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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Notes > Biomatériaux : l'avenir se joue à Grenoble           Révision : 26 avril 2010
     
Biomatériaux : l'avenir se joue à Grenoble

Julien Bras
(Avril 2010)
 
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"Biomatériaux" : ce terme a plusieurs définitions. Il peut désigner des matériaux biodégradables, dérivés ou non du pétrole, ou encore des matériaux compatibles avec le vivant pour des greffes par exemple. À Grenoble INP-Pagora, le terme est utilisé pour les matériaux biosourcés, c'est-à-dire issus de ressources renouvelables, répartis en trois catégories : les fibres cellulosiques utilisées dans le papier ou le textile ; les bioproduits ou produits biosourcés ; les biocomposites, aux propriétés mécaniques améliorées, formés à partir du mélange des deux premières catégories. Les propriétés de ces biomatériaux permettent d'envisager de plus en plus d’applications. Ainsi, la demande de différents types de fibres ayant des propriétés bien contrôlées augmente. 2009 a d'ailleurs été l’année des fibres naturelles. Leur connaissance, leur traitement et leur caractérisation comptent parmi les points forts de la recherche scientifique menée à Grenoble INP-Pagora depuis plusieurs années. Cet article définit plus précisément les bioproduits avec quelques exemples de recherches en cours au laboratoire LGP2.

I - Bioproduits ou produits biosourcés

Voir aussi :

Il peut s'agir de petites molécules chimiques extraites de différentes ressources végétales (bois ou plantes) dans des usines aujourd'hui considérées comme de véritables bioraffineries.

Citons les sucres, très utiles pour les biotechnologies, qui permettent d’obtenir du bioéthanol, les terpènes qui sont des dérivés odorants, ou encore le furfural qui peut ensuite être réutilisé en polymérisation classique.

Les bioproduits peuvent aussi être des biopolymères classés en trois familles : les biopolymères issus directement de la nature, les polymères synthétisés à partir de biomonomères et les biopolymères synthétisés à partir de micro-organismes.

I-1 - Biopolymères issus directement de la nature

Les biopolymères issus directement de la nature les plus connus sont la cellulose [Figure 1] et la lignine. Ils sont présents dans les plantes dans les organes de structure. La cellulose est le biopolymère le plus important sur la planète grâce à la photosynthèse des végétaux. La biomasse en produit environ 200 milliards de tonnes par an et 3% seulement sont actuellement exploités.

Schéma de la cellulose
Figure 1 - Schéma de la cellulose

Autre biopolymère de grand intérêt : l’amidon présent dans les organes de stockage de la pomme de terre, du riz, du maïs,…

I-2 - Polymères synthétisés à partir de biomonomères

Ce sont des polymères fabriqués classiquement comme tous les plastiques, mais avec des molécules issues de la nature. Citons le polyacidelactique (PLA) qui est fabriqué à partir d’acide lactique lui-même obtenu à partir du glucose issu de l’amidon de maïs par exemple. Ce PLA correspond aux deux tiers des biopolymères utilisés industriellement et présente l’avantage d’être rigide et transparent.

I-3 - Biopolymères synthétisés à partir de micro-organismes

Il s'agit principalement des polyhydroxyalkanoates (PHA) fabriqués par des micro-organismes particuliers nourris du sucre. La production en batch limite encore leurs applications en raison de prix trop élevés. Toutefois, la possibilité d’avoir une large gamme de propriétés en fait les biopolymères de l'avenir (cinq à dix ans).

II - Une recherche active et innovante dans les emballages

Les biopolymères servent de plus en plus comme revêtements déposés à la surface des matériaux afin de leur conférer de nouvelles propriétés. Des chercheurs du laboratoire LGP2 de Grenoble INP-Pagora participent par exemple à différents projets européens portant sur ce sujet comme AgroBar et FlexPakRenew.

II-1 - AgroBar : des nanocristaux de cellulose
au service des propriétés barrière des emballages

AgroBar est un projet collaboratif entre deux entreprises iséroises, Ahlstrom Research & Services et Condat Lubrifiants, et le laboratoire LGP2, qui est financé par des fonds FEDER et labellisé par le pôle de compétitivité Chimie Environnement Axelera en 2007.

L'objectif est de développer une nouvelle famille de revêtement pour emballage technique, biodégradable et non toxique et provenant de matières premières renouvelables. Ce projet s'inscrit dans un marché des emballages flexibles largement dominé par le film plastique qui est doté de bonnes propriétés mécaniques alliées à une forte résistance à l’eau, un scellage facile et une transformation aisée.

Le papier quant à lui offre des propriétés mécaniques plus faibles mais capables de satisfaire une grande partie des demandes du marché de l’emballage souple, en particulier dans le domaine de l’alimentaire.

Depuis plusieurs années, de nombreuses recherches sont faites sur la réduction de la perméabilité à la vapeur d'eau des emballages papier, mais les seules solutions proposées utilisent des produits issus de la pétrochimie... Or, l’accroissement du prix des matériaux synthétiques induit par la hausse des cours du pétrole, ajouté à la prise de conscience de la nécessité de protéger l’environnement, conduisent à développer des matériaux d’emballage ayant un impact environnemental faible d’où un intérêt de plus en plus marqué pour des matériaux fabriqués à partir de sources renouvelables.

Les travaux des trois partenaires - LGP2, Ahlstrom Research & Services et Condat Lubrifiants - sont innovants à double titres :

    Des nanocristaux de cellulose ont été fabriqués à partir de différentes sources végétales : lin, bois, sisal, ramie, chanvre, capim dourado,...
  Ces nanocristaux de cellulose ont été utilisés afin d'améliorer les propriétés barrière des papiers couchés.

