460, c’est en millions de tonnes, la quantité de plastique qui a été produite en 2019 selon l’étude publiée en début d’année par l’OCDE (Perspectives mondiales des plastiques : Déterminants économiques, répercussions environnementales et possibilités d’action). Ce chiffre a doublé depuis 20 ans alors que l’alarme a été tirée depuis le milieu des années 1970 et les premières études sur l’impact nocif des matières plastiques sur la santé et plus généralement sur la biosphère. La pandémie de Covid-19 a exacerbé l’usage des plastiques à usage unique faisant exploser la quantité de déchets : rien que sur l’année 2020, la consommation des matières plastiques a augmenté de 2,2% par rapport à 2019, engendrant 353 millions de tonnes de déchets (contre 156 vingt ans plus tôt). Parmi ces déchets difficilement détériorables (on parle même d’un 6^ème continent « installé » dans le Pacifique nord où les courants marins forment une zone de convergence accumulant ainsi des tonnes de déchets plastiques), les microplastiques représentent 12% du total de déchets. Les microplastiques, compris entre 5mm et quelques microns, entrent dans la chaîne alimentaire depuis les planctons jusqu’aux être humains en passant par les poissons et les mammifères marins. Si les conséquences sanitaires des plastiques et des microplastiques ne font pas l’objet d’un consensus scientifique, il n’en reste pas moins que les microplastiques sont bien présentes dans les systèmes digestif et respiratoire des êtres vivants, les humains en premier. Par ailleurs, 99% des polymères sont issus de la pétrochimie, représentant 4,5% des émissions de gaz à effet de serre ce qui en fait une véritable bombe à retardement. En France, depuis février 2020, une loi relative à la lutte contre le gaspillage et à l’économie circulaire fait des plastiques à usage unique, des microplastiques ainsi que des plastiques issus de la pétrochimie des ennemis de premier ordre. A terme (c’est-à-dire à horizon 2040), la France devrait se débarrasser des matières plastiques synthétiques.

Issu de l’industrie pétrolière et de la transformation d’un dérivé pétrolier, le naphta, le plastique est un polymère aux propriétés telles qu’il est aujourd’hui impensable de s’en passer et l’on retrouve cette matière dans tous les secteurs d’activités. Que ce soit sous forme de Polyamide, de cellophane, de polyester, du PVC ou de la bakélite le plastique « pétrolier » est partout. Pourtant, si l’on élargit la définition du plastique et si l’on remonte dans l’histoire de cette matière, on s’aperçoit qu’on utilisait déjà des matières aux propriétés proches mais qui étaient alors beaucoup plus naturelles. Les anciens, dès l’Antiquité, avaient découvert les propriétés « plastiques » de certains matériaux comme la cellulose, l’amidon, le caoutchouc ou l’ambre. Même les écailles de tortues pouvaient être utilisées ! Le latex est la première matière plastique (on l’utilise aujourd’hui encore sous forme transformée par polymérisation artificielle) issue du règne végétal puisqu’il s’agit tout simplement de la sève de l’hévéa qui est récoltée puis coagulée. Compte tenu des conséquences sanitaires et environnementales de la production et de l’utilisation des matières plastiques à l’échelle mondiale (la croissance démographique entraîne mécaniquement une augmentation de la demande en matières plastiques) ainsi que des progrès des sciences en matière de recherche sur des procédés et matériaux alternatifs plus respectueux de l’environnement, on voit fleurir depuis quelques décennies (et exploser depuis une dizaine d’années) des solutions dites « biologiques » de production de plastique. Appartenant au monde de l’économie circulaire (tout déchet est transformé en ressources), ces solutions mises sur ce qu’on appelle les bioplastiques ou biopolymères. Cette note de veille fait donc un focus particulier sur ces nouvelles solutions qui promettent un plastique plus durable, recyclable, biodégradable et respectueux de la planète. Parmi celles-ci, nous présentons plus particulièrement celle proposée par une start-up accompagnée par Unitec, Dionymer, qui produit des biopolymères par fermentation microbienne.

---

---

Le bioplastique c’est fantastique !

