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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Le film en nanocellulose, futur remplaçant du film plastique pour les sacs à usage unique ? Révision : 26 mai 2014  
Le film en nanocellulose, futur remplaçant
du film plastique pour les sacs à usage unique ?
 
             Charlène REVERDY et Camille RIVOLLIER

Élèves ingénieurs 2e année
Avril 2013
Mise en ligne - Mai 2014

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 - Film plastique ou cellulosique ?
III - Analyse économique
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie - Webographie
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I - Introduction

Plan

   
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            Sac plastique      
  Figure 1 - Sac à usage unique
[Afrique Économie]
 

D’après une évaluation de l'Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (Ifremer), 122 millions de sacs en plastique à usage unique [Figure 1] souillent les 5000 kilomètres du littoral français. 500 milliards de ces sacs sont distribués chaque année dans le monde et 1% seulement sont recyclés.

Légers et pratiques pour transporter des marchandises, les sacs en plastique provoquent néanmoins de graves dégâts environnementaux. La question est de trouver une matière première plus respectueuse de l’environnement garantissant des propriétés mécaniques satisfaisantes pour les consommateurs. Aujourd’hui, les sacs distribués sont constitués de polymères tels que le polyéthylène (PE) issus du pétrole ou de matériaux issus de l’agriculture comme l'amidon de maïs.

Est-il envisageable de fabriquer des sacs à partir de la cellulose ? Cette ressource renouvelable est la plus disponible sur la planète : sur 150 milliards de tonnes de biomasse produits chaque année, 45% sont de la cellulose. Les matériaux issus de sa transformation sont très majoritairement recyclables et/ou biodégradables. La recherche améliore constamment les procédés de fabrication de nouveaux types de matériaux cellulosiques, ce qui ouvre une nouvelle voie vers les emballages du futur à base de nanocellulose par exemple.

II - Film plastique ou cellulosique ?

Plan

II-1 - Sacs en plastique

En France, 18 milliards de sacs à usage unique sont distribués chaque année, soit 570 par seconde, générant 72 000 tonnes de déchets. La production de sacs en plastique représente 1,4% de la production française totale de plastique. Ces sacs sont fabriqués à partir de diverses matières premières dotées de propriétés de dégradabilité différentes. L'une des propriétés essentielles de ces polymères est leur thermoplasticité.

II-1-1 - Sacs classiques en polyéthylène (PE)

            Monomère      
  Figure 2 - Monomère  

Ils représentent la majorité des sacs en plastique. Le polyéthylène est obtenu par polymérisation des monomères d’éthylène [Figure 2].

Il est essentiellement obtenu à partir d’hydrocarbures. Toutefois, le géant de la pétrochimie brésilienne Braskem a lancé un polytéthylène vert polymérisé à partir d'éthylène issu d'éthanol lui-même obtenu par fermentation de canne à sucre.

II-1-2 - Sacs oxo-dégradables

Ce sont des sacs en polyéthylène auquel a été ajouté un adjuvant (ex. dithiocarbamate de fer) qui accélère sa dégradation sous l’effet de la lumière et de l’humidité. Leur période d’utilisation est de 10 mois à condition d'avoir été conservés à l’abri de la lumière. Au bout de 3 mois, les sacs sont complètement fragmentés. La deuxième phase de dégradation débute sous l’effet de l’oxygène et de la chaleur. Les chaînes carbonées constituant par nature le polyéthylène présentent alors une terminaison acide qui permet aux bactéries du sol de les assimiler. Cette dernière phase est remise en question par certains experts [Figure 3].

                Cycle de dégradation d'un sac oxo-dégradable      
  Figure 3 - Cycle de dégradation d'un sac oxo-dégradable  
     

II-1-3 - Sacs en PHA

Les polyhydroxyalcanoates (PHA) sont des polymères issus de la fermentation par des bactéries consommant principalement des sucres et de l’amidon [Tableau 1]. Avec ces dernières, on peut obtenir de la cellulose bactérienne. Le Poly β-Hydroxy Butyrate (PHB) est le plus connu des polymères bactériens. Il fait partie de la classe des poly β-hydroxyalkanoates (PHAs). C’est un polyester hautement cristallin avec des températures de fusion (180°C) et de transition vitreuse (4°C) similaires aux polymères usuels tels le polypropylène. Son taux de cristallinité est compris entre 55 et 80%, et il est parfaitement isotactique. Le poids moléculaire du polymère dépend du micro-organisme utilisé, des états de croissance et de la pureté d'échantillon.

