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| Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Bouteilles en cellulose pour l'industrie alimentaire | Révision : 22 septembre 2015 |
| Bouteilles en cellulose pour l'industrie alimentaire | ||||||||||||||||||||||||||||
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Floriane FERRY et Alba LÓPEZ FLÓREZ Élèves ingénieurs 2e année
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| [ecoXpac] |
La bouteille est un récipient généralement cylindrique à sa base et qui se resserre à son sommet. En verre ou en plastique, elle sert à conserver des liquides alimentaires (eau, lait, vin, bière, huile...) ou non alimentaires (produits chimiques, détergents, parfums, cosmétiques, etc).
Depuis une trentaine d’années, la consommation de bouteilles croît de manière exponentielle et, avec l'expansion des bouteilles en plastique, elle est devenue un enjeu important de la problématique environnementale. Plus de 150 milliards de bouteilles sont consommées sur la planète annuellement mais moins de 50 % sont recyclées. De plus, l'une des conséquences de l'accroissement démographique mondial continu est l'explosion du volume des déchets et la pollution qui en découle tant sur terre qu'en mer. Tous les ans, ce sont 20 milliards de tonnes de déchets de natures diverses qui sont déversées dans les océans. Les déchets en plastique y tiennent une place importante créant un véritable "continent de plastique", souvent décrit comme une immense plaque de déchets évoluant dans le nord de l'océan Pacifique, de la taille d'un tiers des États-Unis ou de six fois la France. Selon François Galgani, océanographe et chercheur spécialiste des déchets à l'Ifremer, il s'agit d'une "soupe de plastique" composée "d'une multitude de micro-plastiques, d'un diamètre inférieur à 5 mm, en suspension à la surface ou jusqu'à 30 mètres de profondeur, difficiles à voir de loin. Mais quand on puise dans l'eau, on en remonte une quantité impressionnante" [Figure 1].
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Figure 1 - Pollution des océans [Bio à la une] |
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C’est pourquoi la recherche et l'industrie se penchent sur la création de bouteilles non polluantes à base de matériaux biosourcés et quelques initiatives ont fait parler d'elles ces dernières années. Disponible en abondance sur la planète, la cellulose, l'un des principaux constituants des végétaux, suscite l'intérêt. Biosourcée et biodégradable, elle est une alternative au verre ou au plastique pour la production de bouteilles. Déjà présente dans les briques en carton complexe (constituées également de couches d’aluminium et de plastique), il convient de se demander s’il est possible de concevoir une bouteille composée exclusivement de matériaux biosourcés.
Dans notre étude, nous nous intéressons aux bouteilles contenant des liquides alimentaires, emballages primaires en contact direct avec le produit [Figure 2].
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Figure 2 - Bouteilles de vin de différentes formes [Vinotrip] |
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Tout au long de la chaîne allant de sa fabrication à sa distribution, l'emballage de liquide alimentaire doit posséder des propriétés correspondant aux attentes des fabricants, des acteurs logistiques, des distributeurs et des consommateurs, tout en respectant les contraintes réglementaires.
Emballage en contact direct avec un liquide alimentaire, la bouteille doit être conforme au Règlement (CE) N°1935/2004 du parlement européen et du conseil du 27 octobre 2004 concernant les matériaux et objets destinés à entrer en contact avec des denrées alimentaires.
En France, plusieurs textes concerne la fabrication d’emballages ayant pour but le contact alimentaire.
Il n’existe pas actuellement de législation européenne pour l’utilisation des emballages en papier et carton en particulier. Néanmoins, le projet européen BIOSAFEPAPER (2001-2005) a développé une approche comportant un arbre de décision avec une batterie de tests cytotoxiques et génotoxiques applicable à l’évaluation des papiers-cartons au contact des aliments [Figure 3].
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Figure 3 - Arbre de décision pour évaluer le risque lié à l'utilisation des emballages en papier et carton [IFN] |
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Lors de sa fabrication, la bouteille doit être stable et facile à manier [Figure 4]. Les propriétés suivantes sont nécessaires.
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Figure 4 - Fabrication de bouteilles en plastique [Sipa] |
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Le remplissage met la bouteille en contact avec le liquide [Figure 5]. Les propriétés suivantes sont nécessaires.
Ces propriétés doivent être assurées depuis le remplissage de la bouteille jusqu’à la consommation du produit qu'elle contient, avant sa date d’expiration.
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Figure 5 - Remplissage de bouteilles en verre [Cellier Tremoine] |
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La résistance mécanique de la bouteille doit empêcher sa déformation d'une part, par le poids du liquide contenu et, d'autre part, par le poids des bouteilles stockées au-dessus. En outre, toutes les propriétés décrites précédemment doivent rester inchangées [Figure 6].
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Figure 6 - Emballage collectif et stockage de bouteilles [MSK] |
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Les propriétés de la bouteille doivent demeurer constantes au cours du transport jusqu'à sa mise en rayon [Figure 7].
Le consommateur, pour qui la bouteille a été conçue, exige les propriétés suivantes.