1- Qu’est-ce qu’un biopolymère ?

a. A l’origine, il est un polymère

Un polymère est une macromolécule composée de répétitions de petites unités chimiques appelées monomères. Ces monomères sont reliés entre eux par des liaisons covalentes (liaison chimique dans laquelle deux atomes se partagent deux électrons d’une de leurs couches externes afin de former un doublet d’électrons liant les deux atomes) pour former une chaîne moléculaire longue et continue. Lorsque plusieurs de ces chaînes polymériques se regroupent, elles forment un matériau polymère. « On peut comparer un matériau polymère à un plat de spaghetti. Pris individuellement, le spaghetti n’a pas de propriété mécanique particulière. Mais quand ils sont tous entrelacés ensembles ça forme un matériau entier avec une bonne tenue mécanique. C’est le même principe pour un matériau polymère » avance Antoine Brège, docteur et spécialiste en polymère biosourcés, CTO de la start-up Dionymer.

Les polymères sont présents partout dans notre vie quotidienne. De nombreux plastiques, caoutchoucs, fibres textiles, résines et même certaines substances naturelles, comme les protéines, les glucides ou encore la cellulose, l’hémicellulose ou la lignine, sont des exemples de polymères. Les propriétés et les caractéristiques d’un polymère dépendent des types de monomères utilisés, de la structure de la chaîne polymérique et des forces d’interaction entre les chaînes. Les polymères peuvent être classés en deux grandes catégories : les polymères naturels, qui se trouvent dans la nature (comme les protéines, les amidons, les gommes arabiques, l’ADN, la cellulose, etc.) et les polymères synthétiques, qui sont fabriqués par l’homme (comme le polyéthylène, le polypropylène, le PVC).

b. Pourquoi un biopolymère ?

Environ 80 % des matériaux polymères sont produits par l’industrie pétrolière, qui utilise des sources d’énergie non renouvelables. L’utilisation croissante des plastiques n’est pas sans conséquence sur l’environnement : augmentation des émissions de carbone, rejets de produits chimiques participant à la dégradation de la couche d’ozone et à la contamination des sols et des nappes phréatiques. Par conséquent, le besoin d’alternatives respectueuses du climat devient urgent.

Les bioplastiques sont des matériaux possédants des caractéristiques et des propriétés d’utilisation similaires à celles des plastiques traditionnels, tout en étant d’origine végétale, biodégradables et compostables.

Selon l’ADEME (Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie), les biopolymères sont des polymères naturels issus de ressources renouvelables de plantes, d’algues ou d’animaux. Selon cette définition on peut répertorier trois grandes classes (les polysaccharides, les protéines et la lignine) et quatre familles :

• – les polysaccharides ;
• – les protéines ou polypeptides ;
• – les polyesters synthétisés par des bactéries ;
• – les polynucléotides.

Les bioplastiques sont une famille de biopolymères. Ils se divisent en deux catégories :

• – Les matières plastiques biosourcées (issues de la biomasse, principalement des plantes) mais qui peuvent être transformées artificiellement par l’industrie et sont donc des dérivés des polymères naturels. Le fait qu’ils soient biosourcés n’entraine pas de fait qu’ils soient biodégradables. Un plastique pétro-sourcé peut être biodégradable là où un plastique biosourcé peut ne pas l’être !
• – Les matières plastiques biodégradables (dont les compostables), incluant celles issues de ressources fossiles (réactions pétrochimiques). Cette biodégradabilité est normée (norme harmonisée européenne 13432 (NF EN 13432 en France) et répond à 4 critères :

– Composition et permanence des paramètres physico-chimiques : la norme établit un taux maximal de solides volatiles, de métaux lourds et de fluor acceptables dans le matériau initial.

– Biodégradabilité : le seuil acceptable de biodégradabilité est d’au moins 90% au total ou 90% de la dégradation maximale d’une substance de référence, la cellulose.

– Désintégration : c’est l’aptitude du produit à se fragmenter sous l’effet du compostage. Le seuil de refus est de 10% de la masse initiale au-dessus d’un tamis de 2 mm.

– Qualité du compost final et écotoxicité : elle ne doit pas être modifiée par les matériaux d’emballage ajoutés au compost et ne doit pas être dangereuse pour l’environnement. La norme impose de réaliser des tests écotoxicologiques sur le compost final et exige une performance supérieure à 90% de celle du compost témoin correspondant.

