

                                                               Starch

                                                               metering


Puller &   Air or    Extrusion
                                                           Liquid feed
Cutter     water     die
           cooling     P
                           P




                               P
                               P P                            P


                                                  Side-
                                     vacuum      feeding                  Leistritz Twin Screw 34 mm
                                     venting                                         Extruder
Prototypes
    Pièces moulées
    Feuilles extrudés. Feuilles de mousse.
    Pellicules minces
    Contenants thermoformés




23
Publications 2007 -2011




                Principaux Collaborateurs
                Sujets
                Hongbo Li
                PLA/TPS : 4
                Nathalie Chapleau
                Cristallisation PLA : 2
                Mihaela Mihai
                Moussage PLA : 3
                Basil Favis
                Nanocomposite bio: 3
Perspectives
   Croissance importante des plastiques
    biosourcés et compostables

   Normes et support législatif grandissant
    pour le compostage des matières organiques
    – Besoin pour bioplastiques compostables

   Expertise et volonté existent au Québec
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Colloque québécois sur les bioplastiques – Une industrie émergente : de la matière première aux plasturgistes et composteurs

  • 1. Une industrie émergente : de la matière première aux plasturgistes et composteurs Michel Huneault Université de Sherbrooke Colloque sur les bioplastiques compostables 2 juin 2011
  • 2. Resumé  Définitions  Forces motrices  Revue de bioplastiques existants  Perspectives et Opportunités
  • 3. Que signifie le BIO dans BIOplastique ? Naturel ? Biodégradable? Meilleur pour l’environnement ? Vivant ? 3
  • 4. Définition : Bioplastique  Bioplastique = Polymère biosourcé ◦ Matériaux fabriqués à partir d’une matière première de source de carbone organique renouvelable Source renouvable Source non‐renouvelable Contenu en ressource renouvelable : Norme ASTM D6866 Basée sur la datation au C14 (i.e. âge du carbone organique) 4
  • 5. Les premiers bioplastiques (dérivés synthétiques de cellulose) Vêtements en rayonne (acetate de cellulose), 1930s Boules de billard en Celluloid (nitrate de cellulose), 1868 Panneaux en résine thermodurcissable à base de soya et fibres naturelles, 1941
  • 6. Carbone organique : source fossile vs source renouvelable CO2 100 an Énergie Énergie  du soleil (Nourriture, Chauffage transport Production  électrique) Biomasse 102 ans (C organique nouveau ) 106 ans ~4% du  pétrole  utilisé pour  Réserve fossile plastiques (C organique ancien) 6
  • 7. Définition : Compostabilité ASTM D6400 Conversion de C (%) 100 80  Biodegradation aérobique 60 ◦ Conversion supérieure à un seuil (60-90%) 40 après 180j 20 0 0 60 120 180 240 Durée (jour)  Fragmentation ◦ Moins de10% de fragments > 2 mm après 12 semaines  Toxicité ◦ Essai de germination (OECD 208)  taux > 90% taux d’une référence ◦ Composition en métaux lourds sous niveaux déterminés * Note: Seule la fragmentation ou la croissance de mousses sur le plastique ne suffit pas 7
  • 8. Biodégradation aérobique ASTM5338 E.g. Milieu de compostage  Mesure de respiration: T= 58±2 oC ◦ Mesure de CO2 émis en fonction du temps En présence d’air ◦ Calcul de la conversion de C organique en C Référence négative: PE inorganique ◦ La biodégradation dépend des conditions du milieu Référence positive: cellulose CxH2x+3/2 O2 xCO2+xH20 Conversion de C (%) 100 80 60 40 20 0 0 60 120 180 240 Durée (jours) 8
  • 9. Force motrice: plastiques biosourcés Prix des ressources fossiles Développement des biotechnologies Photo National Research Council of Canada Surproduction agricole Instabilité politique Pression interne pour réduire dépendance au pétrole 9
  • 10. Forces motrices environnementales • Amélioration de l’image corporative • Perception positive pour le BIO • Diminution d’impact visuel • Diminution d’impact écologique (écosystèmes marins) • Diminution d’empreinte carbone • Valorisation des déchêts organiques