Nous nous intéressons aux emballages dédiés au conditionnement des liquides alimentaires et industrialisés.
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Figure 8 - Bouteille en verre [Kochersberg] |
Apparue dans l'Italie antique (ampulla), la bouteille en verre évolue au fil du temps et est produite industriellement dès le 18e siècle [Figure 8]. Son poids a changé : une bouteille de Champagne qui pesait 1250 g au début du siècle pèse maintenant 900 g. Ce poids reste élevé par rapport à d’autres types d'emballage pour liquides alimentaires. Toutefois, la bouteille en verre reste la préférée pour les alcools car elle garantit leur bonne conservation. De plus, bien développé, le recyclage en boucle fermée apporte des avantages environnementaux importants car il permet de ne pas utiliser de nouvelles matières premières vierges : une bouteille redevient une bouteille. Le verre peut être recyclé à l’infini.
Matières premières
Procédé de fabrication
Dans un atelier de composition, sont mélangées toute les matières premières dans des proportions spécifiques. Le mélange est introduit dans un four à haute température (1300-1500ºC) pour fondre les matériaux. La goutte de verre en fusion (paraison) est soufflée avec de l’air dans un moule ébaucheur puis dans un moule finisseur. Il s'agit du moulage par soufflage. Le verre est ensuite refroidi dans des conditions spéciales afin d'éviter un changement brutal de température pouvant altérer les propriétés physiques de la bouteille. Par la suite, un traitement de surface améliore ses caractéristiques. La bouteille est recuite puis contrôlée [Figure 9].
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Figure 9 - Chaîne de fabrication des bouteilles en verre [CNE] |
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Figure 10 - Bouteille en plastique [AjoNews] |
Apparue vers 1930, la production de la bouteille en plastique s'industrialise dans les années 60 [Figure 10]. Dès lors, elle envahit le marché, remplaçant partiellement la bouteille en verre en raison de sa légèreté et de son faible coût.
Matières premières
Procédé de fabrication
La bouteille en plastique peut être fabriquée par injection-soufflage. Des pastilles de PET et des flocons de PET recyclé (10% maximum pour ne pas affecter les propriétés physiques de la bouteille) sont mélangés. Puis, le mélange passe dans une machine d’injection de plastique qui le fait fondre à 300ºC. À l’aide d’une vis d’injection, le liquide est injecté sous pression dans un moule pour former des paraisons. Ces dernières refroidissent presque instantanément grâce à un système de refroidissement intégré. Ensuite, elles sont chauffées pour être plus malléables puis une tige est insérée afin d’étirer chaque paraison en longueur tout en soufflant de l’air chaud à haute pression pour lui donner la forme de la bouteille [Vidéo 1].
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Vidéo 1 - Fabrication des bouteilles en plastique [YouTube] |
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Figure 11 - Brique alimentaire [Sydeme] |
La brique alimentaire est un emballage multicouche composé en moyenne de 75% de carton, 21% de polyéthylène (plastique) et 4% d’aluminium [Figure 11].
Matières premières
Procédé de fabrication
Le fabricant dispose du carton et de l'aluminium sous forme de bobines et du polyéthylène sous forme de granulés. Il commence par imprimer sur le carton les décors voulus par ses clients. La feuille passe par une zone de maîtrisage où des rainures sont faites pour faciliter le pliage lors de la transformation des bobines de même que les trous destinés à l’emplacement du bouchon. Le polyéthylène est fondu à 300°C et appliqué directement sur les deux faces du carton, sans colle. Puis, une couche extrêmement fine d’aluminium est appliquée à l’intérieur. Deux couches de polyéthylène sont finalement ajoutées sur l’aluminium pour assurer le contact alimentaire avec le produit. La brique est livrée aux clients sous forme de rouleaux de 2 tonnes qu'ils n'ont plus qu’à découper et à remplir de produit.
Le recyclage de la brique alimentaire est fait par séparation des matériaux par pulpage. Le carton des briques alimentaires est très recherché par les papetiers pour produire du papier essuie-tout, du papier toilette, des boîtes de céréales, des emballages carton, etc. En revanche, les fibres de la brique alimentaire ne sont pas réutilisées pour la fabrication de nouvelles briques. En effet, une fois recyclées, les fibres rétrécissent et ne peuvent plus conférer à la brique ses critères de qualité : rigidité et légèreté. Les bouchons ainsi que les résidus de polyéthylène et d’aluminium, récupérés à la suite du pulpage des fibres, constituent aussi une ressource exploitable. Ils peuvent se transformer en piquets de vignes, bancs publics, outils de bureautique, etc. [Vidéo 2].
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Vidéo 2 - Fabrication des briques alimentaires [YouTube] |
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Figure 12 - Canette métallique [Wikipedia] |
La canette en aluminium (ou en acier) tient une place non négligeable sur le marché des emballages pour boissons. Elle est légère, solide, compacte, imperméable, sécuritaire et peut être recyclée à 100% [Figure 12].
