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DE NOUVEAUX MATERIAUX : DES BIOPLASTIQUES

Les polymères actuels (polystyrène (PS), polypropylène (PP), polyéthylène téréphtalate

(PET)…) sont fabriqués à partir de pétrole. Il existe des polymères naturels (l’amidon, la cellulose, l’ADN) et

d’autres artificiels. Cela pose différents problèmes. Tout d’abord, ils sont très difficilement dégradables. En

effet, de manière générale, ils mettent entre 100 et 1 000 ans pour être décomposés. De plus, le pétrole est une

matière première qui sera de plus en plus rare dans les années à venir.

C’est pourquoi, les fabricants, encouragés par l’ADEME (Agence De l’Environnement Et de la Maîtrise de

l’Energie), se tournent vers des matériaux biodégradables : les bioplastiques.

Le but de cette séance est de synthétiser et d’étudier ces biomatériaux.

I. QUELQUES SYNTHESES.

Document 1 : Synthèse d’un bioplastique par cristallisation de l’amidon de maïs

Dans un bécher « Pyrex » de 100mL, introduire les réactifs suivants : 2,5 g d’amidon de maïs ; 2,5 mL de glycérol ; 1 mL de solution de rouge de cochenille ; 1,5 mL d’acide chlorhydrique à 0,1 mol.L-1 ; 25 mL d’eau distillée.

Chauffer, en mesurant la température, sur agitateur magnétique chauffant.

Lorsque la température du mélange dépasse 90 °C, continuez d’agiter à cette température pendant environ 15

minutes jusqu’à formation d'un mélange homogène.

A ce moment ajouter 6 mL de solution de soude à 0,1 mol.L-1. On observe un changement de coloration du rouge au bleu violacé.

Verser le mélange obtenu dans une boîte de Pétri recouverte d’une feuille de papier circulaire avec rebords.

Bien étaler de façon uniforme le mélange en le faisant couler lentement sur le papier. Inclinez dans tous les sens

votre boite de pétri pour obtenir une répartition uniforme. Le mélange encore liquide s'étalera sans problème.

ATTENTION : Eviter d'atteindre le bord de la feuille de papier pour que le mélange ne puisse passer au-dessous de la feuille de papier. En séchant cela collerait le papier a la boite de Pétri et il sera alors difficile de sortir le papier plastifié sans le déchirer.

Sécher à l’étuve (90°-100°C) pendant environ 30 min. Au bout de ce temps, sortir la boîte de Pétri de l’étuve et

détacher délicatement la feuille de papier.

Pour obtenir une feuille de papier plastifiée il faudrait la remettre à l’étuve pendant 1 h.

Document 2 : Synthèse du polylactate (PLA), polymère de l’acide lactique Réalisée par le professeur

Sous la hotte, introduire environ 10 mL d’acide lactique pur dans un bécher.

Ajouter quelques gouttes d’acide sulfurique, utiliser gants et lunettes de protection.

Introduire le barreau aimanté et chauffer le mélange réactionnel à la température à 110°C.

Agiter régulièrement pendant 30 min. Laisser refroidir. Le mélange se solidifie: on a synthétisé le polymère.

Document 3 : La galalithe http://www.youtube.com/watch?v=h06GmToak3M

La galalithe est un polymère (matière considérée comme plastique), une matière dure formée à base de lait (étymologie : du grec gala — lait — et lithos — pierre).

Chauffer 100 mL de lait à 40 °C dans un bécher 250 mL.

A l’aide d’une éprouvette graduée, prélever environ 20mL d’acide éthanoïque à 10 %.

Quand la température atteint 40°C, couper le chauffage, puis introduire très doucement à la pipette plastique, et en

agitant avec une baguette en verre, l’acide éthanoïque (appelé communément ……………………………………………..).

Filtrer le lait caillé à l’aide d’une simple gaze et d’un entonnoir.

Récupérer le contenu du filtre dans une soucoupe.

Etaler la « pâte » et façonner-la en lui donnant la forme voulue.

Mettre à l’étuve pendant 30 min à 60°C.

ATTENTION Bien rincer votre pipette graduée entre chaque pipetage

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II. INTERPRETATION & COMPREHENSION

1. Le bioplastique.

L’amidon est un polymère de glucose, c'est-à-dire un assemblage d’un très grand nombre de

molécules de glucose. L’équation ci-dessous modélise la polymérisation de deux molécules de glucose.

1. Indiquer les liaisons qui se forment en vert et celles qui se brisent en rouge.

2. En considérant les doublets non liants de certains atomes, indiquer le mouvement des électrons permettant

d’expliquer la formation de la nouvelle liaison et la rupture des autres. On parle du mécanisme

réactionnel.

