Organisation

LOOP4PACK, une approche intégrée allant de la biosynthèse des PHAs à leur formulation et mise en forme. Le projet est organisé en quatre tâches scientifiques (T1 à T4) et une tâche de management de projet et de dissémination (T0)

Légende (T=Taches)

T1 : Biosynthèse de PHAs

T2 : Valorisation des PHAs

T3 : Caractérisation et formulation

T4 : Evaluation de l’impact environnemental et du coût

LOOP4PACK vise à étendre et à contrôler les fonctionnalités des PHAs. Des performances ciblées seront obtenues en combinant deux stratégies :

    1. au niveau de l’étape de biosynthèse (Tâche 1 (T1)), des polymères de longueur de chaîne plus élevée tels que du (P(3HB-co-3HV) à forte teneur en 3HV et des mcl-PHA seront produits. Ces polymères sont d’excellents candidats pour l’emballage en raison de leurs propriétés thermoplastiques 10 ;
    2. au niveau de la formulation (T3), les PHAs seront mélangés avec des agents de nucléation et/ou des charges entièrement biodégradables et biologiques pour tirer parti des structures composites 18,19.

De plus l’impact des méthodes de récupération des PHAs (T2) sur leur poids moléculaire et leurs propriétés thermo-mécaniques sera évalué.

La réalisation de cet objectif s’appuiera sur une étude de produit/marché (T4) pour mieux cibler les besoins des industriels et les caractéristiques des emballages à substituer ainsi que les marchés applicatifs.

LOOP4PACK vise à réduire les coûts et l’impact environnemental des matériaux à base de PHAs à chaque étape du procédé :

    1. au niveau de l’étape de biosynthèse (T1), des matières premières à faible coût seront utilisées (sous-produits agroalimentaires) en boucle fermée.
    2. au niveau de l’étape de récupération (T2), le traitement alcalin servira de méthode de base car il est apparu comme l’un des procédés les plus favorables aboutissant à un coût de production de 1,40 €/kg de PHB, un potentiel de réchauffement climatique de 2,4 kg d’équivalent CO2/kg de PHB et une utilisation d’énergie non renouvelable de 106 MJ/kg de PHB 17 ;
    3. au niveau de la formulation (T3), les PHAs seront mélangés avec des charges entièrement biodégradables et biologiques pour diminuer le cout global des matériaux à base de PHAs ;

Enfin, l’obtention de propriétés adaptées pour les applications d’emballage permettra d’apporter une plus grande valeur ajoutée aux matériaux (T1-3) et une évaluation des coûts et de l’impact environnemental sera effectuée (T4).

L’objectif de la tâche 1 est d’étudier la production, par cultures microbiennes, des PHAs de différentes qualités à caractériser et à traiter pour fabriquer des matériaux tels que des emballages. Cette tâche est réalisée par l’équipe Symbiose de TBI (Partenaire INSA Toulouse) et par l’équipe IRB de IATE (Partenaire UM).

L’originalité de ce travail sera :

  • de comparer les potentialités de production des cultures pures et des cultures microbiennes mixtes en réacteur continu (MMC)
  • d’obtenir des copolymères d’hydroxyvalérate (HV) et d’hydroxybutyrate (HB) avec une teneur en HV de 10 à 50%;
  • de produire des mcl-PHA en utilisant à la fois des cultures pures et des MMC
  • de comparer la production de PHA à la fois sur des substrats simples (acides gras volatils ou glucose) et sur des matières premières complexes

Les approches scientifiques développées sont basées sur la compréhension, la quantification et la modélisation des transformations microbiennes opérées sous contraintes industrielles.

Des PHAs de qualité définie seront fournies aux tâches 2 et 3 pour la récupération, caractérisation et mise en forme des PHAs. Les flux de matières et d’énergie seront fournis à la tâche 4 pour une évaluation économique et une Analyse du Cycle de Vie (ACV).

La tâche 1 est ainsi découpée en 3 sous-tâches :

  • Tâche 1.1. Prétraitement des résidus de McCain pour l’obtention de substrats assimilables pour l’étape de biosynthèse des PHAs
  • Tâche 1.2. Biosynthèse de P(3HB-co-3HV) à haute teneur en HV
  • Tâche 1.3. Biosynthèse de mcl PHAs
Responsable : Etienne Paul etienne.paul@insa-toulouse.fr

L’objectif de la tâche 2 est de développer et améliorer une méthode d’extraction – purification des PHA produits par voie microbienne et d’assurer le scale-up de cette méthode. Cette tâche est réalisée par le CRITT-Bio (Partenaire INSA Toulouse). Le cahier des charges pour l’obtention d’une méthode respectueuse de l’environnement et qui minimise les coûts de production tout en assurant l’obtention de PHAs de qualités est le suivant :

  • Pas d’utilisation de solvant organique : une méthode par cassage mécanique sera explorée
  • Un taux minimum de récupération des PHA de 80%
  • Une pureté requise minimale de 90%
  • Un impact limité de la méthode sur les poids moléculaires des PHA extraits

La méthode sera développée aussi bien avec lots de biomasse provenant de culture mixte que de cultures pures, garantissant l’obtention d’une méthode robuste et large spectre.

