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BASE - volume 10 (2006) numéro 3 Les polymères issus du végétal : matériaux à p

BASE - volume 10 (2006) numéro 3 Les polymères issus du végétal : matériaux à propriétés spécifiques pour des applications ciblées en industrie plastique Holy Nadia Rabetafika, Unité de Chimie biologique industrielle. Faculté universitaire des Sciences agronomiques de Gembloux. Passage des Déportés, 2. B-5030 Gembloux (Belgique). E-mail : rabetafika.h@fsagx.ac.be Michel Paquot, Service des Matériaux polymères et composites. Université de Mons–Hainaut. Place du Parc, 20. B-7000 Mons (Belgique). Philippe Dubois, Unité de Chimie biologique industrielle. Faculté universitaire des Sciences agronomiques de Gembloux. Passage des Déportés, 2. B-5030 Gembloux (Belgique). Notes de la rédaction : Reçu le 14 septembre 2005, accepté le 28 mars 2006 Résumé Le nouvel intérêt du secteur plastique pour les matières premières renouvelables s’inscrit dans une perspective de respect de l’environnement et de gestion des ressources fossiles épuisables. Ces matières premières végétales, essentiellement des polymères, possèdent des propriétés particulièrement attrayantes en industrie plastique telles que la biodégradabilité, la biocompatibilité, la perméabilité sélective ou encore les propriétés physico-mécaniques modifiables. Ces propriétés trouvent des applications ciblées dans des domaines très variés notamment dans les secteurs de l’emballage, du textile, de l’agriculture, de la pharmacie, de l’électronique ou de la médecine. Cet article décrit les différentes matières premières issues des plantes ainsi que leurs propriétés en relation avec les applications potentielles. Mots-clés : Biopolymères, matières premières renouvelables, biodégradabilité, industrie plastique, polymère d’acide lactique, bio-emballage Abstract Features of plant-based polymers with special applications in plastic field. The new interest of plastic field with renewable resources results from a global environmental respect awareness and the fossil depletion problem. In these perspectives, vegetable raw materials mainly polymers show attractive properties with great interests in plastic industry such as biodegradability, biocompatibility, selective permeability or variability in physico-mechanical properties. These properties have targeted applications in various fields specifically packaging, agricultural, textile, pharmaceutical, electronic or medical domains. This paper describes the different raw materials from plants and their valuable properties in relation with potential applications. Keywords : Biopolymers, renewable raw materials, biodegradability, plastic industry, polylactic acid, bio-packaging 1. Introduction L’industrie plastique est parmi les plus importantes activités industrielles chimiques en termes de quantité et diversité des secteurs d’applications. La consommation européenne en plastique en 2002 a atteint 40 millions de tonnes par an avec une part importante du secteur emballage (38 %) conduisant à des problèmes de gestion de déchets (Plastics Europe, 2004). Par ailleurs, face à la hausse du prix du pétrole et la diminution progressive des stocks, ce secteur dépendant essentiellement des ressources fossiles devra rapidement trouver une alternative aux matières premières conventionnelles qu’il utilise. Par leur abondance et leur diversité, les polymères issus du monde végétal offrent une nouvelle source de matières premières renouvelables en industrie plastique. Grâce à leurs propriétés de biodégradabilité, ces polymères pourraient constituer une solution aux problèmes environnementaux engendrés par les importants tonnages de déchets plastiques. Le plus souvent, c’est la première propriété qui est mise en avant dans la littérature pour ces polymères (Chandra, Rustgi, 1998 ; Lorcks, 1998 ; Scott, 2000 ; Gross, Kalra, 2002 ; Tharanathan, 2003 ; Auras et al., 2004). D’autres propriétés méritent également d’être considérées pour des applications spécifiques dans le secteur des matières plastiques. Cet article décrit les différentes matières premières issues des plantes ainsi que leurs propriétés en relation avec les applications potentielles. 1.1. Les grandes classes de biopolymères issus du monde végétal Les polymères issus des plantes ou biopolymères constituent la plupart du temps les parois cellulaires des végétaux comme la cellulose et la lignine (Paster et al., 2003 ; Chakar, Ragauskas, 2004 ; Reddy, Yang, 2005). Ils servent également de réserve aux plantes en vue de leur croissance (Tester, Karkalas, 2002). On peut citer dans ce cas l’exemple de l’amidon. Ces polymères sont extraits directement des plantes. Des monomères simples peuvent être également obtenus à partir des plantes après transformations chimiques et/ou enzymatiques de ces molécules (Ahmad et al., 2002 ; Masahiko, 2002 ; Mecking, 2004). Par polymérisation de ces monomères, des polymères que l’on dit issus du végétal sont obtenus. Les microorganismes, par fermentation des molécules issues des plantes, produisent des polymères classés également comme biopolymères (Akiyama et al., 2003 ; Reddy et al., 2003 ; Ruan et al., 2003). La figure 1 résume les voies d’obtention des biopolymères d’origine végétale. Les différentes classes de polymères issus des plantes sont reprises dans le tableau 1. PoPuPS | Les polymères issus du végétal : matériaux à propriétés spécifi... https://popups.uliege.be/1780-4507/index.php?id=1035&format=print 1 sur 12 11/10/2020 à 12:12 2. Les propriétés des biopolymères De par leur structure chimique, les biopolymères présentent des propriétés particulières et intéressantes pour des applications bien spécifiques en industrie plastique. La biodégradabilité est la plus importante. 