3. Écrire l’équation correspondante avec des formules brutes.

2. Le polylactate.

Le polylactate est un polymère de l’acide lactique dont la formule est donnée ci-dessous :

1. Entourer les groupes caractéristiques présents dans la molécule d’acide lactique.

2. A partir de la formule semi-développée de l’acide lactique, justifier son appellation officielle « acide 2-

hydroxypropanoïque ».

3. Sachant qu’un acide carboxylique réagit avec un alcool pour former un ester et de l’eau, proposer une

équation de réaction entre deux molécules d’acide lactique en utilisant les formules semi-développées.

4. Indiquer, dans l’équation ci-dessus, les liaisons qui se forment en vert et celles qui se brisent en rouge.

5. Donner alors la formule du polymère de polylactate.

H H

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III. ETUDE DOCUMENTAIRE.

1. Les plastiques biodégradables.

Pour empêcher l’accumulation des composés non dégradables dans la nature, il existerait deux

solutions, actuellement objets de recherches :

Utiliser des souches microbiennes pouvant attaquer des produits jusque-là réputés inaltérables ;

Développer des matériaux biodégradables par les souches communes.

Un matériau est réputé biodégradable si des micro-organismes suffisent à le détruire.

Des plastiques biodégradables, conçus à partir d’amidon de maïs ou de blé sont maintenant fabriqués à

l’échelle industrielle ; utilisés, par exemple, pour les sacs poubelles. La dégradation de ces plastiques

nécessiterait une durée de six à vingt-quatre mois, sous terre ou dans l’eau, selon le taux d’incorporation

d’amidon.

De même, des plastiques à base de seigle ou de fibres compressées, entièrement biodégradables,

peuvent remplacer aussi les plastiques issus du pétrole... L’un d’eux, à base d’amidon de seigle, se présente

sous la forme de granulats destinés à fabriquer des assiettes.

En modifiant la composition et le processus de plastification, on obtient des caractéristiques techniques

(densité, module d'élasticité, résistance à la traction, déformation, …) tout à fait comparables à celles des

polymères traditionnels, d'origine pétrochimique.

Dans le domaine agricole aussi, les matériaux biodégradables offrent d’incontestables avantages. Étant

recyclables, incinérables et compostables, ils vont générer des sous-produits comme l’eau, du gaz carbonique

et/ou du méthane, avec éventuellement production d’une nouvelle biomasse non toxique pour

l’environnement.

Mélangés à d’autres éléments fermentescibles, ils permettent d’obtenir du compost.

Le handicap majeur des matériaux biodégradables reste leur prix de revient : 1,2 à 3 fois supérieur à leurs

concurrents d’origine pétrolière.

2. Utilisation des bio-emballages.

Légumes prêts à l'emploi, plats précuisinés, aliments réfrigérés emballés sous vide et autres

innovations dont le bénéfice principal est sans doute le gain de temps et de préparation connaissent un succès

grandissant.

La sécurité et la qualité de ces produits périssables impliquent la prévention de la croissance des

bactéries ou des champignons et du développement des agents responsables du défraîchissement naturel et du

pourrissement. Traditionnellement assurées par des méthodes telles que la conservation à basse température,

les traitements désinfectants ou antibiotiques et l’utilisation d’emballages adaptés, les techniques de protection

et de préservation des aliments s'améliorent constamment.

Un projet de recherche a ainsi permis de mettre au point un nouveau concept de bio-emballage, dans

lequel les couches protectrices (constituées traditionnellement de films plastique issus de polymères

synthétiques) sont réalisées à partir de polymères naturels, provenant de plantes. Cette innovation présente

d'importants atouts :

l’aptitude des bio-emballages à modifier les échanges gazeux les rend particulièrement intéressants

pour le traitement des fruits et des légumes frais, qui conservent un métabolisme actif lors de leur

conservation à basse température et doivent continuer à « respirer » ;

les antimicrobiens et antioxydants utilisés pour protéger les aliments peuvent en outre, grâce à ce

système « bio », être introduits dans l'emballage même et préserver davantage le caractère naturel des

produits ;

le bio-emballage est en outre une solution économique (les matières premières entrant dans la

fabrication de bio-films sont peu coûteuses) et écologique (biodégradables).

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Des perspectives très intéressantes sont aussi offertes par le concept des bio-emballages comestibles, à

savoir consommables en même temps que les aliments qu'ils protègent. Ceux-ci existent aujourd'hui sous

forme de couches protectrices appliquées directement sur les aliments ou de films préparés séparément.