Matières premières
La canette métallique est produite avec 99,45% d’aluminium.
Procédé de fabrication
La feuille d’aluminium d’une épaisseur de 0,152 mm est découpée en disques par une presse qui les emboutit immédiatement pour former des coupelles. Celles-ci sont ensuite étirées et embouties afin d'allonger le corps de l’emballage et de diminuer son épaisseur à 0,1 mm. Pour obtenir des bords réguliers, les corps sont passés dans une rogneuse qui les coupe pour avoir les mêmes dimensions. Après lavage, la canette est traitée à l’extérieur pour assurer son imprimabilité et protéger le métal de la corrosion. Après séchage, le décor est imprimé par procédé offset sec et une couche de vernis est déposée pour protéger l’emballage. Un vernis protecteur est également appliqué au fond de la canette ainsi qu'un revêtement intérieur. Ensuite, les emballages sont transportés vers un four pour cuire et sécher l’intérieur. Finalement, le bord rétrécit et est bordé pour réduire le diamètre de l’ouverture et la préparer à recevoir le liquide. Elle est ensuite contrôlée pour détecter les possibles micropores. Après remplissage avec le produit, le couvercle est posé [Figure 13].
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Figure 13 - Étapes de formation d'une canette métallique [aluMATTER] |
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La canette est recyclable à 100 %, sans que le métal dont elle est constituée, aluminium ou acier, perde ses propriétés mécaniques intrinsèques (malléabilité, solidité, aspect, etc.) et ce, indéfiniment, quel que soit le nombre de cycles de recyclage effectués. 60 % des canettes sont récupérées et recyclées en France, et plus de 2 sur 3 dans le monde.
| Matériaux | Fabrication | Industrialisation | Avantages | Inconvénients | |
| Bouteille en plastique | PVC PET PEHD |
Injection-soufflage Thermoformage |
1960 | Faible coût Pas d’oxydation Légèreté |
Impacts sur l'environnement (pollution) et sur la santé (toxicité) |
| Bouteille en verre | Calcin Sable Carbonate de sodium |
Moulage par soufflage | 1723 | Recyclable Longue conservation |
Poids élevé Coût élevé Transport |
| Brique | Carton Plastique Aluminium |
Complexage et couchage | 1952 | Légèreté Coût Transport |
Recyclage coûteux |
| Canette | Aluminium | Déformation et pliage | 1950 | Solidité Légèreté Compacte Etanchéité Sécurité Recyclabilité |
Recyclage insuffisant Utilisation du métal (peu de ressources) |
Tableau 1 - Récapitulatif des emballages dédiés au conditionnement des liquides alimentaires
La cellulose est un polymère synthétisé par les végétaux à hauteur de 50 à 100 milliards de tonnes par an. Matière organique la plus répandue sur Terre, elle représente 50 % de la biomasse et est le principal constituant du bois. Les macromolécules de cellulose associées forment des microfibrilles qui, associées en couches, forment les parois des fibres végétales [Figure 14].
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Figure 14 - Structure de la cellulose [Info High Tech] |
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Avantages
Inconvénients
Or, les traitements chimiques augmentent les coûts de fabrication et ont un impact sur l’analyse du cycle de vie du produit.
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Figure 15 - Porte-gobelets en cellulose
moulée : à gauche, issus d’un séchage traditionnel, à droite, issus d’un séchage en surpression [Cellulopack] |
La cellulose moulée est fabriquée à partir de papiers recyclés et d’eau. Des additifs peuvent être ajoutés pour conférer des caractéristiques particulières au produit final : imperméabilité, coloration, résistance aux chocs... Elle est utilisée dans le secteur alimentaire (boîtes à œufs, porte-gobelets, plateaux pour fruits et légumes, barquettes pour la viande, cale-bouteilles, vaisselle jetable), le secteur médical (haricots médicaux), la restauration hors foyer (barquettes alimentaires) ainsi que les emballages et calages industriels (téléphones portables, lampes, produits d’hygiène corporelle, électronique, alimentation, capitonnage, appareils de mesure, embauchoirs).
Procédé de fabrication
Ces dernières années, quelques initiatives ont émergé afin de proposer des bouteilles à base de matériau cellulosique.
Une bouteille de bière en fibres de bois : The Green Fiber Bottle
Début 2015, lors du Forum économique mondial de Davos, le brasseur Carlsberg a annoncé vouloir mettre fin aux bouteilles de bière en verre pour les remplacer par des bouteilles entièrement biodégradables, fabriquées en fibres de bois. Le groupe a présenté son projet Green Fiber Bottle : trois ans de développement en association avec la société d’emballages EcoXpac et en collaboration avec le Fonds d’Innovation Danois et l’Université technique du Danemark. L'une des motivations de ce projet est que 45 % des gaz à effet de sphère émis par le géant danois viennent de la production de l’emballage. L’objectif est de proposer une bouteille dont tous les composants, y compris le capuchon, seraient fabriqués à partir de matériaux biosourcés et biodégradables, principalement des fibres de bois. La bouteille en fibres demandera moins de ressources énergétiques pour être produite. Elle sera plus légère donc moins chère à transporter, améliorera le bilan carbone et sera facile à recycler voire à composter puisque 100% biodégradable [Figure 16].