Le PHB est complètement biodégradable et peut donc être un bon candidat pour la substitution de produits non biodégradables tel que le polyéthylène. Il y a aussi le PHV (Poly Hydroxy Valérate), et le PHBV (Poly 3-Hydroxy Butyrate-co-3-Hydroxy Valérate). Leur utilisation reste limitée à cause des coûts de production élevés. Actuellement, plusieurs études sont effectuées sur leur exploitation comme ressources renouvelables. En outre, de nouveaux composés sont synthétisés à partir de ces polymères pour former des copolymères de propriétés très diverses, pour de nouvelles applications.

                Différents PHA      
  Tableau 1 - Différents PHA
[PolyFerm Canada]
 
     

II-1-4 - Sacs en PLA

Il est possible de transformer l’amidon en copolymère thermoplastique extrudable qui se présente primairement sous la forme de granulés. On peut ainsi fabriquer des sacs avec des propriétés mécaniques similaires voire supérieures aux sacs en plastique classiques. En effet, il est possible de "complexer" l’amidon initial afin d’obtenir une gamme de propriétés étendue. Enfin, ils sont biodégradables et ont l’avantage d’être compostables (ex. MaterBi®).

Le PLA (polylactic acid) est un biopolyester synthétique, linéaire et aliphatique. Il est obtenu à partir de ressources renouvelables à 100% riches en amidon tel que le maïs, la betterave ou la pomme de terre. Non toxique, il est biodégradable et présente des propriétés mécaniques très intéressantes, comparables à celles des polymères classiques. Le PLA peut être obtenu synthétiquement suivant deux schémas, dépendant de la masse moléculaire souhaitée. Les polymères issus de la synthèse par polycondensation directe sont communément appelés acide poly lactique, tandis que ceux dérivant de la synthèse par ouverture du cycle seront dénommées lactide, afin de préciser le mode de synthèse. Néanmoins, la terminologie PLA commune aux deux modes de synthèses, est la plus utilisée.

Polycondensation directe de l’acide lactique

Elle fait intervenir une réaction d’estérification nécessitant un solvant, un système sous haute pression et des monomères d’une grande pureté, afin d’éviter la formation de produits secondaires. Cette méthode présente des inconvénients. Elle est très onéreuse et ne permet de produire que des polymères à faible masse moléculaire (104.mol-1). De plus, il est difficile de se débarrasser de l’eau et des impuretés générées lors de la réaction d’estérification. Il est possible d’améliorer le rendement de cette réaction en jouant sur l’équilibre entre l’acide lactique, le polymère et l’eau en utilisant soit un solvant organique soit l'un des monomères bifonctionnels (diols ou diacides) donnant lieu à des polymères téléphériques (polymères aux extrémités desquels des groupements hydrophobes ont été greffés chimiquement).

Polymérisation par ouverture du cycle (lactide)

C'est la plus utilisée par les grands producteurs de PLA tels que NatureWorks LLC, Shimadzu et DuPont. Cette méthode, brevetée par Cargill Dow LLC en 1992, permet de produire industriellement, à moindre coût, des PLA de masses moléculaires élevées. Elle commence par la fermentation du sucre issu des pommes, betteraves ou du maïs, en acide lactique. Ce dernier peut se présenter sous deux formes isomériques : L-acide lactique ou le D-acide lactique. L’acide lactique obtenu est pré-polymérisé pour donner un intermédiaire (acide polylactique) de faible masse moléculaire qui, par la suite, sous faible pression et en présence d’un catalyseur, est transformé en un mélange de lactide par dépolymérisation. Le dimère cyclique est formé par la condensation de deux unités d’acide lactique contenues dans le pré-polymère suivant le schéma :

                     
     

Le recyclage du PLA est de plus en plus envisagé. En effet, il est possible de re-transformer le matériau en acide lactique. La start-up californienne BioCor, créée en 2010, a pout but de développer ce procédé.

II-2 - Fabrication des sacs en plastique

Le procédé de fabrication est le même pour les différents polymères thermoplastiques : l’extrusion-gonflage [Figure 4] [Vidéo 1].

Arrivée à l’entrée de l’extrudeuse sous forme de granulés, la matière plastique est versée dans la trémie pour alimenter la vis de l’extrudeuse. Dans cette dernière, elle est chauffée et ramollie grâce à une vis sans fin se trouvant dans un fourreau (tube) chauffé pour rendre le plastique malléable. La vis entraîne le plastique vers la sortie. En sortie de la tête verticale de l’extrudeuse, de l’air comprimé est insuflé dans la matière fondue qui se gonfle et s’élève verticalement en une longue bulle de film. Après refroidissement, des rouleaux aplatissent le film en une gaine plane qui s’enroule sur des bobines.