2.1. La biodégradabilité des biopolymères Les biopolymères sont synthétisés dans les plantes ou les animaux par voie enzymatique et sont de ce fait dégradés rapidement dans un milieu biologique. La biodégradabilité de la plupart des biopolymères est due à la présence de liaisons facilement clivables comme les liaisons esters ou amides conduisant à la formation de molécules simples et de fragments de plus petite taille. Ces derniers sont assimilables par les microorganismes pour leur biosynthèse en libérant du CO2 et de l’H2O (Gu, 2003). A l’opposé, les polymères pétrochimiques conventionnels comme le polyéthylène ou le polypropylène, dont le squelette carboné est constitué de liaisons covalentes C-C, requièrent beaucoup plus de temps et/ou la présence d’un catalyseur (thermique, radiation électromagnétique ou chimique) pour leur dégradation (Stevens, 2003 ; Briassoulis et al., 2004). Le terme « biodégradabilité » suscite beaucoup de discussions. La définition émergeante proposée par de nombreux auteurs de la biodégradabilité se traduit par une dégradation du matériau par les microorganismes comme les bactéries, les champignons et les algues (Plastics Europe, 2001 ; De Wilde, 2003b ; Xiu-Li et al., 2003 ; Rutot, Dubois, 2004). Autrement dit, c’est une dégradation biotique qui met en jeu l’action des microorganismes par exemple par voie enzymatique conduisant à une décomposition au niveau moléculaire et chimique. Il en résulte alors la formation de CO2, H2O en présence d’oxygène (ou la formation de CH4, CO2, H2O en anaérobie) et une nouvelle biomasse (humus). PoPuPS | Les polymères issus du végétal : matériaux à propriétés spécifi... https://popups.uliege.be/1780-4507/index.php?id=1035&format=print 2 sur 12 11/10/2020 à 12:12 Grâce aux enzymes qu’ils excrètent, les microorganismes peuvent utiliser les polymères et leurs produits de dégradation comme source de carbone et d’énergie. Les bactéries et les champignons sont les principaux microorganismes impliqués dans la dégradation des polymères. La dégradation des matériaux par les enzymes peut être le résultat d’un mécanisme radicalaire (oxydation biologique) ou d’un changement chimique (hydrolyse biologique). Dans le cas de l’oxydation biologique, les enzymes réagissent directement avec l’O2 comme les cytochromoxidases qui sont des enzymes actives dans la chaîne respiratoire. La plupart du temps, l’oxygène est incorporé directement au substrat (cas des oxygénases). Parfois, il joue le rôle d’un accepteur d’hydrogène (cas des oxydases) (Chandra, Rustgi, 1998). Quant à l’hydrolyse biologique, les protéases catalysent l’hydrolyse des protéines en acides aminés. Les polysaccharides, par exemple les amidons, sont dégradés enzymatiquement pour libérer des sucres (Dierckx, Dewettinck, 2002 ; Gattin et al., 2001, Ralet et al., 2002). Les cellulases, les endo- et exo-glucanases dégradent les celluloses (Klemm et al., 2002). Les polyesters sont des polymères avec des liaisons, facilement clivables par les estérases largement présentes chez les organismes vivants suivant la réaction : R1 – COOR2 + H2O ’ R1 – COOH + R2OH Le polylactide (PLA), par exemple, est attaqué par la protéinase K, la pronase ou la bromélaine (Shimao, 2001 ; Tsuji, 2002). Néanmoins, il semblerait que la dégradation enzymatique in vivo du PLA n’a lieu qu’après libération de produit de dégradation soluble et s’opère en deux étapes. La première étape est une hydrolyse des liaisons esters autocatalysée par les acides libérés conduisant à la réduction du poids moléculaire et la formation de fragments à bas poids moléculaire. La deuxième étape consiste à l’assimilation par les microorganismes de ces fragments pour une minéralisation complète en formant du CO2, H2O et humus (Lunt, 1998 ; Auras et al., 2004). La biodégradation des polymères à base d’amidon, en l’occurrence l’exemple du MATER-BITM de la firme Novamont, apparaît dès le premier jour. Ils sont directement assimilables par les microorganismes (Bastioli, 1998). La propriété de biodégradabilité des biopolymères est particulièrement intéressante pour des applications bien spécifiques. Il est bien évident que dans certaines applications notamment dans le domaine de la construction, on cherchera plutôt des matériaux stables non biodégradables. Les critères d’utilisation des biopolymères biodégradables sont repris dans le tableau 2. La biodégradabilité des matériaux seule n’est pas suffisante. En effet, pour tirer profit de cette propriété, les matériaux doivent être en plus compostables. La compostabilité introduit la notion de délai et des conditions de température et d’humidité bien spécifiques à la biodégradation. Le produit obtenu ne doit pas émettre des produits visibles et toxiques pour l’environnement. Un « compost » valorisable en agriculture et en horticulture pourrait être alors obtenu (Schroeter, 1997 ; Klauss, Bidlingmaier, 2004). La norme EN13432 spécifie les exigences de biodégradabilité des emballages et les tests à mettre en œuvre pour évaluer leur uploads/Ingenierie_Lourd/ materiaux-a-proprietes-specifiques-pour-des-applications-ciblees-en-industrie-plastique.pdf