Au cours de l'année, l'équipe projet a réalisé un prototype en papier journal recyclé (papier mâché) [Figure 16 bis] mais se heurte à un défi de taille. Comme l'indique Thomas J. Howard, l'un des chercheurs du DTU, "EcoXpac a déjà un processus [de production] très prometteur. Cependant, le problème à l'heure actuelle est que cela prend un temps très long pour fabriquer une bouteille. Si nous sommes à la hauteur des exigences de Carlsberg, nous avons besoin d'une bouteille qui peut être fabriquée en six secondes seulement. Dans le même temps, nous devons garder la faible consommation d'énergie, sinon la solution ne sera pas durable". La pâte est versée dans un moule où elle doit sécher. Dans un moule traditionnel, cela prend plus de six secondes et le matériau montre une fâcheuse tendance à s'effondrer. L'équipe projet travaille donc sur des opérations impliquant le recours à un moule poreux, ce qui rendra possible l'utilisation d'un vide pour évacuer de force toute l'eau du papier. Ce nouveau processus devrait permettre d'atteindre le temps de production critique de six secondes.
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Figure 16 - Projet de bouteille de bière en fibres de bois [Carlsberg] |
Figure 16 bis - Prototype réalisé à partir de papier journal recyclé (papier mâché) [DTU] |
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Une bouteille de vin en carton : PaperBoy Bottle
C'est un projet de bouteille de vin en carton imaginé en 2013 par le groupe vinicole californien Truett-Hurst en collaboration avec l’entreprise Ecologic Brands et le designer londonien Kevin Shawl, pour la marque PaperBoy. La bouteille est en fait constituée d'une partie extérieure en cellulose moulée et d'une partie intérieure en plastique, barrière aux liquides et aux gaz. Le bouchon est en aluminium. La PaperBoy Bottle est annoncée comme une bouteille de vin 100% recyclable. L'empreinte carbone due à la fabrication de cette bouteille en carton est 67% moins importante que celle de son équivalente en verre. Son transport est lui aussi moins polluant (empreinte carbone 18 % moins importante) : la bouteille en carton, 80 % plus légère, demandera moins de carburant pour être emmenée de l'exploitation à son point de vente final [Figures 17 & 18].
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Figure 17 - La bouteille de vin en carton [MarcelGreen] |
Figure 18 - L'intérieur en plastique [Women, Wine & Whinnies] |
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Une bouteille d'eau en papier : 360 Paper Water Bottle
En 2010, inquiet de la pollution causée par les bouteilles en plastique jetées dans la nature ou incinérées, Jim Warner, designer de la société Brandimage, a créé la 360 : une bouteille d'eau entièrement réalisée avec du papier alimentaire recyclable à 100 %. Elle peut contenir de l'eau minérale ou gazeuse, fluide ou concentrée. Elle est fabriquée à partir de feuilles de bambou et de palmier issues de plantations gérées de façon durable. L’étanchéité de l’emballage est assurée par un film de PLA, un bioplastique en amidon de maïs. La partie supérieure est détachable et devient un bouchon [Figure 19].
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Figure 19 - La bouteille d'eau en papier [Next Big Thing Award] |
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Pour rendre la bouteille en cellulose utilisable, des traitements sont indispensables afin de la rendre imperméable et résistante.
Papier paraffiné
Il est produit par imprégnation dans un bain de paraffine qui provient du raffinage du pétrole. Le papier paraffiné est barrière aux graisses et à la vapeur d’eau, et protège le produit des odeurs. Adapté à l’usage alimentaire, il est notamment utilisé pour protéger les viandes et les fromages. Il est compostable et son fort pouvoir calorifique lui permet d’être recyclé en briquettes combustibles.
Pour obtenir un matériau entièrement produit à partir de matières premières renouvelables, la paraffine peut être remplacée par une cire végétale. C'est par exemple le cas de Vegepap, un papier paraffiné à base d’huile de palme sans OGM issue d’exploitations certifiées PEFC, produit par Décatoire Vicq Emballages.
Papier siliconé
La silicone est un dérivé du silicium renfermant des atomes d'oxygène et des groupements organiques. Le papier est enduit d’une émulsion aqueuse de silicone. Cette couche confère au papier des propriétés anti-adhésives très prisées dans le domaine de l’étiquette. L’émulsion possède aussi des propriétés hydrofuges. Résistant aux hautes températures et adapté au contact alimentaire, le papier siliconé est utilisé comme papier cuisson. Bien qu’il soit recyclable, il est souvent incinéré (comme le papier paraffiné) ou éliminé en décharge.
Nanocristaux de cellulose
Les fibres de cellulose sont constituées de macrofibrilles, elles-même formées de microfibrilles enlacées les unes aux autres. Ces dernières contiennent des zones cristallines et amorphes. Un traitement de la cellulose par hydrolyse acide permet d’isoler ces parties cristallines, les nanocristaux de cellulose.