                Procédé d'extrusion gonflage      
  Figure 4- Procédé d'extrusion gonflage
[Anthonyplasturgie]
 
     
                     
  Vidéo 1 - Plasturgie : extrusion gonflage
[YouTube]
 
     

II-3 - Impact environnemental des matières premières

Le Tableau 2 ci-dessous permet de comparer l’impact environnemental de sacs en polyéthylène, en papier et en MaterBi®, d’après une approche énergétique et l’analyse des rejets de gaz à effet de serre.

                Comparaison des impacts sur l'environnement de 3 produits : polyéthylène, papier, MaterBi®      
  Tableau 2 - Comparaison des impacts sur l'environnement de 3 produits :
polyéthylène, papier, MaterBi®
[Biobag]
 
     

Un sac en papier paraît beaucoup trop énergivore (facteur 10 par rapport au MaterBi®) alors qu’aujourd’hui la tendance mondiale est à la réduction de la consommation d'énergie. Entre le MaterBi® et le PE, l’écart est faible bien que le MaterBi® paraisse avoir l'avantage.

La fin de vie du produit est très intéressante aussi. En effet, le MaterBi® est compostable alors que le PE doit être incinéré. Cependant, tirer une conclusion est difficile : l’incinération de résidus organiques présents sur le sac en PE formant de la dioxine (très toxique) peut être polluante. Toutefois, cela reste minoritaire étant lié à des problèmes de réglages de procédé d’incinération. De plus, l’incinérateur permet une revalorisation énergétique que n’apporte pas le compostage. Cela dit, concernant l'émission de gaz à effet de serre, il est évident que le MaterBi® est plus intéressant.

Globalement, le MaterBi® apporte un avantage écologique certain sur ces homologues issus de la pétrochimie mais aussi sur le sac en papier qui demande une consommation en énergie trop importante.

II-4 - Cellulose

Parler de film de cellulose, c'est faire référence à la cellophane [Figure 5]. Découverte en 1908 par l'ingénieur chimiste suisse Jacques Brandenberger, elle est constituée d’hydrate de cellulose et sa production a commencé dans les années 20 en Suisse.

                Cellophane pour emballage alimentaire      
  Figure 5 - Cellophane pour emballage alimentaire
[Wikipedia]
 
     

Très appréciée au départ pour les emballages alimentaires grâce à son étanchéité aux micro-organismes et à sa transparence, de nos jours, elle n'est utilisée qu'en complément des sacs en plastique. Les grammages moyens de la cellophane sont de 15 à 45 g/m².

Grâce à de nouveaux procédés de fabrication, la cellulose pourrait à l'avenir remplacer les sacs en plastique bien que la mise en forme ne soit pas aussi facile à mettre en place que pour les polymères thermoplastiques.

II-4-1 - Fabrication de la cellulose régénérée

Procédé Viscose

Il consiste à solubiliser un dérivé cellulosique (xanthate de cellulose) à partir de fibres végétales. Pour cela, ces dernières sont introduites dans une solution de soude (à 20%) qui ionise les molécules de cellulose. L'ajout de CS2 donne du xanthate de cellulose. La solution très visqueuse obtenue est extrudée à travers une fente pour former des films passés ensuite dans un bain d’acide H2SO4. Le xanthate est détruit et la cellulose se reconstitue sous forme de film : la cellulose régénérée (Cellulose II) qui n’a pas exactement la même structure cristalline que la cellulose native (Cellulose I) [Figures 6 & 7 ].

                Formation du xanthate de cellulose par le procédé viscose       
  Figure 6 - Formation du xanthate de cellulose par le procédé viscose
[Université de Rochester]
 
     
                Schéma du procédé viscose       
  Figure 7 - Schéma du procédé viscose
[MEMOtextile]
 
     

Procédé Lyocell

Il consiste à dissoudre la cellulose dans l’oxyde de N-méthylmorpholine (NMMO) à une température supérieure à 90°C afin d'obtenir une solution de cellulose de 15 à 25 % de concentration. Cette solution visqueuse est filée puis régénérée sous forme de film après passage dans l’eau [Figure 8].

                Lyocell       
  Figure 8 - Réaction de dissolution
de la cellulose par NMMO
[Journal of Membrane Science]
 
     

Comparaison des procédés

  Avantages Inconvénients
Procédé viscose
  • Procédé maîtrisé
  • Faible coût
  • CS2 : molécule toxique et odorante
Procédé lyocell
  • Faible impact environnemental
  • NMMO non toxique et recyclable
  • NMMO onéreux et 3% de perte
  • Nécessité de chauffer
  • Dégradation du NMMO à compenser par oxydation

Tableau 3 - Avantages et inconvénients des procédés viscose et lyocell

II-4-2 - Nanocelluloses

Issues de la biomasse végétale, les nanocelluloses font l'objet de nombreuses recherches scientifiques, surtout basées sur la cellulose extraite du bois. [Figure 9] [Tableau 4]. La production industrielle, quant à elle, est encore limitée et coûteuse. Pour amorcer la fibrillation des fibres issues de la pâte à papier, il est préférable d’effectuer des pré-traitements chimiques facilitant le traitement mécanique, ce qui devrait réduire le coût énergétique de la production des nanocelluloses. Le pré-traitement TEMPO consiste à oxyder les groupements hydroxyles présents naturellement dans la cellulose en groupements acides carboxyliques.

