Academic literature on the topic 'Matières plastiques biodégradables – Biodégradation'

La réutilisation des eaux usées est reconnue comme une technique importante dans les régions arides et /ou grandes consommatrices d'eau. L'une des méthodes actuellement très employée consiste à recharger la nappe phréatique avec des effluents secondaires via des bassins d'infiltration. L'épuration biologique et / ou chimique à travers la zone non-saturée représente une caractéristique importante de cette technologie. Les procédés de ce type sont connus sous l'appellation de Soil Aquifer Treatment (SAT) ou géofiltration. Dans ce travail, le procédé a été étudié comme méthode de réhabilitation d'un effluent secondaire d'eaux usées jusqu'au stade d'eau potable. Cette recherche a été principalement axée sur le comportement, le transport des matières organiques (MO) de l'effluent et particulièrement sur leur rôle de précurseurs potentiels de sous-produits de désinfection lors de la réutilisation de la nappe. Dans la zone vadose, la matière organique est principalement éliminée par biodégradation, et à un degré moindre, par adsorption. Les simulations du procédé, en laboratoire, ont été réalisées en réacteurs recirculés aérobies, en mode cuvée, avec un biofilm acclimaté sur des particules de sable siliceux, afin de déterminer la fraction biodégradable des MO. L'évaluation de celle-ci est essentielle pour prédire leur potentiel de dégradation par la biomasse de la zone vadose. L'effluent mis en oeuvre est issu d'une station d'épuration de l'Arizona (États-Unis) avec biofiltre (lit filtrant à support plastique); sa concentration en carbone organique dissous (COD) se situe entre 10 et 15 mg/L. L'effluent mis 5 jours durant en contact avec le biofilm acclimaté du réacteur montre un abattement de 50-60 % du COD. Il a ainsi été déterminé qu'environ 80 % de l'élimination des MO de l'effluent survient dans les premières 24 heures d'expérimentation, alors que le reste, près de 20 %, est éliminé durant les 48 heures suivantes. Dans ces conditions, le délai de 5 jours apparait suffisant pour dégrader les MO présentes dans ces effluents. Les rendements observés augurent bien de la dégradation dans la zone vadose si l'on tient compte de la combinaison des taux et de la hauteur d'infiltration avec des temps de résidence de 2 à 14 jours ainsi qu'il est proposé dans le procédé. Afin d'accroître la biodégradabilité des MO, une ozonation a été effectuée, en amont du bio-traitement, avec un générateur d'ozone à l'échelle du banc d'essai fonctionnant en mode semi-continu (admission continue de gaz, volume stable de liquide). La pré-ozonation a permis d'accroître la biodégradation de 60-70 %. Bien qu'un fort pourcentage de MO soit éliminé dans ce schéma, il ressort que l'ozone n'a qu'un effet modeste sur la transformation des MO dissoutes non-biodégradables en matières biodégradables par rapport à des expériences similaires effectuées avec des matières organiques naturelles (MON) des eaux de surface. L'eau usée ainsi traitée présente des niveaux de COD comparables à ceux d'une eau de surface employée à des fins de consommation. Les caractéristiques des MO de l'effluent ont été comparées à celles des MON. Une ultrafiltration de l'effluent pour déterminer le poids moléculaire apparent des MO, donne une distribution bimodale de leur poids moléculaire par rapport à une distribution logarithmique normale observée avec des MON typiques. En utilisant des résines non- ioniques pour séparer les fractions hydrophobes et hydrophiles des MO, il ressort que l'ozonation ne transforme pas de façon significative la fraction hydrophobe des MO de l'effluent en fraction hydrophile, tel que cela a été observé durant l'ozonation des MON. Ces eaux ont été chlorées en pilote, selon des conditions similaires à celles des réseaux de distribution (CI2:COD=1:1mg/mg, période d'incubation=24 heures) afin de simuler la post-désinfection après récupération. Les sous-produits réglementés (Trihalométhanes THM) et ceux proposés (Acides holoacétiques, HAA6) ont été formés à des taux inférieurs ou proches des normes en vigueur (ou de celles proposées pour HAA6) pour l'eau potable aux États-Unis. Cependant, une nitrification significative a été observée dans nos simulations de traitement par le sol avec un effluent non-nitrifié, conduisant à des teneurs en nitrates supérieures à la norme américaine pour l'eau potable (10 mg/L).