  • 11. Force motrice: Compostabilité  Composition des déchêts ◦ Papier et carton……….. 40% Déchêts secs ◦ Plastiques.…………..….. 10% Peuvent être recyclés,  enfouis, incinérés avec  ◦ Métaux ………………….. 10% récupération d’énergie.  ◦ Matière organique…….40% ¿Que faire? nourriture Feuilles  et  Compostage est une solution reste de jardin  Coûte moins cher que biométhanisation. Nécessite moins d’énergie que l’incinération Évite la production de méthane Et vous avez le compost en PRIME
  • 12. Rôle des plastiques compostable dans la gestion des déchets organiques  Souvent, il est difficile de valoriser les déchets organique mixtes (i.e. plastiques + matière putrescible)… ◦ Emballages plastiques+ matière organique Sacs (TPS ou Ecoflex) ◦ Pellicules et mousses plastiques ◦ Articles jetables ◦ Revêtements de papier et carton ◦ Sac de retailles de jardin Ustensiles (TPS) ◦ Pellicule de paillage (agriculture) 1Mt/an! OPPORTUNITÉ POUR PLASTIQUES COMPOSTABLES L’infrastructure de compostage se met en place! 12 Pellicule de paillage
  • 13. Le compostage, une réalité…
  • 14. Resumé  Définitions  Forces motrices  Revue de bioplastiques existants  Perspectives et Opportunités
  • 15. Ressources de la biomasse Energy heating Ethanol Biodiesel Natural Fibers Cellulosics & Sugars & Starches Oils Other Proteins •Cotton, Sisal, Jute, Lignocellulosics •From Corn, wheat, potato •Soybean, Polysaccharides Gluten, •Hemp, Flax •Rapeseed •Pectin, Chitin, Zein •Castor •Levan, Pullulan Chitosan Materials Wood Wood Thermoplastic Textiles lumber composites Starch + Thermoset from Natural fiber Soy-based Cellulose triglycerides composites binders, Derivatives (cellophane, PSA Cellulose acetate) BIOREFFINERY Chemical Building  Blocks 15 agrobusiness chemicals
  • 16. Plastiques biosourcés Huiles végétales Amidon et Carbohydrates Ricin, Soya hydrolyse gelatinisation fermentation éthanol Sucres simples fermentation/ Synthèse plastification déhydration traitement microbienne Monomères enzymatique Réticulation modification biosourcés extraction Lactic Propane Succinic Adipic Acide gras ethylene Acid Diol acid acid 11C Amidon Polyethylene Polyesters, PHA PA11 Thermosets Thermo- polyamides, plastique polyurethanes 16 *undecanoic acid
  • 17. Matériaux compostables  Mélange à base d’amidon thermoplastique ◦ Novamont’s Materbi, Plantic, Rodenburg Polylactide (PLA) NatureWorks Polyhydroxyalcanoate (PHA, PHB) Telles, PHB industrial
  • 18. Non-Compostable Compostable 100%Biosourcé Polyéthylène issu Poly(acide lactique) de l’éthanol (Brésil) Polyamide 11 issu Poly(hydroxy alcanoate) d’huile de ricin Amidon thermoplastique PU et Polyester PEA Partiellement utilisant diol biosourcés Biosourcé PBAT 99% des plastiques Polyester aromatique conventionnels /aliphatique, E.g. Ecoflex Fossile OXOdégradables 18
  • 19. Perspective : volume de production des plastiques biosourcés 2010 2013 kton/an kton/an  PLA 150 300  PHA ~0 50  Thermoplastic starch 100 150  PTT (25%Biobased) 50 100  PU (25% Biobased) 50 50  PE 0 450  PA11 50 50 ◦ Total 400 1150 Marché mondial des plastiques    > 200,000 kTon/an
  • 20. Positionnement stratégique – Filière Bioplastique au Québec Industrie de  Industrie  Producteurs  synthèse  Formulateurs de la  Distributeurs/  de matière  chimique  plasturgie Utilisateurs première primaire et  secondaire positionnement du projet ENTREPRISES TYPES Purac Novamont IPL Entreprise de  Cargill secteurs  ADM Tate & Lyles Cereplast Balcan Dow Cerestech Winpak alimentaire,  Exxon emballage,  Shell Dupont Solanyl Plastech NatureWorks Lavergnes & 500 PME  hygiène, etc. Telles Felix compounds au Québec PRÉSENCE REGIONALE Non Non Oui Oui Oui
  • 21. Opportunités  Quelques bioplastiques actuellement disponibles  Opportunités ◦ Mélanges polymères/amidon thermoplastique ◦ Formulation de PLA cristallisable ◦ Formulation de bioplastiques moussables ◦ Formulation de bioplastiques pour laminage de papier
  • 22. Procédé de malaxage Plastifiant Amidon Polymère synthétique Starch metering Puller & Air or Extrusion Liquid feed Cutter water die cooling P P P P P P Side- vacuum feeding Leistritz Twin Screw 34 mm venting Extruder
  • 23. Prototypes  Pièces moulées  Feuilles extrudés. Feuilles de mousse.  Pellicules minces  Contenants thermoformés 23
  • 24. Publications 2007 -2011 Principaux Collaborateurs Sujets Hongbo Li PLA/TPS : 4 Nathalie Chapleau Cristallisation PLA : 2 Mihaela Mihai Moussage PLA : 3 Basil Favis Nanocomposite bio: 3
  • 25. Perspectives  Croissance importante des plastiques biosourcés et compostables  Normes et support législatif grandissant pour le compostage des matières organiques – Besoin pour bioplastiques compostables  Expertise et volonté existent au Québec pour être proactif et devenir leader dans ce domaine
  • 26. Merci