L’enzyme utilisée pour le prétraitement enzymatique est la cellulase. Elle permet d’amorcer la fibrillation et, par conséquent, de réduire l'énergie nécessaire au raffinage final effectué par un raffineur doté d’un entrefer très faible (1 μm). Le traitement mécanique sert à fibriller les fibres à l’échelle microscopique. Les raffineurs utilisés en papeterie ne sont pas adaptés à l’obtention des nanocelluloses puisque leur entrefer est de l’ordre de 100μm. L’appareil utilisé est un micro-grinder.

                Source des nanocelluloses      
  Figure 9 - Source des nanocelluloses
[Nano.gov]
 
     
                Etude comparative des propriétés physiques des nanocelluloses et d’autres matériaux      
  Tableau 4 - Étude comparative des propriétés physiques
des nanocelluloses et d’autres matériaux
[Nano.gov]
 
     

Les applications envisagées actuellement sont les suivantes : films, couchage sur différents types de matériaux (film plastique, papier,...) ou encore renfort de matrices polymères.

Les principaux acteurs de la recherche scientifique sur ce sujet sont le VTT Technical Research Centre of Finland et le Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2).

III - Analyse économique

Plan

III-1 - Marché des plastiques

Selon l'association européenne des producteurs de matières plastiques, PlasticsEurope, la production est de 280 millions de tonnes en 2011 et le secteur enregistre un rythme de croissance de plus de 9% par an depuis 1950. De même, elle constate que "les marchés des matières plastiques se déplacent de plus en plus vers l’Asie où les taux de croissance sont supérieurs à la moyenne. En conséquence, cette région du monde enregistre une augmentation de sa capacité de production. Par ailleurs, la filière plastique en Europe est confrontée à un cadre réglementaire de plus en plus strict". La production européenne est donc au deuxième rang derrière la Chine [Figure 10].

                Production mondiale de matières plastiques en 2011      
  Figure 10 - Production mondiale de matières plastiques en 2011
[Plastics Portal]
 
     

Avec 4,6 millions de tonnes, la France est le troisième consommateur européen de matières plastiques, derrière l’Allemagne et l’Italie. La baisse de la demande amorcée en 2011 (- 1,5 %) se confirme en 2012.

Le secteur de l’emballage est le premier marché des matières plastiques au niveau européen [Figure 11].

                Demande européenne de plastiques par segment et type de résine 2011      
  Figure 11 - Demande européenne de plastiques par segment et type de résine 2011
[Plastics Portal]
 
     

En France, il concentre 44 % de la demande (en hausse de 2,3% par rapport à 2010), loin devant le BTP (20,6 %) et l’automobile (9,1 %) [Figure 12].

                France : demande de matières plastiques par secteurs d’activité en 2011      
  Figure 12 - France : demande de matières plastiques
par secteurs d’activité en 2011
[Plastics Portal]
 
     

III-2 - Marché des bioplastiques

La production mondiale de bioplastiques ne représente que 0,10% du total du plastique produit dans le monde.

Toutefois, selon l'association European Bioplastics, les bioplastiques, désormais parvenus à maturité technologique, pénètrent le marché de masse. Ils sont utilisés dans un nombre croissant de secteurs – emballages, produits de restauration, électronique, automobile, agriculture, horticulture, jouets... – et un certain nombre d'autres segments.

Le marché actuel des bioplastiques se caractérise par sa forte croissance et sa diversification. Face à la demande croissante de solutions plus durables, la capacité de production des bioplastiques s'est renforcée : elle s'élève à plus de 1,5 millions de tonnes en 2012 et devrait augmenter à plus de 6 millions de tonnes d'ici 2017.

La Figure 13 ci-dessous montre que la majeure partie de la production concerne des polymères biosourcés mais non biodégradables. Quant au PLA, représentant 13,4 % des bioplastiques, il est amené à se développer dans les prochaines années. Les bioplastiques les plus courants sont les polymères faciles à produire, à moindre coût et ayant une grande variété d’applications.

