L'Allemagne génère environ 38 kilogrammes de déchets plastiques par habitant chaque année. Dans un projet conjoint avec l'Université de Stuttgart et LCS Life Cycle Simulation, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB et de l'Institut Fraunhofer d'ingénierie des procédés et de l'emballage IVV travaillent actuellement à l'établissement d'un concept holistique pour l'utilisation durable des matériaux d'emballage biologiquement dégradables dans l'industrie cosmétique. Le projet se concentre sur les polyhydroxyalcanoates (PHA), qui ont des propriétés similaires aux plastiques conventionnels mais sont produits à partir de micro-organismes et sans l'utilisation de matières premières d'origine fossile.

À ce jour, les bactéries du laboratoire du Dr Susanne Zibek à Fraunhofer IGB à Stuttgart ont été nourries avec toute une variété de déchets, allant des déchets de bois et des résidus d'huile et de sucre au glycérol provenant de la production de biodiesel. Chacune de ces sources d'alimentation à base de carbone amène les bactéries à produire des granules de stockage intracellulaires spécifiques. Ces polyhydroxyalcanoates (PHA) sont au cœur de SusPackaging, un projet de recherche mené en coopération avec Fraunhofer IVV à Freising, l'Université de Stuttgart et LCS Life Cycle Simulation, qui est situé dans la ville de Backnang. Les chercheurs de Fraunhofer IGB cherchent à créer des polymères biodégradables en remplacement des emballages plastiques dans l'industrie cosmétique. Ce qui distingue le projet, c'est sa tentative d'établir une chaîne de valeur entièrement verte. Comme l'explique le Dr Ana Lucía Vásquez-Caicedo de Fraunhofer IGB, un concept holistique axé sur la durabilité est nouveau :« De nombreuses études se concentrent sur les aspects individuels, mais il est rare de voir une prise en compte de l'ensemble de la chaîne de processus jusqu'à une évaluation de la qualité des matériaux."

Le processus commence par la culture des bactéries. Dr Susanne Zibek, chef de groupe du Food Processing Technology Group, et son collègue, le Dr Thomas Hahn, étudient comment des micro-organismes spécifiques peuvent être utilisés pour produire différents PHA avec différentes structures, et comment le choix de l'alimentation influence leurs caractéristiques. "Essentiellement, nous essayons de créer de nouvelles variantes structurelles, afin que nous puissions ensuite voir si le polymère produit convient comme matériau d'emballage, " explique Zibek. Le groupe de travail est soutenu par des chercheurs de l'Université de Stuttgart, qui examinent de plus près diverses caractéristiques des micro-organismes, y compris la mesure dans laquelle ils peuvent s'adapter aux substances toxiques qui pourraient être contenues dans les sources naturelles d'alimentation.

Remplacement des solvants nocifs par la technologie de changement de pression

Avant que les PHA puissent être traités et testés, ils doivent d'abord être extraits des micro-organismes. C'est la spécialité de Vásquez-Caicedo, directeur du groupe Food Processing Technology Group chez Fraunhofer IGB. Comme règle, ce procédé dit de purification utilise des solvants tels que le chloroforme. Cependant, comme elle l'explique, l'objectif est de s'éloigner des solvants nocifs pour l'environnement. Au lieu, elle a développé une méthode purement mécanique/physique de rupture cellulaire. Connue sous le nom de technologie de changement de pression (PCT), cela implique l'ajout d'un gaz de traitement au bouillon de fermentation contenant les micro-organismes. Le bouillon est ensuite pressurisé, de sorte que le gaz pénètre dans le cytoplasme des cellules. Une baisse rapide de la pression dans le bouillon détruit les cellules et libère le PHA.

Après purification, le PHA est envoyé sous forme de poudre blanche à Fraunhofer IVV à Freising. Ici, il est d'abord transformé en granulés puis en film polymère. Les tests initiaux sur de petites feuilles de ce polymère ont examiné les caractéristiques du matériau telles que la stabilité thermique, plasticité et diverses propriétés barrières, indispensables pour que le futur emballage apporte des ingrédients cosmétiques, par exemple, protection efficace contre la dessiccation.

Le Dr Cornelia Stramm de Fraunhofer IVV est satisfaite des résultats obtenus jusqu'à présent :« En termes de propriétés mécaniques, certains types de PHA s'avèrent encore quelque peu difficiles à traiter. Nous devons faire quelques ajustements là-bas. Mais en termes de propriétés barrières, Les PHA présentent un grand potentiel par rapport aux autres biopolymères. » À la fin de chaque cycle de test, elle renvoie les résultats à Stuttgart avec des recommandations pour d'autres actions, et puis le processus recommence.

Sur la base de ces commentaires de Fraunhofer IVV, Le groupe de travail de Zibek chez Fraunhofer IGB a modifié sa stratégie d'alimentation. Les bactéries reçoivent maintenant un cosubstrat supplémentaire, qui augmente la teneur en valérate du PHA, rendant ainsi le produit final plus souple.

Amélioration supplémentaire à chaque boucle de rétroaction

Alors que les volumes sont encore très faibles et que la production prend beaucoup de temps, le processus s'améliore régulièrement à chaque boucle de rétroaction.

Une fois les différentes étapes finalisées, une analyse du cycle de vie menée par le partenaire externe du projet LCS Life Cycle Simulation évaluera l'efficacité énergétique et la durabilité de l'ensemble du processus afin de le comparer aux processus existants. All three researchers from Fraunhofer see big potential for PHAs. À l'avenir, particularly for small items of disposable packaging, they could offer a genuine alternative to conventional petroleum-based plastics.