Il est possible de produire des films de nanocellulose qui peuvent être transparents. Ainsi, il est envisageable d'appliquer des nanocristaux en film sur le carton afin d’obtenir des propriétés barrière et de renforcer le matériau tout en respectant la contrainte de n’utiliser que de la cellulose. Les nanocristaux de cellulose peuvent aussi être couchés sur le carton. Néanmoins, le principal inconvénient est le coût de production élevé, leur prix de vente pouvant atteindre 50 € le kilo.
Papier greffé par chromatogénie
La fibre de cellulose et l’eau sont des molécules polaires ayant une grande affinité l’une envers l’autre, rendant ainsi le papier hydrophile. Pour rendre le papier hydrophobe, une solution est l’estérification du papier par des acides gras à longues chaînes, par la chimie chromatogénique. Il s’agit d’un greffage moléculaire à la surface d’un matériau poreux afin de modifier sa réactivité. Cette technique offre des perspectives intéressantes si les papiers rendus hydrophobes par la chromatogénie sont aptes au contact alimentaire.
Papier sulfurisé
La sulfurisation du papier consiste en un bain d’acide sulfurique suivit de bains de lavage. Les fibres du papier buvard initial se solubilisent partiellement afin de former un gel cellulosique qui bouche les pores et améliore les propriétés barrière du papier, surtout l’imperméabilité aux graisses.
Le papier sulfurisé est le seul papier spécial composé à 100% de cellulose. La sulfurisation permet de plus de rendre le papier translucide. En effet, les fibres de cellulose sont translucides, ce sont les pores du papier qui provoquent de nombreux changements de milieux aux rayons lumineux incidents, diffusant ainsi la lumière et rendant le papier opaque. La sulfurisation bouchant ces pores, le papier devient translucide.
Film biosourcé
Il existe des polymères issus de la biomasse qui possèdent des propriétés relativement semblables aux plastiques utilisé dans l’industrie : le PHA (polyhydroxyalcanoate) et le PLA (acide polylactique), issus respectivement d’une culture bactérienne et du maïs. Cependant, ils sont relativement onéreux puisque le PHA coûte entre 8 et 15 € le kg, et le PLA environ 2 € le kg, ce qui est supérieur de 20 à 30% aux prix des plastiques conventionnels.
| Avantages | Inconvénients | |
| Papier paraffiné | Excellentes propriétés barrière à l'eau | Paraffine issue de la pétrochimie, peu recyclée |
| Papier siliconé | Excellentes propriétés barrière à l'eau | Silicone peu recyclé |
| Film de nanocristaux de cellulose | 100 % cellulose Transparence possible |
Production onéreuse |
| Papier greffé par chromatogénie | 100 % cellulose Chimie propre, pas d'additif Recyclable Bonne imprimabilité des encres aqueuses |
Aptitude au contact alimentaire nécessaire Pas encore industrialisé |
| Papier sulfurisé | 100 % cellulose Recyclable Translucide |
Résistance moyenne à l'eau |
| Film biosourcé | Biosourcé Transparent |
Prix élevé Ce n'est pas de la cellulose |
Tableau 2 - Avantages et inconvénients des différences solutions techniques
Imaginons une bouteille en cellulose susceptible de répondre aux attentes exigées pour être commercialisée. La base serait composée de cellulose sous forme de brique ou de bouteille en cellulose moulée. Dans le cas d'une brique, il conviendrait de traiter le carton par sulfurisation ou avec un greffage par chromatogénie ou par couchage avec des nanocristaux de cellulose (si toutefois leur prix baisse dans les années à venir).
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| Figure 20 - Chaîne de valeur pour l'obtention d'une brique par sulfurisation | ||
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| Figure 21 - Chaîne de valeur pour l'obtention d'une brique par chromatogénie | ||
Dans le cas de la brique comme dans le cas de la cellulose moulée, il est envisageable de complexer la bouteille avec une base de cellulose pure, puis une couche de papier sulfurisé ou encore d’un film de nanocristaux de cellulose ou de bioplastique (PLA). Ce procédé pourrait être utilisé notamment pour conditionner les jus de fruits où il importe peu que la bouteille soit transparente ou non.
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| Figure 22 - Chaîne de valeur pour l'obtention d'une bouteille par moulage et filmage | ||
Néanmoins, le choix des nanocristaux de cellulose, d'un coût d’achat élevé, risque d’augmenter considérablement le prix du produit final. Couvrir la cellulose d’un film de PLA peut être intéressant dans la mesure où il s’agit d’un bioplastique, bien que son prix reste plus élevé que celui des plastiques.
Emballage primaire, la bouteille sert à protéger, conserver et transporter le liquide alimentaire jusqu’à ce que le client le consomme. Une fois le produit consommé, l’emballage perd sa valeur et devient un déchet. La production de bouteilles étant importante, il est indispensable de savoir gérer les déchets. Il faut donc prévoir la fin de vie et effectuer une analyse du cycle de vie d’un produit pour connaître son impact environnemental.