                Capacité de production des bioplastiques en 2012 par type de matériau      
  Figure 13 - Capacité de production des bioplastiques en 2012 par type de matériau
[European Bioplastics]
 
     

Le diagramme ci-dessous [Figure 14] montre qu'en 2012, la production de sacs à usage unique repose majoritairement sur le polyéthylène biosourcé non biodégradable. Viennent ensuite les mélanges d’amidon, le PLA et les mélanges de PLA.

                Capacité mondiale de production des bioplastiques par segment de marché      
  Figure 14 - Capacité mondiale de production des bioplastiques
en 2012 par segment de marché
[European Bioplastics]
 
     

Le groupe EU-RRM (Matières premières renouvelables) de l’European Renewable Resources and Materials Association ( ERRMA) a estimé dans le Tableau 5 ci-dessous les consommations de bioplastiques en 2010 et 2020 par type d’application. Deux scénarios de croissance sont considérés : avec et sans mesures de soutien de la part de l’Union européenne. D’ici 2020, il s'avère que, pour les applications jetables à durée de vie courte, sans le soutien de l'Union européenne, la production de biopolymères triplera. La même tendance est observée pour les applications durables. En revanche, si l’Union européenne met en place une politique favorable au développement des biopolymères, la production pourrait être multipliée par 10 pour les applications jetables et les applications durables.

                Consommation de plastiques biobasés par type d’application en 2008/2009 et prévisions pour 2020      
  Tableau 5 - Consommation de plastiques biobasés par type d’application en 2008/2009
et prévisions pour 2020
[ValBiom]
 
     

Selon le Tableau 6 ci-dessous, les applications des biopolymères biodégradables dans les sacs poubelle et à provisions devraient connaître une croissance exceptionnelle dans les prochaines années, passant de 3 % de part de marché en 2010 à 54,2 % en 2020.

                Polymères biobasés biodégradables : Marché 2010 et prévisions de marché 2020      
  Tableau 6 - Polymères biobasés biodégradables : marché 2010
et prévisions de marché 2020
[ValBiom]
 
     

Inaugurée en janvier 2012, l'usine canadienne CelluForce a produit une trentaine de tonnes de nanocellulose cristalline et suspendu sa fabrication fin 2012 faute d'acquéreurs de cette production.

En 2011, l'institut de recherche suédois Innventia a investi dans une usine pilote d'une capacité de production de nanocellulose de 100 Kg par jour. Elle a permis une diminution drastique de la quantité d'énergie nécessaire à la fabrication des nanocelluloses, passant de 30 000 à 500 kW/tonne. Ce gain d'énergie, qui se traduit par une diminution de prix des nanocelluloses, rend aujourd'hui de nouvelles applications accessibles.

D'autres acteurs sont présents sur ce marché avec des projets pilotes : US Forest Service (USA) [Vidéo 2], UPM (Finlande), Borregaard (Norvège), Daicel (Japon)…

                TAPPI Nanocellulose Video - Rethink Paper      
  Vidéo 2 - TAPPI Nanocellulose Video - Rethink Paper
[YouTube]
 
     

III-3 - Environnement économique

D'ici 2030, la demande énergétique mondiale va augmenter. L'augmentation de la population mondiale et l'accroissement du revenu moyen par habitant devraient entraîner une hausse de la demande en énergie primaire. En outre, La croissance de la consommation sera en grande partie tirée par les pays émergents, dont certains, comme la Chine ou l'Inde, connaissent une croissance économique soutenue. Les énergies fossiles (pétrole, gaz et charbon) resteront prédominantes dans les prochaines décennies. Elles représenteront plus de 80 % de l'augmentation de la demande mondiale en énergie entre 2004 et 2030.

                Prévisions de l'IEA et du FMI concernant la demande mondiale de pétrole      
  Tableau 7- Prévisions de l'IEA et du FMI
concernant la demande mondiale de pétrole
[Sénat]
 
     
                Les prévisions de production des pays de l’OPEP selon l’IEA, le FMI et l’OPEP      
  Tableau 8- Les prévisions de production des pays de l’OPEP selon l’IEA, le FMI et l’OPEP
[Sénat]
 
     

Même si les pays de l’OPEP (78% des réserves mondiales) ne sont pas les seuls producteurs de pétrole, les prévisions de l'International Energy Agency (IEA) et du Fonds Monétaire International (FMI) [Tableaux 7 & 8] montrent que le monde sera confronté tôt ou tard à une demande dépassant la capacité de production de barils. La conséquence sera sans nul doute l’augmentation du prix du baril de pétrole. Dans une telle configuration, les coûts de production des sacs en plastique devront être revus à la hausse.

