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L’utilisation des biopolymères dans l’industrie des emballages papiers complexes et laminés : info ou intox ?
		Pauline OLIVIER et Claire RIEFER Élèves ingénieurs 2e Année  Mai 2008 Mise en ligne - Février 2009 Avertissement Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité. À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations et tous les acteurs concernés.		Plan   I - Introduction II - Définition des biopolymères III - Étude de marché IV - Analyse technico-économique V - Conclusion VI - Bibliographie et webographie
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I - Introduction

	Figure 1 - Le gobelet en carton : un emballage pouvant être couché avec des biopolymères

Ces dernières années ont vu naître un certain engouement pour les biomatériaux en général et pour les biopolymères en particulier. L'augmentation du prix du pétrole n’a fait qu’accentuer cette tendance.

Les biopolymères sont-ils réellement utilisés dans le domaine des emballages papiers complexes et laminés ?

Après un état de l’art sur les biopolymères et leurs applications possibles, le marché des biopolymères et celui des gobelets en carton couchés avec des biopolymères seront étudiés [Figure 1]. Une analyse stratégique tentera de cerner l'intérêt des acteurs de ce dernier marché et présentera différents scénarios possibles quant à son évolution.

II - Définition des biopolymères

Faisons le point sur ce que nous appellons "biopolymère", un mot aujourd'hui utilisé comme un terme générique. Que se cache-t-il derrière ce vocabulaire ?

II-1 - Définition

On dénombre cinq types différents de biopolymères que l’on peut regrouper en trois classes [1] [Figure 2] :

• Polymères de synthèse : ce sont des polymères d’origine fossile.
• Polymères biodégradables : ce sont des polymères d’origine fossile (issus du pétrole) auxquels est ajouté un additif qui permet de favoriser leur dégradabilité.
• Bio-based polymers : ce sont les polymères issus de la biomasse. Il en existe trois sortes :
  ○ Biopolymères issus de la faune et de la flore : cette famille comprend par exemple l’amidon, la cellulose, les protéines, etc.
  ○ Biopolymères produits par polymérisation chimique : cette famille est essentiellement constituée des PLA (acide polylactique).
  ○ Biopolymères produits par des micro-organismes génétiquement modifiés (PHA, PHV, PHBV).

	Figure 2 - Organigramme des différentes familles de biopolymères

II-2 - Des plastiques aux biopolymères

Les biopolymères considérés dans ce mémoire sont les bio-based polymers créés afin de remplacer les constituants plastiques. La tendance de la dernière décennie était de recycler les déchets. Ces derniers, essentiellement constitués de matières plastiques, vont tendre à disparaître avec la diminution des ressources pétrolières.

L’apparition de ce nouveau concept est liée à une prise de conscience économique et environnementale.

II-2-1 - Pression politique [2]

• La législation allemande préserve les plastiques biodégradables du système de taxation mis en place (Green Dot) jusqu’en 2012. Loi votée en mai 2005.
• En France, l'article 47 de la loi n°2006-11 du 5 janvier 2006 d'orientation agricole pose "l'interdiction, à compter du 1^er janvier 2010, de la distribution au consommateur final, à titre gratuit ou onéreux, de sacs de caisse à usage unique en plastique non biodégradable".
• Le Protocole de Kyoto adopté par les Nations Unies en 1998 vise à faire diminuer les émissions de gaz à effets de serre des états l’ayant ratifié (réduction de 7,5% par rapport à 1990 pour la période 2008-2012).

II-2-2 - Pression économique [2]

• Instabilité politique des régions d’extractions pétrolières.
• Augmentation des coûts du pétrole dans la perspective d’une pénurie : résines de plus en plus chères et non renouvelables.
• Pression de la part de la grande distribution, du secteur de l’agroalimentaire et des consommateurs pour des résines plus respectueuses de l’environnement.

II-2-3 - Pression sociale [3]

• Problématique liée à la gestion des déchets : les déchets d’emballages d’origine pétrochimique représentent les deux tiers de notre poubelle.
• Engouement croissant pour le concept de développement durable comme en témoignent les conférences suivantes :
  ○ Conférence des Nations Unies sur l'environnement et le développement (Rio de Janeiro, Brésil, 3-14 juin1992)
  ○ Sommet mondial pour le développement durable (Johannesburg, Afrique du Sud, 26 août-4 septembre 2002).
• Remise en cause de la politique agricole en Europe et prise de conscience américaine.