Recyclage
Si un produit est recyclé, sa fin de vie est le début de celle d’un nouveau produit. Le recyclage est un procédé permettant à la fois la gestion des déchets et la sauvegarde des ressources naturelles. Il est donc essentiel de tenir compte de la recyclabilité des produits fabriqués.
Les fibres de cellulose recyclées forment un marché à elles seules. En effet, la part de matériaux transformés à partir de fibres recyclées est plus grande que celle des matériaux formés à partir de fibres vierges. En revanche, le plastique est peu recyclé (23 %) et 250 000 tonnes de plastiques recyclés seulement ont été transformées en 2012. Il faut noter que même si le taux de recyclage du verre est respectable (71 % en 2011), la formation de produit à partir de calcin de verre recyclé est très énergivore [Figure 23].
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Figure 23 - Taux de recyclage des emballages par matériau [Ademe] |
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C’est pourquoi l’étude de la recyclabilité des produits ne suffit pas pour apprécier leur véritable empreinte environnementale. Il faut s’intéresser à la totalité des étapes constituant leur cycle de vie ainsi qu’à leur provenance. Parmi le verre, le PET, le PEHD, l’acier et la cellulose, seule cette dernière est issue de ressources naturelles renouvelables. D’autant que des certifications telles que FSC et PEFC garantissent que les fibres proviennent de ressources forestières gérées durablement.
Analyse du cycle de vie
L'analyse du cycle de vie (ACV) fournit un moyen efficace et systémique d'évaluer les impacts sur l'environnement, de l’extraction des matières premières à la fin de vie des produits [Figure 24].
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Figure 24 - Étapes de l'analyse du cycle de vie [Tetra Pak] |
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En 2008, Tetra Pak France a publié une étude intitulée “La vérité sur les emballages alimentaires”. À sa demande, une analyse de cycle de vie comparative a été réalisée par Bio Intelligence Service selon la méthode normalisée ISO 14044 et validée par un Comité de Revue Critique. Cette ACV comparative porte sur des briques alimentaires Tetra Pak, des bouteilles en plastique (PEHD et PET) et des bouteilles en verre d’un litre. L’étude des caractéristiques techniques de chaque type d'emballage fait ressortir leurs points forts et leurs points faibles. Le verre est un matériau ductile, ce qui le rend cassant, mais aussi lourd et encombrant. Bien qu’il s’agisse du matériau le mieux trié, la mise en forme des matériaux verriers est un procédé très énergivore. A contrario, les emballages de liquides alimentaires en plastique ou en carton complexe sont légers et déformables, d'où des économies sur l'énergie et les coûts du transport. Divers points positifs sont mis en exergue concernant la brique alimentaire. Toutefois, le fait qu’il s’agisse d’un matériau multicouche pose des limites au recyclage. En effet, si le carton peut être recyclé, les couches d’aluminium et de polyéthylène quant à elles ne peuvent pas être recyclées séparément. En outre, il faut un procédé spécial pour séparer le carton de ces couches. La difficulté du recyclage constitue le principal inconvénient des briques alimentaires.
| Matériaux | Avantages | Inconvénients | Etat | |
| Bouteille en verre | Calcin (verre brisé) | Très bon tri Recyclable à 100% Bonnes qualités gustatives et propriétés barrière |
Fabrication et transport énergivores Cassant |
Commercialisée |
| Bouteille en plastique | PET, PEHD... | Assez bon tri Ne casse pas |
Ressource fossile non renouvelable Extraction énergivore |
Commercialisée |
| Brique complexée | Carton (cellulose), polyéthylène, aluminium | Composée majoritairement de carton Légèreté et encombrement réduit après applatissement Ne casse pas ACV meilleure que l'ACV du plastique et du verre |
Peu de tri Recyclage difficile et partiel |
Commercialisée |
| Canette métallique | Aluminium, acier | Recyclable Légèreté et encombrement réduit après compression Incassable Refroidissement rapide |
Dégradation des métaux au cours des recyclages Emballage non refermable |
Commercialisée |
| Bouteille en cellulose | Cellulose, additifs biosourcés et renouvelables | 100% biosourcée et recyclable Légèreté Ne casse pas |
Solutions pour imperméabiliser la cellulose chères ou non biosourcées Transparence moins pure que le plastique ou le verre |
Non commercialisée |
Tableau 3 - Récapitulatif des caractéristiques des emballages dédiés au conditionnement des liquides alimentaires
À l'instar de la 360 Paper Water Bottle, il semble possible de créer une bouteille composée uniquement de cellulose, à l’exception d’un film de PLA. Compte tenu de ses avantages, on peut imaginer que cette création débouche sur une fabrication industrielle et une large distribution. Pour vérifier cette intuition, étudions le marché.
Lors du lancement d’un nouveau produit, en l'occurence la bouteille de cellulose, une étude de marché des produits déjà existants est nécessaire afin d'évaluer les risques inhérents à sa mise en rayon.