III-4 - Contexte législatif et réglementaire

III-4-1 - Protection de l'environnement

Face à la production massive de sacs plastique à usage unique et à la pollution qu'ils occasionnent, la Commission européenne a adopté, le 4 novembre 2013, une proposition qui impose aux États membres de réduire l'utilisation des sacs plastique légers. En France, dès le 1er janvier 2014, les sacs de caisse à usage unique en matière plastique sont intégrés dans le régime de la taxe générale sur les activités polluantes (TGAP). Elle s’impose à toute personne qui, pour la première fois, livre sur le marché intérieur ou utilise ces sacs. En revanche, elle ne s’applique pas aux sacs en plastique biodégradable constitué d’un minimum de 40% de matières végétales en masse. Son taux est fixé à 10 € par kg, soit environ 6 centimes par sac.

La norme européenne EN 13432 précise les exigences relatives aux emballages valorisables par compostage et biodégradation

En Chine, depuis 2008, la loi interdit la production de sacs en plastique ultramince (épaisseur inférieure à 0,025 mm) dans tout le pays et interdit également aux commerces et aux supermarchés de proposer ce type de sacs. En 2002, le Japon a mis en place une stratégie de promotion de la biomasse, Biomass Nippon Strategy, qui a pour but d'utiliser 80 % de la biomasse résiduelle et 25 % de la biomasse inexploitée d'ici à 2020. En 2009, elle a été renforcée et institutionnalisée par la promulgation de la Loi Fondamentale promouvant l'utilisation par la biomasse. Cela implique que d'ici 2020, les matières plastiques (soit 3 millions de tonnes/an) devront provenir de ressources renouvelables. Aux États-Unis, quelques villes comme Los Angeles ont interdit la distribution de sacs en plastique mais cette mesure reste minoritaire.

III-4-2 - Sécurité sanitaire

Parmi les risques émergents, les enjeux sanitaires liés au développement des nanomatériaux manufacturés occupent une place importante. Depuis 2006, l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail (Anses) a réalisé plusieurs rapports d’expertise sur les risques sanitaires liés aux expositions alimentaires, environnementales et en milieu de travail. L'Agence évalue ce type de substance dans le cadre des réglementations qui leur incombent, REACH en particulier. Depuis le 1er janvier 2013, le site R-Nano permet aux industriels de déclarer les nanomatériaux, conformément à la réglementation en vigueur.

III-5 - Analyse concurrentielle (Diagramme de Porter)

                     
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 15 - Analyse concurrentielle du marché
des sacs à usage unique
 
     

III-6 - Chaînes de valeur

                       
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 16 - Chaîne de valeur des sacs en nanocellulose
 
     
                       
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Figure 17 - Chaîne de valeur des sacs papier
 
     
                       
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Figure 18 - Chaîne de valeur des sacs en plastique (PE)
 
     

IV - Perspectives

Plan

IV-1 - Variables essentielles et facteurs de développement

Les variables essentielles concernant le développement des sacs en nanocellulose sont :

Les facteurs clés de développement de ce produit sont les progrès technologiques de mise en forme des sacs de nanocellulose, la diminution du coût de production et l’avancement de la recherche sur la fabrication des nanocelluloses. S'y ajoutent l’augmentation du prix du pétrole ainsi que l’essor de la problématique écologique et durable. Les principaux acteurs sont les centres de recherche, les fabricants et les instances publiques.

IV-2 - Synthèse

La Figure 19 présente l'évolution du nombre de publications de recherche sur les nanocelluloses.

                Publications scientifiques relatives aux nanocelluloses       
  Figure 19 - Publications scientifiques relatives aux nanocelluloses
[IPW]
 
     

Depuis 2004, il y a une très forte augmentation de ces publications dans le monde : les recherches sur les nanocelluloses explosent car la tendance est au développement de cette nouvelle technologie.

Aujourd’hui, le prix d’achat des microfibrilles de cellulose (MFC) se situe entre 30 et 50 €/kg alors que la cible espérée par les scientifiques est de 9 €/kg. Pour les nanocelluloses cristallines (NCC), le prix d’achat de 250 €/kg alors la cible espérée par les scientifiques est de 40€/kg.
Pour que les nanocelluloses soient utilisées dans la fabrication des sacs à usage unique, il faudrait une diminution importante des coûts de production ainsi qu’une augmentation de la quantité produite. Dans un deuxième temps, pour que cela devienne possible, il faudrait que les coûts des matières dérivées du pétrole (prix du baril) soient moins compétitifs et que la conscience écologique soit plus forte. En effet, le prix au kg du polyéthylène par exemple est d’environ 1€/kg. Dès lors, on pourrait se pencher sur l'aspect technologique de la fabrication de sacs en nanocellulose.

