Facteurs biotiques et abiotiques de la dégradation des plastiques biodégradables dans les filières de valorisation des biodéchets : la compréhension comme première étape à l'éco-conception – BioCyPlast

Ce projet de 48 mois comporte quatre axes (Figure) :
WP1 – Sélection et production de matériaux vierges et prétraités
Ce WP fournira les matériaux commerciaux ou produits à façon utilisés dans le projet. Il testera l'impact de différents prétraitements susceptibles de modifier les propriétés intrinsèques des matériaux et d'affecter leur biodégradabilité (broyage, irradiation, oxydation, traitement thermique). Trois types de matériaux seront étudiés, en film ou film broyé :
• témoins positifs et négatifs de biodégradation, respectivement un matériau cellulosique (ex. Kraft) et un sac en polyéthylène
• matériaux commerciaux biodégradables et/ou compostables tels que les sacs d'amidon-PBAT (Polybutylène adipate téréphtalate, p. ex. Mater-Bi) et des assiettes en acide polylactique (PLA).
• des composites biodégradables produits à façon, dont la formulation et les propriétés sont maîtrisées, à base de PolyHydroxyButyrate-Valérate (PHBV) de cellulose.
Les propriétés de tous ces matériaux seront déterminées dans le WP3, tandis que leur biodégradabilité en simulation de compostage et de digestion anaérobie sera évaluée dans le WP2.
WP2 – Biodégradabilité des matériaux
La biodégradation des matériaux vierges et prétraités du WP1 sera mesurée lors d’essais à l'échelle laboratoire et pilote de compostage et de méthanisation de biodéchets et dans l'environnement naturel (Ecotron). Plusieurs paramètres des procédés seront testés pour le compostage et la méthanisation tels que l'origine de l'inoculum, le rapport inoculum/substrat, la température (mésophile ou thermophile), etc. Le fonctionnement des procédés et la dynamique de la communauté microbienne seront suivis tandis que les propriétés des matériaux détériorés seront analysées au fil du temps dans le WP3. Les résultats fourniront des données au WP4 pour concevoir de nouveaux matériaux qui répondent mieux aux critères de biodégradation requis pour le compostage et la méthanisation.
WP3 – Propriétés des matériaux
Ce WP est dédié à l'analyse des matériaux vierges, prétraités et biodégradés, par des méthodes classiques telles que SEM, FT-IR, pyrolyse-GC-MS, DRX, DSC, EA-IRMS etc. et au développement de nouvelles méthodes de suivi de la biodégradation par RMN et de caractérisation des MNPs. Un réacteur de culture de biofilms sera développé pour caractériser les populations microbiennes fixées.
WP4– De la compréhension à l'éco-conception
Ce WP intégrera les connaissances acquises tout au long du projet dans la démarche d'éco-conception des partenaires telle que la démarche STR (Structure-Transfer-Reaction) afin d'ajuster la formulation des matériaux. Des critères liés aux filières de gestion des biodéchets (collecte, tri, traitements…) seront intégrés dans le Système d'Aide à la Décision des partenaires, en collaboration avec les acteurs de la filière, pour élaborer des suggestions pour les principales parties prenantes : producteurs de matériaux, décideurs politiques, gestionnaires de déchets et citoyens.

Les résultats attendus sont :
• la détermination des facteurs abiotiques et biotiques impliqués dans la biodégradation des matériaux,
• la définition des spécifications requises pour la fin de vie des emballages plastiques biodégradables dans les filières de gestion des biodéchets,
• le développement de nouveaux outils pour mieux suivre la colonisation et la désintégration des plastiques jusqu'à la génération des nanoplastiques,
• l'identification et la caractérisation des souches microbiennes et des enzymes impliquées dans la désintégration et l'assimilation des polymères plastiques, et
• la production de recommandations pour la collecte et la gestion des biodéchets dans les filières de valorisation des déchets.

Etant en début de projet, nos perspectives sont :
1. D’acquérir des connaissances sur les mécanismes de désintégration et dégradation des matériaux étudiés en conditions de compostage et méthanisation de biodéchets.
2. D’identifier des prétraitements et/ou des microorganismes clés qui permettront d’améliorer la biodégradation des matériaux.
3. De développer un matériau à base de PHBV et de cellulose qui soit :
• Totalement biosourcé, avec des polymères d’origine non alimentaire,
• Totalement biodégradable dans des temps le plus court possible, quel que soit son environnement et sans libérer de MNPs
• Utilisable pour la conception d’emballages si possible alimentaires.

Les membres du consortium ont été acceptés pour une keynote d'ouverture de session lors de la 9ème Conférence internationale sur l'ingénierie pour la valorisation des déchets et de la biomasse WasteEng2022, qui se tiendra à Copenhague (Danemark), du 27 au 30 juin 2022, pour présenter une revue de la littérature sur la dégradation des plastiques biodégradables dans la digestion anaérobie.

Mieux gérer la fin de vie des plastiques est devenu un enjeu majeur de préservation de notre environnement et de notre santé. Au-delà de la promotion de la collecte et du recyclage, des plastiques biodégradables ont été développés qui peuvent être rejetés avec les déchets organiques pour être valorisés dans les filières de traitement des biodéchets. Cependant, la capacité de ces matériaux à se dégrader complètement dans ces filières est très controversée et mal comprise, en particulier dans des conditions de digestion anaérobie.
Dans ce contexte, le projet BioCyPlast vise à poser les bases d'une meilleure compréhension des processus biotiques et abiotiques de la dégradation des plastiques biodégradables lors du compostage et de la digestion anaérobie. La stratégie de recherche est basée sur l'étude de la dynamique de dégradation des matériaux en fonction du type de biopolymère utilisé, de leur formulation, de leur structure, et des conditions physico-chimiques et biologiques de leur environnement de dégradation. De nouvelles méthodes d'analyse seront également développées pour suivre la colonisation des matériaux par les micro-organismes et leur dégradation jusqu'à la production de nanoplastiques et leur assimilation. Les connaissances acquises seront intégrées dans des approches de modélisation prédictive pour déterminer les spécifications des futurs plastiques biosourcés biodégradables et anticiper leur empreinte écologique, depuis la conception des matériaux jusqu’aux systèmes de gestion des biodéchets. Des recommandations seront également faites pour améliorer les systèmes de valorisation des biodéchets.