La quantité de bouteilles mise sur le marché est corrélée à l'évolution démographique et aux changements quant à la composition et à la consommation des ménages [Figures 25 & 26].
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Figure 25 - Évolution de la population mondiale en fonction du taux de fertilité [Planetoscope] |
Figure 26 - Évolution des ménages en France [Insee] |
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En France, la tendance est à l'augmentation des petits ménages (une ou deux personnes) et à la diminution du nombre de foyers à trois personnes et plus. D'où un accroissement de la consommation d'emballages individuels dont les bouteilles. Les boissons représentent environ 17 % des dépenses alimentaires des ménages pour leur consommation à domicile et le pourcentage de consommation des boissons non alcoolisées a presque été multiplié par quatre [Figure 27].
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Figure 27 - Évolution des dépenses alimentaires des ménages [FDSEA] |
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Bien que les bouteilles en plastique soient très présentes sur ce marché, les bouteilles en verre et les canettes métalliques y occupent également une place importante. Le carton est lui aussi dans la course avec 12% de part de marché [Figure 28].
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Figure 28 - Répartition du marché des emballages de boissons par type d'emballage en 2010 [Elipso] |
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Le prix du pétrole, très fluctuant, a un impact sur celui du plastique et, par conséquent, des bouteilles en plastique. Il faut noter également que les gisements facilement exploitables de cette ressource fossile tendent à s'épuiser.
Selon une étude de Smithers Pira, l’emballage carton, soit environ 30 % des emballages dans le monde, devrait connaître une croissance soutenue de 6 % jusqu’en 2017. Le marché mondial pourrait alors peser plus de 30 millions de tonnes et environ 70 milliards de dollars (62,5 milliards d’euros). La demande en papier-carton pour contact alimentaire sera alors plus élevée qu’en 2012, de l’ordre de 7,5 millions de tonnes. Le papier-carton pour contact alimentaire jouit globalement d’une bonne image, en termes de sécurité sanitaire, de prix et de durabilité. Cette tendance pourrait favoriser le développement des bouteilles à base de cellulose.
Il correspond au marché des pâtes à papier. La cellulose se retrouve dans les pâtes de fibres longues et les papiers recyclés. Le prix de la pâte NBSK (fibres longues) a une légère tendance à augmenter depuis 2013 [Figure 29]. Toutefois, il reste inférieur à ceux du plastique et de l’aluminium.
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Figure 29 - Évolution du prix de la pâte NBSK [Copacel] |
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Le prix des papiers et cartons à recycler est plus faible (autour 80 €/tonne depuis 2013) que toutes les matières premières utilisées actuellement pour les bouteilles [Figure 30].
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Figure 30 - Prix des papiers et cartons à recycler [Copacel] |
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La conférence de presse donnée le 5 mars 2015 par la Maison des Industries des Papiers et Cartons souligne la situation positive de la cellulose moulée : "La production française d’emballages en cellulose moulée est en progression de 3,5% en 2014, atteignant 110 000 tonnes. Cette évolution est essentiellement due à une activité exportatrice dynamique. La perspective d’une reprise de la production industrielle agroalimentaire en France, client très majoritaire du secteur, laisse présager une bonne tenue de la production en 2015". Ainsi, il ne serait pas étonnant de voir l'usage de la cellulose moulée se développer sur le marché des bouteilles.
Pour déterminer si la bouteille en cellulose aurait sa place sur le marché, il convient d’étudier aussi les alternatives à la bouteille.
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Figure 31 - Carafe filtrante |
Carafe filtrante
Il s'agit d'une carafe en plastique équipée d'un filtre pour purifier l’eau du robinet [Figure 31].
Avantages
Inconvénients
En 2012, environ 20 % des foyers français sont équipés. Plusieurs acteurs se partagent ce marché qui concurrence les eaux en bouteille dont Brita, Terraillon...
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Figure 32 - Machine à soda |
Machine à eau gazeuse et à soda
Cet appareil électroménager permet de gazéifier l’eau du robinet voire de l'aromatiser pour fabriquer du soda [Figure 32]. Cette alternative aux boissons pétillantes vendues en bouteilles est un marché en expansion. En 2013, 4 % des foyers français sont équipés et Sodastream, le leader du marché, espère porter ce chiffre à 15 % en 2018.
Sachet à bouchon
C'est un sachet en plastique souple qui permet un gain de place et de poids [Figure 33]. Il pourrait déstabiliser le marché des bouteilles, à long terme.
Sac de boisson
Dans certains pays, des liquides alimentaires (lait, eau, bière...) sont conditionnés dans des sacs qui utilisent 75% de matières en moins que les bouteilles [Figure 34]. Moins cher et plus léger, le sac de boisson est toutefois moins pratique pour le rangement et le liquide est plus difficile à verser qu'avec une bouteille.