La montée en échelle de la méthode développée sera effectuée afin d’extraire des quantités significatives de PHAs (jusqu’à 1 kg) sur des lots de biomasse fournis par la tâche 1, pour la réalisation de la caractérisation et la formulation des PHAs (T3)

La tâche 2 est ainsi découpée en 2 sous-tâches :

  • Tâche 2.1. Développement et validation de la méthode de récupération des PHAs
  • Tâche 2.2. Scale-up de la méthode retenue et extraction-purification de lot de PHAs
Responsable : Elise Blanchet elblanch@insa-toulouse.fr

L’objectif de la tâche 3 est le développement de nouveaux matériaux d’emballage alimentaire à partir des PHAs produits en tâche 1 et extrait en tâche 2, en lien avec les besoins de l’entreprise McCain qui sert de cas d’étude. Pour cela, la tâche 3 vise à approfondir la compréhension des relations entre la structure des PHAs (composition, masse moléculaire, distribution séquentielle des unités monomères, cristallinité), leur processabilité et les propriétés finales des matériaux (propriétés thermiques, propriétés mécaniques, propriétés barrière aux gaz et à l’eau). Cette question a déjà été largement traitée pour le P(3HB) et les P(3HB-co-3HV) avec une faible teneur en 3HV. Cependant, l’impact de la composition, de la distribution séquentielle des unités monomères et de la masse moléculaire des polymères à forte teneur en 3HV et des mcl-PHAs sur les propriétés finales des matériaux reste mal connu. La tâche 3 du projet LOOP4PACK vise ainsi à étudier l’influence de ces paramètres structuraux sur les propriétés thermomécaniques des PHAs, via la mise à disposition d’échantillons de masse moléculaire contrôlée et contrastée (production en tâche 1 de PHAs à partir de différentes souches et consortiums et dans différentes conditions, et utilisation en tâche 2 de différentes méthodes d’extraction).

Enfin, les PHAs étant récupérées sous forme de poudres fines, une étape de pré-mélange (i.e. compounding par extrusion à l’état fondu) est nécessaire pour permettre la mise en forme des matériaux d’emballage via les équipements conventionnels de la plasturgie. L’ajout d’agents nucléants est notamment requis pour augmenter les cinétiques de cristallisation des PHAs, naturellement très lentes. Par ailleurs, du fait de la sensibilité thermique des PHAs, il a déjà été montré pour le P(3HB) et les P(3HB-co-3HV) avec une faible teneur en 3HV, que l’optimisation des conditions de mise en œuvre était particulièrement importante pour contrôler les propriétés finales des matériaux. Enfin, compte tenu des applications d’emballage des aliments, un degré de pureté élevé est considéré comme nécessaire. Cependant, les phénomènes de cristallisation et le comportement thermomécanique des polymères à forte teneur en 3HV et des mcl-PHAs méritent d’être approfondis. La tâche 3 du projet LOOP4PACK vise ainsi à apporter de nouvelles connaissances sur les mécanismes de cristallisation des PHBVs à forte teneur en 3-HV et des mcl-PHAs, avec un focus sur l’impact de la pureté des PHAs.

La tâche 3 est ainsi découpée en 3 sous-tâches :

  • Tâche 3.1 – Caractérisation des poudres de PHAs produits en tâche 1 et extraits en tâche 2 (masse moléculaire, propriétés thermiques, cristallinité, stabilité thermique).
  • Tâche 3.2 – Compounding des PHAs produits en tâche 1 et extraits en tâche 2 (formulation à l’aide d’agents nucléants conventionnels)
  • Tâche 3.3 – Mise en forme et étude des relations structure/propriétés dans les matériaux à base de PHAs
Responsable : Hélène Angellier-Coussy helene.coussy@umontpellier.fr

Le principal objectif de la tâche 4 coordonnée par l’entreprise McCain avec l’appui du pôle EuraMaterials et le soutien des laboratoires INSA et UM IATE est d’évaluer les impacts économiques et industriels du projet par la collecte et l’analyse d’informations :

  • sur les matières premières disponibles en région (Hauts de France, Nouvelle Aquitaine et Occitanie) à travers les typologies et volumes de coproduits générés par les industries agro-alimentaires. Cette étude sera affinée en fonction des données du projet (issues de T1) pour cibler les matières premières les plus pertinentes par rapport aux besoins du projet.
  • sur les besoins des industriels et les caractéristiques des emballages à substituer ; marché des films souples et des barquettes alimentaires en attente de produits de substitution avec des caractéristiques de fin de vie liées à la biodégradabilité et/ou la compostabilité. Sur la revue des produits biosourcés déjà mis sur le marché et les améliorations à y apporter.
  • sur des marchés applicatifs ciblés ou spécifiques liés aux propriétés des matériaux développés au sein du projet
  • sur les processus à mettre en œuvre tout au long de la chaine de valeur de production des emballages et leur impact environnemental via une ACV comparative (vs produits pétrosourcés). ACV qui permettra d’envisager et d’arbitrer parmi différentes voies de valorisation à suivre.

La tâche 4 est ainsi découpée en 3 sous-tâches :

  • Tâche 4.1. Évaluation des ressources en matières premières
  • Tâche 4.2. Évaluation des produits/marchés
  • Tâche 4.3. Analyse de Cycle de Vie
Responsable : Pierre Gondé pierre.gonde@mccain.com