IV-3 - Diagnostic stratégique (matrice SWOT)

Forces Faiblesses
  • Utilisation de matières premières renouvelables
  • Absence de concurrence avec les ressources alimentaires
  • Biodégradabilité
  • Coût élevé de la production
  • Résistance mécanique assez faible
Opportunités Menaces
  • Tendance à l'écologie
  • Législation européenne visant à interdire l'utilisation des sacs plastique
  • Recherche en plein essor
  • Essor considérable des sacs en PLA
  • Facilité de mise en place des autres procédés
  • Développement des sacs non jetables (cabas)

Tableau 9 - Analyse stratégique des sacs en nanocellulose par rapport aux sacs pétrosourcés

Positionnement de la technologie étudiée (produit ou procédé)

Le procédé de mise en forme des nanocelluloses pour fabriquer des sacs à usage unique n’est pas mis en place. Étant seulement hypothétique, il est difficile de le positionner par rapport aux autres procédés. Quant au produit, les nanocelluloses, il se positionne après toutes les technologies actuelles malgré sa biodégradabilité et le fait qu’il soit biosourcé à cause de son prix trop élevé et sa production trop faible.

Analyse de la stratégie des principaux acteurs (fournisseurs, acteurs, clients)

Les fournisseurs de nanocelluloses comme Celluforce, Borregaard ou l’US Forest Service cherchent à développer leur marché en augmentant leur production et en investissant énormément dans la recherche. Les clients dans le secteur de l’emballage participent aussi à la recherche mais l’application spécifique dans les sacs à usage unique n’est pas encore envisagée réellement.

IV-3 - Scénarios

IV-4-1 - Scénario 1 - En 2018, les sacs en PLA dominent le marché européen des sacs à usage unique

La législation imposant une taxe sur les sacs non biodégradables contenant moins de 40% en masse de matières végétales, porte le sac en PLA à la place de leader national. En effet, cette taxe augmente de 6 centimes le prix des sacs à usage unique qui ne correspondent pas à ce critère. En conséquence, en termes de coûts des matières premières, l'écart entre les sacs en plastique et les sacs en bioplastique (PLA) s’est inversé.

En 2018, après une réduction significative des coûts de production du PLA due à l'augmentation de la quantité produite, le sac à usage unique biosourcé et biodégradable se positionne à la première place sur le marché. Les entreprises fabriquant des sacs en polyéthylène réorientent leur production vers les sacs en bioplastique. NatureWorks LCC devient leader de ce marché grâce à une avance technologique acquise depuis les années 2000. La récupération et le recyclage du PLA sont maîtrisés par BioCor LCC qui propose des plans de recyclage mondiaux et ses technologies. Le cahier des charges écologique étant respecté, les nanocelluloses sont alors remisées au second plan en raison de leur coût de production qui ne réussit pas à concurrencer le PLA.

Néanmoins, le PLA étant produit en concurrence avec la production de ressources alimentaires, cela provoque des controverses et de nouvelles lois apparaissent.

Probabilité de réalisation du scénario : 60%.

IV-4-2 - Scénario 2 - En 2023, pour la Commission Européenne, l’usage de sacs à usage unique pour faire ses courses est un non-sens écologique

Les sacs ont beau être biodégradables, il n'en reste pas moins que des matières premières sont gaspillées pour un usage éphémère. En raison de la hausse des prix de ces dernières, les sacs à usage unique sont onéreux et ne correspondent pas à la philosophie du développement durable. La Commission Européenne décide alors d’interdire la distribution de sacs à usage unique dans les commerces. Des campagnes de communication incitent les consommateurs à changer leurs habitudes en adoptant des sacs cabas réutilisables pour faire leurs courses.

Probabilité de réalisation du scénario : 70%.

IV-4-3 - Scénario 3 - À l’horizon 2030, les sacs en nanocellulose se positionnent sur un marché de niche

Les connaissances sur les nanocelluloses ont progressé grâce à la recherche : leur production et leur mise en forme sous forme de film sont maîtrisées. Un nouveau procédé de fabrication développé par CelluForce au Canada permet de produire de grandes quantités de nanocellulose avec un fort rendement.

Grâce à ses propriétés barrière à l’oxygène et autres agents chimiques susceptibles de détériorer la marchandise, l'utilisation du film de nanocellulose – dont la mise en forme a été brevetée par le VTT – se développe pour fabriquer des sacs à usage unique dédiés à certaines catégories de produits. Des sacs transparents et résistants permettent non seulement de transporter facilement des fruits et légumes mais aussi de les conserver dans de bonnes conditions. Les sacs en film de nanocellulose représentent une part importante de l’emballage des fruits et légumes.

De plus, la biodégradabilité des nanocelluloses permet à ces sacs d’être en règle vis-à-vis de la législation. Grâce à leur imperméabilité, les objets utilisés à usage unique en médecine – masques chirurgicaux, seringues... – sont emballés dans des sacs en nanocellulose, réduisant ainsi les risques de contamination.