L’European Bioplastics, une association de fabricants, propose la définition suivante : « les bioplastiques regroupent un grand nombre de matériaux et produits biosourcés, biodégradables/compostables, ou les deux ».

c. Les différents processus de production de biopolymères

Les biopolymères peuvent être produits à partir de sources naturelles comme ils peuvent être synthétisés en laboratoire en utilisant des techniques de génie chimique. Les principales méthodes pour fabriquer des biopolymères sont :

1. Fermentation microbienne : Les micro-organismes tels que les bactéries et les levures peuvent être utilisés pour produire des biopolymères par fermentation. Par exemple, la fermentation peut être utilisée pour produire des biopolymères tels que le polyhydroxyalkanoate (PHA), qui est un biopolymère biodégradable utilisé dans des applications plastiques.
2. Extraction à partir de sources naturelles : Certains biopolymères, tels que la cellulose, la chitine et les protéines, peuvent être extraits à partir de sources naturelles comme les plantes, les crustacés et les animaux marins.
3. Ingénierie génétique : Les techniques de génie génétique permettent de modifier génétiquement des micro-organismes pour qu’ils produisent des biopolymères spécifiques. Par exemple, des bactéries génétiquement modifiées peuvent être conçues pour synthétiser des protéines spécifiques ou d’autres biopolymères.
4. Synthèse chimique : Certains biopolymères peuvent être synthétisés en laboratoire en utilisant des réactions chimiques spécifiques. Cette méthode est moins courante pour les biopolymères que pour les polymères synthétiques traditionnels.
5. Bioprocédés : Des méthodes innovantes sont développées pour produire des biopolymères à partir de matières premières renouvelables et durables, telles que les déchets agricoles ou les résidus industriels. Nous y reviendrons.

2- Les grands marchés des biopolymères

a. Des domaines d’application très variés

Les biopolymères trouvent diverses applications sur le marché en raison de leurs propriétés écologiques et de leurs caractéristiques spécifiques :

1. Emballages alimentaires et industriels : Les biopolymères biodégradables et compostables sont de plus en plus utilisés dans la fabrication d’emballages alimentaires et industriels. Ils offrent une alternative plus durable aux plastiques traditionnels, réduisant ainsi les déchets et les impacts environnementaux. Ils répondent ainsi à la demande croissante des consommateurs pour des emballages durables qu’ils sont prêts à payer plus chers.
2. Industrie médicale : Certains biopolymères sont utilisés dans les dispositifs médicaux, tels que les sutures, les implants, les pansements et les capsules médicamenteuses. Leur biocompatibilité et leur biodégradabilité sont des avantages importants dans ces applications.

1. Cosmétiques et produits de soins personnels : Les biopolymères sont utilisés dans les produits cosmétiques et de soins personnels, tels que les crèmes, les lotions et les gels capillaires, en raison de leurs propriétés d’agent de texture (épaississant, filmifiant, matifiant, absorbant, hydratant, etc.) et de leur compatibilité avec la peau.
2. Agriculture : Certains biopolymères peuvent être utilisés dans l’agriculture pour des applications telles que les films de paillage biodégradables, les engrais à libération contrôlée et les formulations de produits agrochimiques.
3. Textiles et vêtements : Les biopolymères peuvent être utilisés pour créer des tissus et des fibres durables, biodégradables et respectueux de l’environnement, offrant ainsi des alternatives aux textiles synthétiques.
4. Industrie automobile et électronique : Les biopolymères peuvent être utilisés pour fabriquer des pièces automobiles, des composants électroniques et d’autres produits industriels, contribuant ainsi à réduire l’empreinte carbone de ces industries.
5. Construction : Certains biopolymères peuvent être utilisés dans les matériaux de construction, tels que les revêtements de sols et les adhésifs, pour améliorer leur durabilité et leur performance.
6. Environnement : Les biopolymères peuvent être utilisés dans des applications environnementales telles que la dégradation de contaminants dans le sol et l’eau, ainsi que dans la fabrication de matériaux filtrants.

b. Un marché à forte croissance

Si les bioplastiques connaissent une croissance importante depuis une dizaine d’années, il n’en reste pas moins qu’aujourd’hui encore, ils représentent à peine 1% des 390 millions de tonnes de plastiques fabriqués annuellement. Comme on le constate dans le graphique suivant, la production de bioplastique ne va pas s’essouffler dans les cinq années à venir puisqu’en 2027 ce sont près de 630 millions de tonnes qui devraient être produites. Si les plastiques non biodégradables continuent d’augmenter, ce sont les bioplastiques biodégradables qui progressent le plus.