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Figure 33 - Sachet à bouchon [Sachets plastiques] |
Figure 34 - Sac de boisson | |||
Pour évaluer si un produit a sa place sur le marché, il convient d’effectuer une analyse concurrentielle. Le diagramme de Porter ci-dessous représente le marché des emballages de boissons, déjà occupé par les bouteilles en plastique, en verre et par les canettes [Figure 35]. Des bouteilles en bioplastique (PLA) ou en cellulose tentent de s'y insérer. La place des produits de substitution aux bouteilles n'est pas prépondérante. L’évolution des parts de marché dépendra probablement des avancés de la recherche et des campagnes publicitaires des grands acteurs de l’agroalimentaire.
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Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 35 - Diagramme de Porter |
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La matrice SWOT permet de mettre en évidence les forces et les faiblesses intrinsèques de la bouteille en cellulose, nouvel entrant sur le marché des emballages de liquides alimentaires, ainsi que les menaces et les opportunités extérieures qui pourraient influencer l’évolution de ce nouveau produit [Tableau 4].
| Forces | Faiblesses |
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| Opportunités | Menaces |
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Tableau 4 - Diagnostic stratégique via la matrice SWOT
Hypothèses
Depuis quelques années, l’intérêt des chercheurs et des industriels pour les produits biosourcés augmente dans le but notamment de réduire l’impact environnemental des bouteilles en plastique. En 2015, Tetra Pak lance des projets pour éliminer le polyéthylène de ses briques, supprime l'aluminium en 2020 et développe des produits 100% cellulose. Les procédés de fabrication sont maîtrisés et les briques sont commercialisées.
Probabilité de réalisation du scénario : 60 %
Hypothèses
En 2015, le brasseur Carlsberg lance un projet pour produire des bouteilles 100% biosourcées et biodégradables, à partir de la cellulose. En 2025, les procédés de fabrication sont maîtrisés, des tests sont mis en place et les bouteilles sont commercialisées en 2030. Leur succès inspire d’autres entreprises qui les reproduisent afin de profiter à leur tour de l’impact publicitaire de l’innovation. De plus, le prix du pétrole est irrégulier et les réserves exploitables s'épuisent. Le coût des matières plastiques augmente exponentiellement en 2030, suscitant un pic de recherches sur les biomatériaux et offrant à la bouteille en cellulose l’occasion de prendre la place de la bouteille en plastique sur le marché en 2040.
Probabilité de réalisation du scénario : 65 %.
Hypothèses
Même si la bouteille en cellulose est commercialisée, il lui reste à convaincre le consommateur. Certes sensibilisé aux problèmes de l’environnement, il n'en demeure pas moins attaché à ses habitudes. Associant les matériaux cellulosiques aux produits bas de gamme, même si l'usage des briques est répandu pour le lait ou les jus de fruits, il est réservé quant à l’idée d’acheter de l’eau ou du vin dans une bouteille en papier qui manque de transparence et ne lui semble pas adaptée à la conservation dans une cave durant plusieurs années.
En outre, la hausse des prix des plastiques provoque un surcroît d'intérêt pour la recherche sur les bioplastiques qui permet de découvrir de nouveaux biopolymères ou d’améliorer les procédés existants. Les bioplastiques prennent la place des plastiques conventionnels. L’intérêt environnemental de la cellulose n'est plus si évident et la bouteille en cellulose ne parvient pas à s'insérer sur le marché.
Probabilité de réalisation du scénario : 60 %.
La protection de l'environnement est aujourd'hui un enjeu majeur touchant tous les secteurs de l'économie. L'industrie de l'emballage alimentaire, notamment des liquides alimentaires, n'y fait pas exception. Bien que présentant des atouts indéniables, la bouteille en verre, la bouteille en plastique et la canette métallique ont un impact environnemental non négligeable.
L'idée d'utiliser un matériau biosourcé comme la cellulose est apparue avec la création de la brique alimentaire. Toutefois, à cause de la perméabilité de la cellulose aux gaz et aux liquides, cette brique comporte aussi des matériaux plastique et aluminium, ce qui l'empêche d'être un emballage 100 % biosourcé. Or, de nouveaux procédés tels que le greffage du papier par chromatogénie ou encore le couchage ou le filmage avec des nanocelluloses pourraient être des solutions aux faiblesses techniques de la cellulose. C’est pourquoi nous faisons la proposition d'une bouteille à base de cellulose qui comporterait des produits biodégradables et serait conforme à la législation et aux attentes des acteurs de la chaîne de valeur.
Enfin, notre analyse économique nous laisse penser que la bouteille de cellulose a de grandes possibilités de faire partie du marché des emballages de boissons dans quelques années.
Néanmoins, d'autres produits alternatifs et concurrents sont en cours de développement comme les bouteilles à base de biopolymères (par exemple, la PlantBottle présentée récemment par Coca Cola). Dans ce cas de figure, il suffirait de changer les matières premières dans les procédés de transformation existants pour fabriquer des bouteilles en bioplastique. Toutefois, les prix des biopolymères étant élevés, cette solution ne semble pas viable actuellement.
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