Probabilité de réalisation du scénario : 25 %

V - Conclusion

Plan

L'état de l’art sur la fabrication des films de cellulose et des sacs en plastique permet de penser qu’il est techniquement envisageable d’ouvrir le secteur des sacs à usage unique aux films obtenus à partir de cellulose. D'ailleurs, des sacs en cellophane sont déjà présents sur le marché des emballages alimentaires. Une éventualité a fait l’objet d’une étude du VTT (Finlande) : fabriquer des films de nanocellulose à l’apparence proche du plastique et pouvant être produits à l’échelle industrielle. Toutefois, à l’heure actuelle, les recherches sur les nanocelluloses et leur aboutissement sont encore peu divulgués. En outre, le prix des nanocelluloses est élevé et les meilleures prévisions annoncent un coût au kilo 4 fois supérieur à celui du polyéthylène.

Les verrous techniques et économiques sont encore trop importants pour envisager le développement des nanocelluloses dans le secteur des sacs à usage unique. De plus, des biopolymères comme le PLA arrivent sur le marché en répondant aux enjeux environnementaux et aux législations tout en assurant une réelle compétitivité.

Néanmoins, des applications sont envisagées pour les nanocelluloses dans l’emballage alimentaire, par couchage de ces dernières sur les films de polymère. En effet, leurs propriétés barrière intéressent beaucoup ce secteur mais leur transformation sans aucune autre matrice étant difficile, l’application par couchage semble être la plus prometteuse.

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

    PHA-synthesizing microorganisms.   PolyFerm Canada
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    L'extrusion gonflage   Anthonyplasturgie
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    Comparaison des impacts sur l'environnement de 3 produits : polyéthylène, papier et Mater-Bi.   Biobag
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  Chem 421: Introduction to Polymer Chemistry. Department of Chemistry of the University of Rochester
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    Les classiques.   MEMOtextile
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CAO Y.M., QINB J.J., JIE X.M.,
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    Les plastiques végétaux, une industrie naissante...   Ellen MacArthur Foundation
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    “Beaucoup d'espoirs reposent sur les plastiques biosourcés de deuxième génération.”   Actu-Environnement, 23 mai 2011
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Bioplastics : facts and figures. European Bioplastics, octobre 2012
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    Les sacs en plastique taxés à partir de 2014.   Service Public, 21 novembre 2013
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OKSMAN K.   Focus on nantotechnology.   IPW, novembre 2012
    Quand sac plastique rime avec déchet aquatique...   Ministère du Développement Durable, 26 juillet 2011
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    Les sacs plastique.   AREHN
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    Nombre de sacs plastiques distribués dans le monde.   Planetoscope
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    Seulement 1% des sacs plastiques sont recyclés chaque année.   AxiomCafé, 2010
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    L'estocade aux sacs jetables.   Futura Sciences, 15 novembre 2005
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MAGDELEINE C.   L'Europe se décide enfin à légiférer contre les sacs plastiques.   Notre Planète Info, 22 novembre 2013, maj 26 mars 2014
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PHAM C.   Bientôt du polyéthylène vert basse densité chez Braskem.   Plastiques & Caoutchoucs Magazine, 31 mai 2013
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    La supercherie des plastiques dits "biodégradables".   Notre Planète Info, 27 mai 2011, maj 15 janvier 2014
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    Plastiques 2012 – Faits et chiffres: Analyse de la production et de la demande en plastiques & de la gestion des déchets en Europe en 2011.   The Plastics Portal
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    CP 25 octobre 2012 : la production de matières plastiques en France et en Europe : des prix en hausse et une demande en baisse sur les douze derniers mois.   The Plastics Portal
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La production mondiale de plastique. Planetoscope
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    Production mondiale de bioplastique.   Planetoscope
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    Perspectives positives pour les bioplastiques en Europe.   Premium Beauty News, 31 décembre 2013
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    Market.   European Bioplastics
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    CelluForce célèbre l'inauguration de la première usine de démonstration de nanocellulose cristalline au monde.   CNW, 12 janvier 2012
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    World’s first pilot plant for production of nanocellulose inaugurated.   PaperAge, mars-avril 2011
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AVÉROUS L.   Les polymères biodégradables : quelles finalités, quelles opportunités ?   Pr. Luc Avérous
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PUNZALAN M., LIU Y.   L'interdiction de sacs en plastique en Chine modifiera probablement les habitudes des consommateurs.   Notre Planète Info, 30 juillet 2008
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AFSSET   Les nanomatériaux : sécurité au travail.   La Documentation Française, juillet 2008
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