Des premiers résultats portant sur l'influence des différents nanocristaux de cellulose dans des films biodégradables ont été présentés lors d'une conférence MatBim 2010 à Paris [cf. Effect of multiple cellulose whiskers on mechanical and barrier properties of polymer films].

Nanocristaux de 
   cellulose extraits du sucre de la pulpe de betterave
Figure 2 - Nanocristaux de cellulose 
extraits du sucre de la pulpe
de betterave [Azizi Samir et al., 2004]

Les nanocristaux de cellulose ajoutés à des molécules dérivées du glycérol (ressource renouvelable) ont été mélangés avec une matrice polymère, biodégradable. Le mélange obtenu a servi à enduire des papiers soumis ensuite à divers tests afin de mettre à l'épreuve leur perméabilité à la vapeur d'eau et leur qualité de barrière aux graisses.

Parallèlement à ce projet, en collaboration avec le Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMAP) de Grenoble, les chercheurs ont étudié l'orientation des nanocristaux par rapport à la matrice afin d'expliquer les différences dans les propriétés barrière en fonction du procédé utilisé. Une présentation scientifique a d'ailleurs été faite lors du congrès NanoFun 2010 à Madrid.

Enfin, en collaboration avec AgroParisTech et le Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM), des travaux ont été menés afin de comprendre les phénomènes de barrière à l'aide d'outils mesurant la perméabilité à l'oxygène et à l'hélium. De plus, des essais de production par extrusion ont été effectués en recourant au PLA.

II-2 - FlexPakRenew : des nanoparticules d'amidon
au service des propriétés barrière des emballages

FlexPakRenew, coordonné par le Centre Technique du Papier, associe dix partenaires venus de six pays européens parmi lesquels figurent des industriels (Cargill et Ahlstrom), des universités (Université de Sheffield, Grande-Bretagne, et Université de Karlstad, Suède) et des centres de recherche (Fraunhofer Institute, CERMAV, LGP2). Le projet a débuté en septembre 2008 et rendra ses conclusions définitives en septembre 2011.

Son objectif est de concevoir et développer un matériau d'emballage léger, innovant, écologique présentant des propriétés barrière, pour remplacer les films plastiques traditionnels.

Dans le cadre de ce projet, le laboratoire LGP2, reconnu pour son expertise dans la synthèse, la caractérisation, la modification et l'utilisation des bionanoparticules, étudie le remplacement des composés issus de la pétrochimie par des nanoparticules issues de l'amidon afin de conférer des propriétés barrière aux emballages en papier.

III - Recherche

III-1 - Les nanocelluloses

SUNPAP (Scale Up Nanoparticles in Modern Paper Making) coordonné par le VTT Research Centre of Finland associe 22 partenaires industriels et universitaires. Son objectif est de passer à l'échelle industrielle quant à l'utilisation des nanoparticules dans l'industrie papetière. Les travaux de recherche concernent principalement les nanofibrilles de cellulose. Le projet a débuté en juillet 2009 et rendra ses conclusions en juillet 2012.

Le LGP2 est impliqué via une thèse sur l'obtention d'un nouveau procédé de greffage de la cellulose en adéquation avec les principes de la chimie verte. En mars dernier, à l'initiative du Centre Technique du Papier, une cinquantaine de chercheurs européens se sont réunis à Grenoble et une visite de Grenoble INP-Pagora a été organisée.

D'autres projets sont en cours sur les nanocelluloses au sein du laboratoire LGP2 et certains ont été présentés lors de la conférence ACS 2010 à San-Francisco en mars dernier.

III-2 - Développer les bioraffineries dans les usines de pâtes

Grenoble INP-Pagora travaille également sur les bioraffineries qui demain produiront des biocarburants de deuxième génération à base de substrats ligno-cellulosiques.

Dans le cadre de l'Institut Carnot Énergies du Futur, le LGP2 travaille sur la valorisation des hémicelluloses extraites des copeaux de bois utilisés pour la fabrication des pâtes papetières, au lieu d’être brûlés dans les liqueurs de ces fabrications. L’extraction de ces produits doit être faite dans les installations des usines de pâtes, sans compromettre le bilan énergétique de ces usines ni la qualité des fibres produites. Il s’agit donc de mettre au point un procédé d’extraction de ces produits, non dégradant pour la cellulose, de transformer les hémicelluloses extraites en mélange valorisable, permettant de fabriquer du bioéthanol par fermentation et éventuellement des bioproduits.

La production simultanée de pâte à papier, de bioéthanol et de produits chimiques valorisables représente une solution particulièrement élégante pour améliorer la rentabilité des usines de pâte et obtenir des produits organiques par une voie autre que pétrolière. L’avantage de ce concept est son application dans une unité existante ayant déjà collecté la matière première (bois) pour la production de fibres. De plus, l’extraction ne nécessite pas de modification importante de la chaîne de fabrication.

Conclusion

Grenoble INP-Pagora s'inscrit résolument dans le mouvement de fond qui agite tant les consommateurs exigeant de plus en plus des matériaux et des produits ayant un moindre impact sur la planète que les industriels en quête d'alternatives aux dérivés du pétrole.
L'école, forte d'une expertise fondée sur sa recherche de pointe, propose des enseignements dans ce domaine aux jeunes étudiants qui apprennent le métier d'ingénieur : couchage, physique des structures fibreuses, biopolymères, bioproduits, biocomposites, etc.

En ce qui concerne les biomatériaux, l’avenir se joue à Grenoble et plus particulièrement, à Grenoble INP-Pagora.

 
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