II-3 - Contraintes environnementales

	Figure 3 - Logo universel des matériaux recyclables [4]

Avec l'émergence des biopolymères, on ne parle plus de recyclage mais plutôt de compostage et de biodégradabilité. Pour éviter toute confusion dans l'utilisation de ces termes, voici une présentation succincte des différentes types de traitement des déchets.

II-3-1 - Recyclage [4]

Ce procédé de traitement des déchets industriels et ménagers permet de réintroduire dans le cycle de production d’un produit des matériaux qui le composent [Figure 3].

II-3-2 - Biodégradabilité [5]

Les matériaux sont dits "biodégradables" lorsqu'ils ont la capacité d’être entièrement assimilés par des micro-organismes présents dans un type d’environnement qui se nourrissent de ces plastiques afin d’y puiser l’énergie nécessaire à leur survie. Le carbone du plastique doit être entièrement converti en CO₂ durant le procédé microbien. La biodégradation, au même titre que la photosynthèse, fait partie du cycle naturel. Elle permet de créer le CO₂ nécessaire à la photosynthèse.

	Figure 4 - Logo des matériaux compostables [6]

II-3-3 - Compostage [5]

Sont compostables les plastiques biodégradables sous certaines conditions spécifiques d’humidité et de température. Cette dégradation a lieu sous l’effet de micro-organismes et du temps. L’objectif de ce procédé est de dégrader la matière organique en termes de CO₂, d’eau et d’humus sous l’action des micro-organismes.
Les plastiques traditionnels sont bannis de cette méthode de traitement des déchets car ils ne se dégradent pas par compostage et créent des contaminations de la terre. Les bioplastiques quant à eux sont, pour la plupart, compostables mais doivent répondre à certains critères avant d’être compostés. Ainsi, en Europe, la norme EN 13432 régit ce type de procédé [Figure 4].

II-4 - Emballages complexes et laminés

II-4-1 - Définition

L'emballage complexe et laminé est un emballage constitué d’un assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles mais ayant une forte capacité d’adhésion. Le nouvel emballage ainsi constitué possède des propriétés que les éléments seuls ne possèdent pas. La brique de lait est l’emballage complexe le plus connu et répandu.

II-4-2 - Applications

Ces emballages se retrouvent dans différentes applications comme les barquettes alimentaires couchées avec un revêtement en biopolymères, les gobelets en carton destinés aux glaces ou aux yaourts et ceux destinés à contenir des boissons.

	Figure 5 - Gobelet [7]

La suite de cette étude sera consacrée exclusivement à la problématique des gobelets à boisson [Figure 5]. Il existe deux types de gobelets, ceux destinés à contenir des boissons froides (par exemple à base de PLA) et ceux pour les boissons chaudes en carton laminé à base de cellulose ou de canne à sucre qui sont couchés à l’aide de PHA. Ces derniers correspondent bien à notre problématique d’utilisation de biopolymères dans l’industrie des emballages complexes et laminés, c’est pourquoi notre étude portera  uniquement sur ce type de produit.

La technologie utilisée pour réaliser le couchage de ce matériau est celle de l’extrusion lamination [Figure 6]. Le biopolymère sous forme solide passe au travers d’une extrudeuse (principe de la vis sans fin) afin d’être fondu. Une filière est alors utilisée pour coucher le biopolymère fondu sur le support considéré.

	Figure 6 - Schéma du principe extrusion lamination

II-4-3 - Biopolymères PHA

Les polyhydroxyalkanoates (PHA) sont des polyesters aliphatiques linéaires produits par des bactéries réalisant une fermentation de sucres et de lipides [4].

	Figure 7 - Formule du PHA [8]

	Figure 8 - Fabrication du PHA [3]

Le n°1 mondial de la fabrication de PHA, Metabolix, s'est associé à Archer Daniels Midland Company (ADM), fabricant de produits agricoles. Ces producteurs ont mis au point des gobelets couchés en PHA (produit de couchage appelé Mirel P2001). L’utilisation de PHA permet d’améliorer certaines propriétés du produit telles que :

Caractéristiques techniques

Tableau 1 - Caractéristiques techniques des gobelets en carton couchés en PHA

	Figure 9 - Exemple de biodégradabilité d'un gobelet couché avec du PHA [3]

Caractéristiques économiques

La fabrication du PHA est assez complexe. En effet, les différentes opérations unitaires ne sont pas encore optimisées car le procédé fonctionne toujours en mode discontinu. Les quantités produites sont donc limitées. Par conséquent, les PHA sont les biopolymères les plus chers du marché (8 à 15 €/kg) [3]. Il faut tout de même noter que notre produit n’est pas entièrement composé de PHA. En effet, le biopolymère correspond à une fine couche de revêtement : de ce fait, la quantité utilisée est très faible. C’est pourquoi ce polymère peut être utilisé dans ce produit.