Plusieurs produits de ce type sont développés en utilisant, par exemple du gluten, une protéine élastique du

blé. On rencontre aussi un film lipoprotéique obtenu à partir de soja dans l’emballage d’aliments afin

d’améliorer leur aspect ou leur présentation et prolonger leur durée de conservation.

Plus traditionnellement, les films et enrobages comestibles sont très souvent utilisés pour améliorer

l'apparence et la conservation des produits alimentaires. Les exemples les plus courants sont : le pelliculage

des fruits avec des cires naturelles, pratiqué en Chine depuis le XIIème

siècle, les enrobages de chocolat sur les

produits de confiserie ou de pâtisserie, ou encore l'enrobage de viande avec des matières grasses.

Ils possèdent aussi un rôle actif qui consiste à servir de support pour des substances actives

(médicaments, vitamines, antioxydants, antimicrobiens,...), des agents de surface (colorants, agents

brillants,...), des arômes, ou encore à renforcer la structure de produits fragiles.

Consulter également les liens suivants

http://www.consoglobe.com/bioplastique-plastique-vegetal-fantastique-4476-cg/2

http://www.actu-environnement.com/ae/news/bioplastiques-agroplastiques-biodegradables-10636.php4

http://www.societechimiquedefrance.fr/produit-du-jour/acide-lactique.html

A l’aide des documents et de recherches dans le manuel ou sur internet,

répondre aux questions suivantes :

1. Qu’est-ce qu’un polymère ?

2. Citer un polymère d’origine pétrolière, en précisant dans quel(s) domaine(s), il peut être utilisé.

3. Définir un matériau biodégradable.

4. Quelles sont les sources possibles de matériaux biodégradables ? Dans quel(s) domaine(s) peut-on les

rencontrer actuellement ?

5. Quel est le frein majeur au développement de ces matériaux biodégradables ?

6. L’acide lactique utilisé en industrie n’est pas issu du lait.

Proposer une explication.

7. D’où est issu l’acide lactique utilisé dans l’industrie ?

8. Le polylactate est utilisé notamment pour la fabrication de sachets plastiques biodégradables.

Rechercher d’autres applications de ce polymère.

9. Quels sont les avantages d’un polymère tel que le PLA en termes de développement durable ?

10. Quelles peuvent être les limites au développement de tels matériaux ?

11. Rechercher des produits d’usage courant pour lesquels des emballages comestibles sont utilisés ?

12. Quels peuvent être leur rôle ?

13. Y a-t-il un intérêt à les développer industriellement ?

Et encore : http://sciencesetavenir.nouvelobs.com/fondamental/20131031.OBS3558/video-le-graphene-un-materiau-exceptionnel.html

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CORRECTION : DE NOUVEAUX MATERIAUX : DES BIOPLASTIQUES

II. INTERPRETATION & COMPREHENSION

1. Le bioplastique.

2 C6H12O6 → C12H22O11 + H2O

Voir : http://www.youtube.com/watch?v=nuJGL8s4AN0 http://www.youtube.com/watch?v=W6hk4TtJkpY

2. Le polylactate.

Le squelette carboné est linéaire (pas de ramification) et constitué de 3 atomes de carbones => préfixe prop

Il y a un groupe hydroxyle et un groupe carboxyle. Ce dernier est prioritaire est donne le nom de la famille =>

acide …-oïque

En comptant à partir du carbone fonctionnel, donc celui du groupe carboxyle, le groupe hydroxyle est porté

par le carbone n°2 => 2-hydroxy

La molécule a pour nom conventionnel : acide 2-hydroxypropanoïque

Formule du polymère :

III. ETUDE DOCUMENTAIRE.

1. Un polymère est une molécule composée un grand nombre de fois (> 500) par le même groupe d’atomes,

appelé le monomère.

2. Le polyéthylène (PE, de formule -[CH2-CH2]n- ) est composé plusieurs fois du monomère éthylène (de

formule CH2=CH2 ), hydrocarbure obtenu à partir du pétrole.

Ce polymère est utilisé dans les emballages, les couverts en plastique, les tuyaux …

3. D’après le texte, un matériau biodégradable est détruit par des micro-organismes.

groupe carboxyle

groupe hydroxyle

3 2 1

H

+ → + H2O

H H

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4. Les matériaux biodégradables peuvent être conçus à partir d’amidon de maïs ou de blé, ou encore d’autres

fibres comme celles du seigle.

Actuellement, le matériau à base d’amidon de seigle permet de fabriquer des assiettes, ceux de blé ou maïs

servent de sacs poubelles dans le domaine des emballages.