En 2022, l’Asie est le principal continent producteur de bioplastiques avec plus de 40% de la production mondiale (estimée à 220 millions de tonnes) devant l’Europe (26,5%). Selon les estimations, l’Asie devrait voir sa part croitre fortement (au dépend de l’Europe) pour atteindre près de 66% en 2027. Ce qui est intéressant c’est de constater que la mobilisation des terres agricoles pour produire des matières premières nécessaires à la production de bioplastiques n’entre pas du tout en concurrence avec l’utilisation des sols pour élever des animaux, cultiver des céréales ou des légumes etc. et ce malgré l’augmentation attendue de la production de bioplastiques.

Liste des principaux acteurs du marché des biopolymères compostables :

Le marché des biopolymères est en pleine explosion comme nous l’avons vu. Ce secteur d’activités est comme souvent occupé par des grands groupes de la chimie et la pétrochimie qui réorientent une partie de leurs activités vers des activités plus propres (et à termes plus lucratives) comme Total Corbion PLA ou BASF. A côté de ces mastodontes, on trouve également des entreprises qui se spécialisent dans la production de biopolymères en utilisant des technologies différentes. On peut citer NatureWorks LLC, Biome Bioplastics, FKuR Kunstsoff GmbH, Novamont S.p.A., Green Dot Bioplastics, Cardia Bioplastics ou encore Danimer Scientific.

Une innovation – Une start-up : Dionymer

C’est quoi Dionymer ?

Accompagnée par Unitec, Dionymer est une start-up deeptech (les deeptech sont des entreprises innovantes dont l’ambition est de proposer une innovation de rupture répondant aux enjeux du XXIème siècle) qui appartient au secteur de l’économie circulaire. Son crédo : transformer les déchets organiques en polyhydroxyalcanoate (PHA), polymère biodégradable grâce à un procédé innovant basé sur la double fermentation bactérienne. Le procédé est réalisé à pression ambiante et faibles températures, reproduisant les conditions naturelles économes en énergie. Ainsi, pour chaque tonne de PHA dionymer produit, ce sont 2 tonnes d’équivalents CO2 qui sont économisés (comparé à un équivalent pétrochimique).

Pourquoi la fermentation bactérienne ?

La fermentation est une transformation que subissent certaines matières organiques sous l’action d’enzymes sécrétées par des micro-organismes.

Il existe différents types de fermentation selon la nature des produits utilisés pour la réaction. On distingue la fermentation alcoolique (qui transforme les sucres en éthanol en milieu liquide anaérobie), la fermentation lactique (transformation bactérienne de glucides en acide lactique ou en acide polylactique (PLA), une matière plastique biodégradable), l’acéitification (oxydoréduction de glucides ou d’alcools primaires en acide acétique), fermentation propionique, fermentation butyrique, etc.

Lors de la fermentation, les bactéries absorbent les sucres et les décomposent en petites molécules. Ce processus libère une petite quantité d’énergie qui permet aux bactéries de survivre et de se développer.

Et la double fermentation ?

La double fermentation est un processus biologique qui implique deux étapes distinctes généralement réalisées dans un ordre séquentiel. Chaque étape utilise différents micro-organismes pour convertir des substrats spécifiques en produits finaux. Ce processus est souvent utilisé dans divers secteurs d’activité pour obtenir des produits finis avec des caractéristiques souhaitées. Cette double fermentation est particulièrement utilisée dans les domaines viticole, brassicole et laitier.

Qu’est-ce que le Polyhydroxyalcanoate ?

Les polyhydroxyalcanoates (PHA) font partie des biopolymères synthétisés par les bactéries en réponse à un environnement défavorable à leur croissance. Plus précisément, les PHA sont synthétisés par des micro-organismes qui possèdent l’aptitude de mettre en place un mécanisme de survie lorsqu’ils sont soumis à une carence en certains nutriments (phosphore, azote ou oxygène) ou en présence d’un excès de carbone dans leur milieu nutritif.

Ces polymères biodégradables se présentent alors comme une alternative à l’utilisation de polymères synthétiques dérivés de la pétrochimie. L’un des atouts des PHA est leur versatilité. En effet, en fonction de la nature du couple bactérie/substrat et des conditions de fermentation, il est possible de jouer sur la composition et la structure chimique des PHA afin d’ajuster leurs propriétés physicochimiques comme leur souplesse ou leur transparence. Autre aspect intéressant, les propriétés physicochimiques des PHA changent en fonction de la longueur des chaines latérales : plus ces chaines sont courtes, plus les PHA sont rigides, cassants, cristallins ; plus elles sont longues, plus les PHA sont souples, extensibles et flexibles.