III - Étude de marché

III-1 - Marché des biopolymères

Le marché du plastique est estimé à environ 250 million de tonnes par an avec une croissance annuelle de 5% [9]. Cette augmentation n’est pas près de s’infléchir comme le montre le graphique ci-dessous [Figure 10] [10]. L’emballage représente 40% du plastique transformé en Europe [11]. Les autres secteurs utilisant ce matériau sont représentés dans le diagramme ci-dessous [Figure 11] : il s’agit essentiellement de la construction et de l’automobile.

	Figure 10 - Production mondiale de plastique de 1950 à 2006 [10]		Figure 11 - Répartition du plastique en Europe [10]

La France produit environ 3% de la production [10] et 2,05 kT sont destinées à l’emballage. La figure 12 ci-dessous montre la répartition des emballages plastiques par secteur. L’agroalimentaire représente plus de la moitié du marché.

	Figure 12 - L'industrie française de l'emballage plastique en 2006 [11]

Les bioplastiques sont des plastiques généralement compostables. Cette particularité est intéressante pour emballer des produits périssables. Ces bioplastiques sont donc essentiellement utilisés dans le secteur agroalimentaire.
En 2007, la croissance annuelle du marché global des bioplastiques était de 17,3% [9].

	Figure 13 - Prévision de production annuelle de bioplastique de 2007 à 2011 [12]

Comme le montre la figure 13 ci-dessus, en 2007, la proportion de polymères de type bio-based non biodégradables et synthétiques biodégradables est très faible par rapport aux polymères bio-based dégradables. Les prévisions confirment le faible développement des polymères synthétiques. A contrario, les polymères bio-based auront une croissance très importante et tendront à se partager le marché de manière quasi équitable.

Cependant, ce développement reste encore limité du fait du coût des biopolymères. En effet, un sac biodégradable coûte 8 à 9 centimes pièces contre 5 centimes pour un sac ordinaire [3]. Cela est dû aux coûts de production importants répercutés sur le prix de vente.

Cette analyse de marché permet de constater que les biopolymères ne représentent actuellement qu’une niche. En effet, le marché annuel des emballages en plastique est estimé à 46 millions de tonnes en 2007, alors que les bioplastiques n’en totalisent péniblement que 350 000 tonnes soit 0,8%. Toutefois, l’engouement pour ces nouveaux matériaux s’explique mieux si l’on regarde leur taux de croissance qui progresse de 20% par an quand le marché de l’emballage ne croît que de 2 à 4 points au mieux chaque année [13].

III-2 - Marché des gobelets

Dans le cadre de cette étude, le marché initial considéré est celui des gobelets en carton conventionnels. Le produit considéré –  le gobelet en carton couché à l’aide de biopolymères – correspond au nouvel entrant. Le diagramme de Porter présente les caractéristiques de ce marché dans la figure 14 ci-dessous.

	Figure 14 - Diagramme de Porter du marché des gobelets en carton

IV - Analyse technico-économique

IV-1 - Matrice SWOT

L'analyse du système correspondant au produit étudié permet de mettre en évidence ses forces et ses faiblesses technico-économiques.

Tableau 2 - Analyse du système

Tableau 3 - Matrice SWOT

* exemples de législations en vigueur :

• loi allemande préservant les plastiques biodégradables du système de taxation mis en place (Green Dot) jusqu’en 2012. Votée en mai 2005.
• L'article 47 de la loi n°2006-11 du 5 janvier 2006 d'orientation agricole pose "l'interdiction, à compter du 1^er janvier 2010, de la distribution au consommateur final, à titre gratuit ou onéreux, de sacs de caisse à usage unique en plastique non biodégradable".

IV-2 - Stratégie des principaux acteurs

L'analyse stratégique suivante tente de cerner l’intérêt qu’ont les différents acteurs à s’investir dans le développement du produit.

IV-2-1 - Fournisseurs

Dans le contexte actuel du développement des biopolymères destinés à remplacer les emballages plastiques, les fournisseurs de gobelets en carton qui utilisent des matières plastiques pour le couchage de ces derniers, se doivent d’être innovants. D’une part, ils doivent prévenir l’épuisement des ressources pétrolières en mettant en place des substituts aux matériaux dérivés du pétrole. D’autre part, ils doivent afficher une image de producteurs qui suivent le mouvement écologique du moment. De plus, cela leur permet de se tourner vers l’avenir avec des produits certes actuellement plus chers que les produits en plastique, mais qui, avec la flambée du prix du pétrole, deviendront rentables.

