Fabriquer des bioplastiques grâce à la culture de microalgues

La plupart des matériaux plastiques sont fabriqués à partir du pétrole et sont régulièrement pointés du doigt pour leur impact négatif sur l’environnement, notamment parce qu’ils ne sont pas biodégradables. Il existe différentes façons de les fabriquer à partir de matériaux biosourcés, via par exemple l’amidon de maïs, un procédé fréquemment employé. Depuis 4 ans, un programme de recherche transfrontalier, réunissant des équipes belges et françaises, vise à développer de nouvelles méthodes de mise au point de matériaux polymères biosourcés issus des cultures de microalgues. Baptisé ALPO, son objectif est de fabriquer des bioplastiques à hautes performances et compétitifs, qui ne rentrent pas en compétition avec la biomasse alimentaire.

Dès le départ de ce projet, les chercheurs ont préféré travailler à partir de microalgues plutôt que de macroalgues, comme le décrit Jean-Marie Raquez, maître de recherche à l’Université de Mons : « La complexité des macroalgues rend plus difficile le contrôle des différents constituants présents à l’intérieur.  Dans le cas des microalgues, nous pouvons plus facilement moduler leur composition afin d’obtenir des constituants de type lipidique pour faire du polyuréthane ou alors saccharidique pour produire des acides lactiques et donc des polyesters ». Il existe plusieurs dizaines de milliers d’espèces de microalgues. Les chercheurs en ont principalement sélectionné deux : Chlorella vulgaris, qui possède une capacité à stocker des acides gras, et Arthrospira platensis, qui accumule des polysaccharides.

Favoriser la production de certains constituants des microalgues

Ce projet a consisté à optimiser la culture des microalgues, à travers l’optimisation de leur croissance à l’aide de bioréacteurs ainsi que des conditions de cultures, comme la température, le pH du milieu, la lumière et les apports en nutriments. Les microalgues ont la capacité de convertir l’énergie solaire en utilisant du CO2 et de l’eau pour produire de l’oxygène et de la biomasse algale grâce à la photosynthèse. Les scientifiques ont analysé l’impact des nutriments sur la croissance de ces micro-organismes aquatiques afin de produire certains constituants qui pourront ensuite être valorisés. « Le CO2 est le premier composant nécessaire aux microalgues. Des dérivés de l’azote ou des phosphores interviennent aussi dans la croissance de manière importante. Nous avons par exemple constaté que l’apport de nitrates et de phosphates dans le milieu va favoriser une croissance dirigée vers les lipides au détriment des saccharides. »

La culture de ces microalgues a été réalisée à l’échelle du laboratoire. Entre 24 et 48 heures sont nécessaires à leur croissance avant de pouvoir récupérer la biomasse. La taille de ces micro-organismes étant de quelques microns, des procédés ont été développés pour faciliter leur extraction, notamment en les agglomérant. Ces travaux ont confirmé qu’il est possible de fabriquer certains polymères, nécessaires à la fabrication de bioplastiques, à partir de cette biomasse algale. « On peut notamment produire avec la fraction saccharidique présente à l’intérieur certains acides utilisés pour faire des polyesters aliphatiques, par exemple l’acide polylactique (PLA) ou le polybutylene succinate (PBS). »

Le déploiement de ce procédé à une échelle industrielle reste à ce stade difficile pour des raisons économiques. En cause, ses rendements limités : environ 5 grammes par litre et par heure pour la biomasse algale contre environ 100 g pour la biomasse issue de l’amidon de maïs. Il est possible d’atteindre 10 grammes en laboratoire, mais cette performance est difficilement atteignable à grande échelle.

Des pistes pour améliorer la productivité de la culture de microalgues

Malgré tout, Jean-Marie Raquez pense que la fabrication de plastiques issus de la biomasse algale à destination du packaging ou du textile a de l’avenir : « Pour rendre cette technique compétitive, il faudrait réussir à extraire, en plus des constituants pour fabriquer des bioplastiques, certaines molécules à plus haute valeur ajoutée, comme des antioxydants. Mais pour l’instant, nous sommes encore loin de ce stade de développement, car il y a des incompatibilités au niveau de la chimie. »

Certaines pistes pour améliorer la productivité de ce procédé sont également possibles comme la mise en place d’un système où l’on ajoute des micro-organismes dans un premier bassin et où on récupère la biomasse dans un second, afin de rendre le procédé circulaire et semi-continu. « Au niveau de la valorisation, on pourrait aussi aller plus vite vers la fabrication de matériaux plastiques en intensifiant la séparation des différents constituants des microalgues à l’aide de traitements micro-ondes par exemple », poursuit le chercheur.

Un autre atout de ce procédé pourrait aider à son développement : la capacité des microalgues à stocker du CO2. « On pourrait imaginer l’installation de cette technique directement sur des sites industriels afin de capter les effluents gazeux émis et ainsi fabriquer de la biomasse algale », ajoute Jean-Marie Raquez.