Polymères bio-sourcés

L'utilisation de matières premières biologiques dans le secteur des polymères présente un grand intérêt. L'amidon, la cellulose, mais aussi les résines alkydes et certains polyamides ont été obtenus à partir de ressources naturelles à l'échelle industrielle.

L'industrie a démontré une capacité importante à traiter de grandes quantités de biomasse. Néanmoins, il est difficile d'estimer la quantité de biomasse nécessaire pour remplacer les polymères pétrochimiques par des polymères biosourcés et de savoir si cette substitution réduirait l'empreinte environnementale.

D'un point de vue technologique, les progrès réalisés dans les processus des usines ont été spectaculaires. Certaines usines ont encore une capacité assez faible, mais d'autres sont comparables à des usines pétrochimiques typiques.
Avec l'augmentation constante de la demande de plastiques biosourcés, les usines ayant une plus grande capacité de production seront de plus en plus disponibles sur le marché.
D'un point de vue géographique, les États-Unis et l'Europe sont les régions les plus importantes pour la production de plastique biosourcé, suivies par la région Asie-Pacifique et l'Amérique du Sud.

Ces polymères sont produits à partir d'un diol biosourcé, tandis que le diacide ou le diester peut être biosourcé (comme l'acide succinique ou adipique) ou pétrochimique (comme le PTA et/ou le téréphtalate de di-méthyle, DMT).
Parmi eux, le PET est le polyester le plus utilisé, avec des propriétés physiques et mécaniques qui lui permettent d'être utilisé pour les fibres (65 %) et les emballages (35 %).
Cette dernière application concerne les bouteilles (76 %), les conteneurs (11 %) et les films (13 %). Il joue un rôle important sur le marché du plastique, mais en raison de sa faible durabilité due à une dégradabilité beaucoup plus lente, il pose de sérieux problèmes environnementaux, en particulier pour le traitement des déchets, lorsqu'il est utilisé pour des applications de courte durée, comme par exemple lorsqu'il est employé comme emballage alimentaire.

Afin de réaliser un plastique durable, les produits chimiques de départ tels que l'éthylène glycol (EG) et les monomères PTA et/ou DMT doivent être obtenus à partir de sources biologiques.

La plupart des plastiques biosourcés en sont au stade de la recherche et du développement et de l'usine pilote, tandis que seuls quelques matériaux sont à des stades importants et commerciaux.
Dans le premier cas, différents types de défis technologiques sont possibles.
Pour la production de Bio-PBS partiel, il n'y a pas de barrières technologiques, car la production d'acide succinique est techniquement prête. L'estérification de l'acide succinique avec du butanol pour obtenir du PBS est réalisée à grande échelle, mais à l'aide de précurseurs pétrochimiques. Par rapport au PBS, la production de Bio-PET partiel est encore plus facile.

Par ailleurs, la production de bio-PP nécessite plusieurs étapes dont les connaissances sont limitées, ce qui rend la mise à l'échelle encore plus difficile et plus exigeante. Ainsi, selon le type de plastique, entre 20 % et 100 % du volume actuel pourrait être remplacé par des alternatives biosourcées, mais pas à court/moyen terme en raison de problèmes économiques liés aux coûts de production et à la disponibilité des capitaux, à la mise à l'échelle technique, aux grandes quantités de matières premières biosourcées et à la conversion industrielle aux nouveaux plastiques.

Un autre facteur important à prendre en considération dans la production de matériaux d'origine biologique est la concurrence avec les denrées alimentaires, les aliments pour animaux et les biocarburants pour l'approvisionnement en matières premières.
Aujourd'hui, les cultures d'amidon et de sucre sont les seules à fournir des matières premières, mais une deuxième génération de bioéthanol, basée sur des matières premières lignocellulosiques, peut être utilisée comme futurs produits chimiques de départ dans la production de bio-PE, ainsi que pour d'autres biopolymères.

La lignocellulose est bon marché, abondante et n'est pas en concurrence avec les denrées alimentaires en ce qui concerne les cultures d'amidon et de sucre, mais la biotechnologie permettant de transformer la cellulose en monomères de sucre, par l'intermédiaire de micro-organismes, nécessite des étapes de traitement plus compliquées. Au cours des deux prochaines décennies, la demande de biomasse pour la production de plastiques d'origine biologique restera inférieure à la demande pour l'alimentation humaine et animale.

Les principaux facteurs influençant le développement des plastiques biosourcés sont les obstacles technologiques à surmonter pour parvenir à une production à grande échelle, l'aptitude de ces matériaux à être utilisés comme matériaux en vrac, leur compétitivité en termes de coût par rapport aux matériaux dérivés du pétrole et la disponibilité des matières premières pour leur synthèse.

La production à partir de betteraves sucrières et de grains de maïs était la plus proche de la technologie fossile actuelle, la production à partir de maïs doux s'est avérée la plus impactante, tandis que la production à partir d'écorces d'orange était la plus écologique.

La possibilité d'utiliser ces polymères biosourcés dans des applications en vrac ne pose pas de problème, car ils sont chimiquement identiques à leurs homologues pétrochimiques.
Dans le secteur des plastiques biosourcés, le PLA, le bio-PE, les plastiques à base d'amidon et les résines époxydes biosourcées sont les quatre matériaux clés.
Les plastiques à base de PLA et d'amidon sont susceptibles de connaître une croissance rapide grâce à la réduction de leur coût de production et à leur application en masse.
Le facteur clé de la croissance du bio-PE est lié à ses coûts de production.
Le bio-PP en est encore au stade du laboratoire ou de l'usine pilote en raison d'obstacles technologiques, notamment les technologies de conversion et les technologies de traitement en aval. Si l'on envisage un scénario optimiste pour l'avenir.