IV-2-2 - Clients

Choisir actuellement ce type de produit représente une stratégie de vente. En effet, les grandes marques telles que Nescafé par exemple, veulent garder leur réputation d’entreprise innovante, à la pointe des avancées technologiques. De plus, la caractéristique "verte" de ces emballages leur permet de maintenir leur image de marque. Le positionnement de ces clients montre leur volonté d’avoir une politique environnementale à long terme.

IV-3 - Scénarios

IV-3-1 - Disparition des ressources pétrolières (85%)

Les données accessibles concernant les ressources encore disponibles de pétrole sont alarmantes. En effet, en 2005 on estimait à 1 voire 1,2 milliers de milliards de barils les réserves de pétrole dites prouvées, soit 150 milliards de tonnes environ, ou encore à une production d’une quarantaine d’années au rythme actuel [14].

Plus récemment, le développement de la Chine a entraîné une augmentation conséquente de la demande de pétrole. En 2007, la consommation mondiale était de 85,8 Mb/j ce qui correspond à une augmentation de 1Mb/j par rapport à 2006 dont 0,3 Mb/j pour la Chine [15]. De ce fait, il y aura des restrictions quant à l’utilisation du pétrole dans certains domaines. Le coût des emballages en plastique sera alors trop élevé et les emballages en bioplastiques apparaîtront comme une alternative rentable, respectueuse de l’environnement et proposant des caractéristiques similaires aux produits dérivés du plastique. Le gobelet couché avec des biopolymères suivra ainsi cette même tendance.

IV-3-2 - Limitation des ressources en matières premières pour la production du bioplastique (35%)

Comme dit précédemment, la disparition des ressources pétrolières est proche. Il faudra donc trouver des alternatives pour toutes les utilisations puisant dans cette ressource, sachant que les carburants représentent la majorité de ce marché. Les biocarburants sont l’alternative actuelle mais sont issus de matières premières agricoles. La population mondiale va continuer à croître et devrait passer de 6,5 milliards d'individus en 2005 à 7 milliards dans environ sept ans, selon un rapport du Bureau de référence de la population mondiale (Population Reference Bureau - PRB) publié en 2005. Une augmentation due à 99% aux pays en développement [16]. Selon l'ONU, la population mondiale passera à 9,1 milliards d'individus en 2050.

Une telle croissance démographique nécessitera bien sûr d'augmenter la production de matières agroalimentaires (phénomène déjà constaté actuellement). De ce fait, les prix de ces matières premières vont augmenter et les biocarburants devront alors utiliser une autre ressource afin d’éviter les situations de famine. Ce changement entraînera alors l’utilisation des rejets des matières premières agricoles pour fabriquer des biocarburants. Ces matières premières sont à la base de la production des bioplastiques servant à l’emballage. Il y aura alors concurrence entre ces deux secteurs, rendant ainsi les prix des emballages trop onéreux. L’utilisation des emballages à usage unique – dont les gobelets en carton couché avec des biopolymères – disparaîtra.

V - Conclusion

Le secteur de l’emballage est en pleine mutation. En effet, l’épuisement des ressources pétrolières et l’opinion publique poussent les industriels du packaging à choisir des matériaux alternatifs. Les biopolymères sont un bon compromis. En effet, ils sont issus de ressources renouvelables, ils peuvent être compostables et présentent des caractéristiques mécaniques proches de celles des plastiques conventionnels.

L’utilisation des biopolymères dans les emballages complexes et laminés se développe au travers de produits tels que les gobelets. Cette application est actuellement viable car elle offre les mêmes performances techniques que les gobelets cellulosiques conventionnels. Le seul inconvénient qui ressort de notre étude est le prix de la matière première de la couche de biopolymères recouvrant le gobelet. Cependant, l’image de marque que confère un tel produit permet de lui prédire un avenir prometteur.

L’engouement pour ces nouveaux matériaux ne peut passer inaperçu. En témoigne le dernier salon Interpack qui s'est tenu du 24 au 30 avril 2008 à Düsseldorf : un hall entier était consacré à la présentation des biopolymères dans le secteur de l’emballage.

Le développement des biopolymères dans l’industrie des emballages papiers complexes et laminés apparaît comme une information réelle et non comme de l'intox et correspond à des demandes formulées par les clients. Ils seront ainsi présents dans un avenir proche sur le marché de l’emballage.

VI - Bibliographie et webographie

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Mise en page : A. Pandolfi