Parmi les caractéristiques du PHA qui lui valent d’être un matériau d’avenir, on trouve quelques points forts : sa biodégradabilité, sa renouvabilité (le fait d’être produit à partir de sources renouvelables), sa faible émission de gaz à effet de serre, sa compatibilité avec l’alimentation et son utilisation polyvalente (aéronautique, industrie médicale, automobile, etc.)

Quelle proposition de valeur ?

La solution développée par Dionymer est avantageuse pour les chimistes mais elle l’est sur toute la chaîne de valeur également. Du côté des producteurs de biodéchets, la solution permet une diminution des coûts de gestion des biodéchets, une réduction de l’empreinte environnementale et bien entendu améliore l’image de marque. Du côté des utilisateurs de polymères, outre l’image de marque fortement valorisée, la réduction de l’empreinte écologique et la faible volatilité du prix, l’utilisation d’un matériau biodégradable participant à l’économie circulaire est un plus indéniable.

Les marchés visés par Dionymer sont tous ceux qui utilisent des polymères issus de la pétrochimie : la cosmétique, l’industrie, le secteur des emballages, le secteur textile, etc.

3 questions à … Thomas Hennebel, Co-fondateur et CEO de Dionymer

Pourriez-vous présenter rapidement Dionymer et nous expliquer en quoi votre start-up se démarque de ses concurrents ?

Dionymer développe « PHARM », une technologie biomimétique unique qui valorise n’importe quels déchets organiques en polymères (de type PHA : PolyHydroxyAlcanoate) biodégradables.

L’approche innovante et différenciante de Dionymer réside dans 3 composantes qui permettent de réduire nettement le coût de production actuel de ce type de polymères et qui vont ainsi grandement faciliter la pénétration du marché :

1. Une matière première locale à coût très réduit : les déchets organiques, et notamment le marc de raisin, qui se démarque des quelques approches existantes utilisant des huiles végétales ou du sucre, plus coûteux.

2. La performance économique et écologique du procédé unique liée à l’utilisation d’une bactérie particulière qui permet des économies de solvants organiques et simplifier les étapes de production et donc du coût final du polymère.

3. La possibilité de traiter tout type de déchets organiques grâce à la technologie dont le brevet est en cours de dépôt. Les risques financiers et d’approvisionnement liés aux matières premières sont ainsi réduits, les possibilités de personnalisation des polymères sont multipliées, et les perspectives de développement importantes.

Pourquoi avoir opté pour la production de PHA ? Quels sont les avantages de ce polymère ?

La famille des PHAs a été un acteur clé dans la recherche sur les polymères biosourcés et biodégradables au cours des deux dernières décennies. Cependant, jusqu’à cette date, les installations de production à grande ne sont pas encore disponibles pour le marché. On constate que jusqu’à présent, la demande du marché n’était pas encore assez forte car les transformateurs et utilisateurs de polymères ne voyaient pas la nécessité de faire passer leurs produits d’origine fossile vers des produits biosourcés et biodégradables généralement plus coûteux. 

Au cours des dernières années, la demande du marché pour des matériaux et des produits durables a beaucoup augmentée. Elle est largement accélérée en ce moment par une prise de conscience mondiale des consommateurs sur la pollution plastique et le changement climatique et par les réglementations gouvernementales associées.

En conséquence, les PHA commencent à apparaître dans une large gamme d’applications dans les domaines de l’agriculture, de l’emballage alimentaire et du plastique durable, des cosmétiques, des textiles et la plupart des installations de production à petite échelle (<10 kt/an) des polymères de type PHA dans le monde (cf. doc concurrence) ne sont pas en capacité de répondre à la demande actuelle.

Comment envisagez-vous l’avenir du marché du bioplastique ?

Actuellement, les biopolymères représentent moins d’1% des plus de 390 millions de tonnes de polymères produites annuellement. La production mondiale globale de polymères est  en hausse constante portée par une demande croissante.

D’après European Bioplastics, les capacités mondiales de production de biopolymères devraient tripler en 5ans d’environ 2,2 millions de tonnes en 2022 à environ 6,3 millions de tonnes en 2027.

La sensibilisation des consommateurs à l’impact environnemental des matériaux issus du pétrole et la réglementation active vers des alternatives biosourcées sont et seront quoiqu’il arrive, le moteur du marché de nos PHA. Nous considérons que le momentum de Dionymer est idéal, avant il était trop tôt pour faire émerger des PHA circulaires, ensuite il sera trop tard, toutes les conditions sont aujourd’hui réunies.