Exemples de réalisation : approche raisonnée pour le dimensionnement des biocomposites
Emballages issus d’agro-ressources

Les agro-ressources constituent, selon une définition de l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME), l’ensemble des matières premières issues de l’agriculture quelle qu’en soit leur destinée d’usage. Ceci concerne donc exclusivement les matières d’origine vivante cultivées par l’Homme, en aucun cas celles prélevées directement dans l’environnement.

De ce fait, elles sont considérées comme renouvelables.

On exclura donc, dans cet article, la biomasse d’origine animale et toutes les ressources marines issues des micro- et macro-algues et du phytoplancton.

Les agro-ressources représentent une palette de matières premières aux potentialités extraordinaires, dont l’une, non des moindres, est de nourrir les quelques 9 milliards d’êtres humains qui constituent bientôt notre Humanité.

Les agro-ressources sont constituées d’assemblages ordonnés et hiérarchisés de biomolécules qui leur permettent de remplir parfaitement leur rôle dans la Nature : structures des plantes par exemple. Au-delà des besoins de base couverts depuis des millénaires par les agro-ressources (alimentation, habitat, textile), elles reçoivent, depuis moins d’un siècle, un intérêt croissant pour des usages non-alimentaires dans les domaines des bioénergies (e.g. biocarburants), biofertilisants, biomolécules et plus récemment des biomatériaux (e.g. automobiles, construction, emballages…).

Les biomatériaux incluent les bioplastiques, mais aussi les fibres naturelles lignocellulosiques qui peuvent être utilisées comme charges de renfort pour la production de matériaux composites, ceux-ci étant des alternatives très prometteuses aux composites renforcés avec des fibres synthétiques.

Les agro-ressources sont ainsi devenues des matières premières renouvelables dont la transformation par les industriels permet de concevoir des produits performants aux impacts environnementaux réduits.

Il faut souligner que la ressource semble inépuisable: les agro-ressources sont constituées principalement de polysaccharides, dont la cellulose, et on estime que la nature produit annuellement 10¹⁰ à 10¹¹ tonnes de cellulose, soit au moins la moitié de la biomasse terrestre (, ).

L’utilisation des agro-ressources dans le domaine de l’emballage est connue depuis des siècles comme :

• l’utilisation de cires pour enrober les fruits au XII^e en Chine pour les protéger, entre autres, de la dessiccation ( ) ;

• l’utilisation traditionnelle d’emballage-feuille dans les pays africains pour transporter, conserver et cuire les aliments .

Depuis l’essor de l’industrie chimique, les biopolymères issus d’agro-ressources, tels que la cellulose ou bien encore l’amidon, sont utilisés après extraction pour faire :

• des emballages alimentaires (e.g. Mater-bi™ de Novamont contenant plus de 30 % d’amidon, la Green Plant Bottle de Volvic https://www.environmentalleader.com/2010/09/volvic-greener-bottle-made-from-20-sugarcane-waste/ dont 20 % du PET est issu de la bagasse de canne à sucre ;

• ou bien des enrobages comestibles comme les capsules de médicaments pour les formulations sèches ou liquides.

Ces emballages sont obtenus, soit directement à partir du biopolymère extrait, soit après déconstruction de la matière première et polymérisation des monomères obtenus, ou bien encore après traitement de cette matière première par voie chimique, enzymatique ou microbienne permettant d’obtenir, soit un polymère mimant un polymère existant (e.g. PET d’origine biosourcée pour la Green Bottle), soit des biopolymères microbiens (e.g. polyhydroxyalcanates) avec leurs fonctionnalités propres.

Pour limiter l’utilisation d’agro-ressources nobles à des fins non alimentaires, une autre catégorie d’agro-ressources a émergé ces dernières années : les résidus et sous-produits des filières agri-agro qui permettent, soit d’extraire des fibres lignocellulosiques pour leur utilisation ensuite comme agents de renfort, soit de synthétiser des bio-polymères microbiens (e.g. polyhydroxyalcanates).

Tout récemment, l’utilisation de biocomposites connaît une attention toute particulière car ils permettent de renforcer les propriétés mécaniques des films d’emballages et de moduler leurs propriétés de transfert de matière de manière très intéressante pour la conservation des aliments, tout en gardant la biodégradabilité du matériau (quand le polymère de base l’est lui-même) et diminuant son coût global ( ).

Dans la suite de cet article, on se focalisera sur les « full » biocomposites, c’est-à-dire les biocomposites dont la matrice et le renfort sont tous les deux issus d’agro-ressources.

L’utilisation des agro-ressources en emballage alimentaire est actuellement un enjeu très important car il est nécessaire de substituer les emballages actuels, pétro-sourcés, par des matériaux à la fois biosourcés (sans compétition avec les ressources alimentaires) et biodégradables en conditions naturelles.

La production mondiale de plastiques en 2017 a atteint 340 millions de tonnes. 23 millions de tonnes d’emballage plastiques sont produits chaque année en Europe (92 millions prévus pour 2050).

Le plus souvent après une durée d’usage très courte, inhérente à leur utilisation en tant qu’emballage alimentaire, 40 % de ces plastiques sont aujourd’hui enfouis, soit 9 millions de tonnes de déchets de plastiques par an, qui s’accumulent dans les sols. On note que 32 % des déchets plastiques fuient nos systèmes de collecte et de traitement et finissent dans les sols et les océans (connu sous le nom de 7^e continent). Ces déchets se dégradent en micro – puis en nanoparticules – qui peuvent pénétrer aisément dans les organismes vivants de la chaine alimentaire dont l’homme, maillon final, avec des effets délétères à long terme qui sont encore mal connus .

La question de l’impact des déchets plastiques dans le milieu marin a été récemment reconnue comme enjeu global majeur par l’Assemblée environnementale des Nations Unis (UNEA) et fait l’objet de consultations de la part de la Commission Européenne sur la mise en place d’une réglementation dédiée. C’est donc, à terme, la responsabilité des fabricants et/ou metteurs sur le marché qui pourrait se voir engager.

L’évolution de la législation sur les sacs plastiques jetables, déjà obligatoirement biosourcés à hauteur de 30 % depuis le 1^er janvier 2017, (et 40 % à partir du 1^er Janvier 2018, le pourcentage augmentant chaque année), témoigne de l’évolution de la réglementation en cours.

Au-delà, des aspects environnementaux, l’emballage a un rôle clé en termes de protection des denrées alimentaires et réduction des pertes et gaspillage. Les emballages à base d’agro-ressources doivent, avant tout, répondre à cet usage et les agro-ressources, par leur structure unique, permettent de le faire de manière particulièrement efficace.

Cet article, après avoir rappelé quelques définitions clés et le rôle de l’emballage alimentaire, s’attardera sur les caractéristiques des agro-ressources, puis leur mise en œuvre pour la fabrication d’emballages et les enjeux environnementaux en découlant. L’article se termine sur une « success story » : la conception d’une barquette composite agro-ressourcée et biodégradable.