Les déchets industriels sont réutilisés pour faire des alternatives au plastique
Au Brésil, des chercheurs de l’Université d’État de São Paulo (UNESP) d’Ilha Solteira ont développé un film qui peut remplacer le plastique dans les emballages alimentaires. Le film se compose d’hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) et de résidus de cellulose bactérienne laissés par le traitement industriel. Les deux matières premières sont durables. Ils sont combinés pour produire un film biodégradable à base de nanocristaux de cellulose bactérienne et de HPMC.
Le produit surpasse les films fabriqués uniquement en HPMC. Un article sur le projet de recherche, soutenu par la FAPESP, est publié dans la revue Matériel appliqué et interfaces ACS.
«Nous avons décidé de remplir la matrice HMPC avec des nanocristaux de cellulose bactérienne pour améliorer ses propriétés. Nous voulions également créer des protocoles plus respectueux de l’environnement pour développer de nouveaux matériaux composites, du matériau lui-même à son origine, et donc réutiliser Déchets industriels inclus dans le projet », a déclaré Márcia Regina de Moura Aouada, co-auteur de l’article. Aouada est titulaire d’un doctorat. en chimie à l’UNESP, où elle enseigne et fait des recherches au Centre pour le développement des matériaux fonctionnels (CDMF), l’un des centres de recherche, d’innovation et de diffusion (RIDC) soutenus par la FAPESP.
Depuis l’obtention de son doctorat, Aouada a étudié les films d’énergie renouvelable ainsi que les films comestibles et biodégradables pour réduire la génération croissante de déchets solides sous forme d’emballages alimentaires en plastique jetés.
« L’une des limites des films fabriqués à partir de HPMC et d’autres biopolymères est leur faible résistance mécanique par rapport aux films pétroliers conventionnels. Ils sont également très perméables à la vapeur d’eau, ce qui limite les applications disponibles. Nous avons amélioré ces propriétés en ajoutant de la cellulose bactérienne », a déclaré Pamela Melo , doctorante en science des matériaux à l’UNESP et auteur principal de l’article sur le projet réalisé pendant son doctorat. Recherche sous la supervision d’Aouada.
Recette de gâteau
Les chercheurs ont obtenu des résidus de cellulose bactérienne de Seven Indústria de Produtos Biotecnológicos, qui produit des biofilms de pansements dans l’état du Paraná. Afin de transformer ces déchets en un film adapté à l’emballage alimentaire, les déchets ont d’abord été broyés en poudre. « Nous avons ensuite soumis la poudre à une hydrolyse à l’acide sulfurique, un processus bien décrit dans la littérature », a déclaré Melo. Le résultat a été une suspension de nanocristaux cellulosiques bactériens qu’ils ont mélangés avec du HPMC dilué dans de l’eau pour faire une dispersion filmogène, une cible d’intérêt pour l’industrie des bioplastiques.
«Il ne suffit pas de fabriquer de bons composites. Nous devons trouver la meilleure solution pour obtenir de bonnes propriétés de film grâce à divers facteurs tels que la viscosité et la concentration de nanoparticules. Une bonne analogie pourrait être une recette de gâteau: l’étude de la recette est une autre innovation majeure de notre étude « Dit Aouada.
« La façon dont les nanocristaux interagissent avec la matrice HPMC et y sont distribués détermine la qualité du film. C’est pourquoi nous avons effectué des tests et obtenu la distribution optimale en utilisant un disperseur Turrax via une dispersion à haute énergie », a déclaré Melo. La dispersion filmogène a été déposée sur un substrat. Les solvants se sont évaporés après 24 à 48 heures. Le résultat était un produit plus résistant et moins perméable que le film uniquement HPMC. La quantité d’eau absorbée par le matériau est actuellement une limitation d’utilisation dans l’emballage.
Une autre conclusion positive est que les nanocristaux ne modifient pas la transparence de HPMC.
Avantages de la cellulose bactérienne
La cellulose est le polymère le plus abondant dans la nature et le principal composant des fibres végétales, ce qui rend les plantes rigides. La cellulose végétale est connue et est utilisée dans la fabrication du papier. Cependant, certaines bactéries, algues et invertébrés marins sécrètent également de la cellulose, qui est utilisée dans les biofilms de pansements pour plaies depuis un certain temps et qui s’étend maintenant à d’autres domaines tels que l’emballage alimentaire.
La protection de l’environnement naturel en profite le plus. « La cellulose bactérienne peut être produite en laboratoire toute l’année, quelles que soient les conditions météorologiques ou environnementales. C’est une molécule plus pure et le processus de production cause moins de pollution », a déclaré Aouada. Le traitement de la cellulose végétale nécessite l’élimination des impuretés telles que la lignine avec des composés organochlorés nocifs pour l’environnement.
Un autre avantage de la cellulose bactérienne est la présence de fibres nanométriques dans sa structure. «C’est très intéressant car cela confère au matériau des propriétés spéciales telles qu’une résistance élevée à la traction, ce qui signifie qu’il peut supporter certaines charges ou contraintes sans se rompre», a déclaré Aouada.
Prochaines étapes
Les chercheurs prévoient de continuer à tester les dispersions filmogènes jusqu’à ce qu’ils concluent qu’ils ont développé un produit compétitif. Ils étudient d’autres techniques de dispersion de polymères, les comparent à l’utilisation de HPMC et évaluent leur biodégradabilité.
S’ils parviennent à développer de meilleures dispersions filmogènes, il peut être possible d’utiliser de la cellulose bactérienne à plus grande échelle. « Notre objectif principal est de trouver des produits de remplacement pour des matériaux qui ne sont pas considérés comme écologiquement corrects, tels que les produits pétroliers. Ces substituts comprennent des composites biodégradables fabriqués à partir de ressources renouvelables », a déclaré Aouada.
L’utilisation de déchets de cellulose et d’autres types de déchets contribue également à réduire les coûts de traitement. Les consommateurs préfèrent généralement les films plastiques pour les emballages car ils sont bon marché. En outre, il existe d’autres sources prometteuses de cellulose bactérienne, telles que les industries de la canne à sucre et du soja. « Des études ont montré que la cellulose bactérienne peut être obtenue en utilisant la canne à sucre ou la mélasse de soja comme substrat », a déclaré Aouada.
Plus d’information:
Pamela TS Melo et al., Upcycling of microbial cellulose scrap to nanowhiskers with technical performance as fillers in all-cellulose composites, Matériaux appliqués et interfaces ACS (2020). DOI: 10.1021 / acsami.0c12392
CDMF
O CDMF é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) apoiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), e recebe também investimento do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a partir do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia dos Materiais em Nanotecnologia (INCTMN).