On peut aussi les retrouver dans le domaine de la médecine avec les fils de suture biodégradable …

5. Le frein majeur au développement de ces matériaux biodégradables restent le coût encore supérieur de 1,2

à 3 fois celui des matériaux d’origine pétrolière.

6. Le lait contient de l’acide lactique mais en relative faible quantité. Il faudrait donc prélever bien trop de

lait pour assurer toute la production industrielle d’acide lactique ; le rendement économique serait par

ailleurs peu intéressant.

7. Dans l’industrie, l’acide lactique est formé à l’aide de souches bactériennes qui en l’absence de dioxygène

dans l’air effectuent une réaction chimique de fermentation. Avant, les bactéries réalisaient la fermentation de sucre comme le glucose ou celle de l’amidon. De nos

jours, la bioconversion concerne des effluents organiques agro-industriels (eaux usées).

8. Le PLA s’utilise dans le domaine de la médecine avec les fils de suture (qui se décomposent sous l’action

des enzymes en présence d’eau).

On l’utilise aussi pour les objets plastiques thermoformés, extrudés ou injectés.

Enfin, les impressions en 3D se font à l’aide de PLA !

http://www.google.fr/imgres?hl=fr&biw=1366&bih=643&tbm=isch&tbnid=qbXBguFnZCTsdM:&imgrefurl=http://wax-science.fr/la-foret-

simprime-en-3d/&docid=yeO22JvjT--qNM&imgurl=http://wax-science.fr/wp-content/uploads/smith-allen-studio-

1.jpg&w=600&h=398&ei=dcODUqSODKXL4AT_zoC4BA&zoom=1&iact=hc&vpx=517&vpy=198&dur=430&hovh=183&hovw=276&tx

=100&ty=113&page=1&tbnh=134&tbnw=198&start=0&ndsp=27&ved=1t:429,r:3,s:0,i:89

http://www.google.fr/imgres?hl=fr&biw=1366&bih=643&tbm=isch&tbnid=W4LVwYQTJ8EskM:&imgrefurl=http://www.clubic.com/techn

ologies-d-avenir/actualite-474792-medecine-machoire-entiere-recontruite-aide-impression-

3d.html&docid=YpAEOu9vyhhC3M&imgurl=http://img.clubic.com/04931296-photo-machoire-

titane.jpg&w=800&h=500&ei=L8ODUuuoD4KF4ASRpoHQCQ&zoom=1&iact=hc&vpx=1041&vpy=96&dur=1841&hovh=177&hovw=28

4&tx=230&ty=90&page=1&tbnh=143&tbnw=229&start=0&ndsp=18&ved=1t:429,r:11,s:0,i:122

9. Le PLA est issu d’acide lactique, dérivé de sucre. Le polymère est donc recyclable aisément et

compostables. Les sous-produits de son incinération ne sont que l’eau et le dioxyde de carbone : des gaz

non toxiques (mais qui cependant participent à l’effet de serre !). Aucune autre particule n’est rejetée.

Si le PLA est issu des effluents industriels, alors ces derniers se retrouvent valorisés.

Le PLA présente donc plusieurs atouts en termes de développement durable :

- il est produit à partir de matière première largement renouvelable ;

- il apparaît entièrement recyclable et valorisable après utilisation.

10. Le développement de tels matériaux apparaît lors de leur incinération, dans leur coût de fabrication et ils

ne doivent pas épuiser le réservoir naturel au détriment de l’environnement et des biosystèmes.

11. Certains thés présentent des emballages comestibles qui sont hydrolysés par l’eau chaude.

Il en va de même pour certaines pâtes.

En 2012, Les WikiCells ont été mises au point. Ce sont des membranes comestibles qui englobent la

nourriture ou les boissons, permettant une conservation de quelques jours à quelques mois, suivant les

conditions de stockage. Elles se dégustent entièrement après un simple lavage. A l’intérieur, on peut y

mettre une variété infinie d’aliments ou de boissons comme du jus de fruit, du yogourt, de la crème glacée,

…

12. Leur rôle est tout simplement de diminuer les déchets de 20 % en réduisant les emballages, en les

recyclant ou d’un point de vue énergétique.

13. Il y a un grand intérêt à les développer industriellement car l’écologie le demande.

De plus, leurs concurrents sont issus du pétrole. Or, ce dernier tend à disparaître ou au moins à devenir de

plus en plus cher. L’alternative des bioemballages comestibles apparaît donc comme un nouveau marché à

exploiter pour l’industriel.