Un des objectifs de cette recherche est d'examiner les différences entre les resultats obtenus par les tests de dosage des matières organiques biodégradables (MOB). L'autre objectif est de déterminer comment les résultats peuvent correspondre à la valeur vraie de la MOB. L'étude a été menée en employant un mode le mathématique qui tient compte des principes cinétiques et stoechiométriques. Le tableau 1 présente les exemples des équations de bilan de masse qui entrent dans le modèle. Celui-ci permet de suivre la croissance de la biomasse, la dégradation du substrat (MOB), le carbone organique dissous (COD), ainsi que la production et la dégradation des produits microbiens solubles (PMS). Les PMS, qui possèdent des poids moléculaires allant de moyens à élevés, sont produits durant le métabolisme normal des cellules (RITIMANN et al., 1987). Les PMS peuvent être divisés en deux groupes de produits associés: les PAU qui sont le résultat direct de l'utilisation du substrat et les PAB qui sont produits proportionnellement à la biomasse (PAB). Certaines hypothèses sont à la base des équations du bilan massique. La biomasse n'est constituée que d'hétérotrophes. La MOB est modélisée en tenant compte de substrats facilement et difficilement dégradables. Chaque substrat se distingue par sa valeur K inscrite au tableau 3. La densité de biomasse en début de test est de 1 mgA (2400 UFC/ml), sauf quand la densité est modifiée dans le modèle. Pour les besoins de la modélisation, les valeurs de MOB, de CODB et de biomasse ont eté converties en demande chimique en oxygène (DCO). Les facteurs de conversion utilisés sont: 1,42 mg de MOB exprimée en DCO/mg de MOB exprimee en solides volatils dissous, 4,16 x 10-7 mg DCO/cellule et 2,67 mg acétate exprimé en DCO/mg de C-acétate. Un ensemble de courbes typiques pour le modèle est présenté aux figures 1 et 2. La figure 1 montre les résultats obtenus pour un substrat facilement dégradable tandis que la figure 2 présente ceux obtenus pour un substrat difficilement dégradable. Dans les deux cas, la biomasse s'accroît graduellement pour atteindre un maximum, puis rediminue. Les vitesses et intensités de réaction dépendent toutefois beaucoup des cinétiques de dégradation de la MOB. Les deux figures traduisent l'accumulation continue des PMS, qui représentent des proportions respectives de 43% et 30% de la MOB d'origine pour les substrats facilement et difficilement dégradables. L'accumulation des PMS est importante, car la courbe de décroissance du COD est le résultat net de la MOB consommée moins les PMS accumulés. Ceci implique que le changement dans le niveau de COD, qui représente le paramètre de contrôle pour les tests CODB, n'égale pas la MOB vraie. Le CODB mesuré ne représenterait plutôt que 50 à 60 % de la MOB d'origine. La figure 3 montre la relation qui existe entre le CODB et la MOB pour les deux types de substrats. Le CODB n'est pas égal à la MOB, ce qui est démontré par l'écart observé par rapport à la droite d'équivalence de pente 1. Cette différence est due à deux phénomènes: I'accumulation des PMS dépend de la MOB, tandis que l'écart entre les deux types de substrat est le résultat des courbes s'approchant de Smin sur l'axe de la MOB, lorsque le CODB tend vers zéro. Ce résultat est significatif, car des études ont démontré que la MOB dans les eaux brutes contient surtout des substrats difficilement dégradables (LECHEVALLIER et al., 1991). Ainsi, faire l'hypothèse que le CODB soit égal à la MOB pour les substrats difficilement assimilables se traduirait par une importante sous-estimation de la MOB dans l'échantillon. La figure 4 montre la relation observée entre la biomasse maximum, employée avec les tests COA (carbone organique assimilable), et la vraie MOB pour les deux substrats. Cette figure présente aussi l'étalon de calibration proposé par van ter Kooij et al (1982), qui convertit le nombre de cellules en C-acétate (4,1 x 10 6 cellules par mg C-acétate). Ni le substrat facilement utilisable ni le substrat difficilement utilisable, ne s'approche de la courbe de calibration. Ces écarts sont causés par la variation du premier ordre en ordre zéro de l'équation de Monod et aussi parce que les courbes approchent le Smin où la croissance des cellules est presque nulle. Lorsque la MOB dans l'échantillon est principalement constituée d'un substrat difficilement dégradable, I'usage d'un étalon d'acétate produit une forte sous-estimation de la MOB vraie. La figure 5 montre la relation directe entre le CODB et le COA pour les deux types de substrats. L'augmentation du rapport CODB/COA avec la diminution de la MOB s'explique par le fait que la biomasse tend vers une croissance zéro lorsque la MOB s'approche de Smin. Cette figure démontre clairement qu'il existe une différence fondamentale entre les mesures des tests CODB et COA, lorsque la MOB tend vers Smin. Toutefois, le rapport CODB/COA est presque unitaire dans le cas du substrat facilement dégradable, quand la MOB se situe à l'intérieur des limites de détection pour le dosage du CODB (environ 100 mg/l à la figure 5). Ainsi, il est possible d'obtenir le même résultat avec les deux types de tests. Le modèle permet aussi d'examiner l'effet des concentrations en biomasse initiale pour une [MOB] fixée. Pour un substrat facilement dégradable, qui est entièrement consommé en présence d'un faible inoculum, la modélisation montre que le CODB et la biomasse maximum ne sont pas affectés. Cependant, le résultat diffère pour un substrat difficilement dégradable qui n'est pas entièrement consommé avec un inoculum de faible densité. Tel que présenté à la figure 6, le CODB et la biomasse maximum augmentent fortement avec la densité de l'inoculum. Cet effet est dû à la faible croissance de la biomasse qui survient en présence d'un inoculum de faible densité; la biomasse maximum et le COD minimum sont atteints après 30 jours. Avec un inoculum important, la biodégradation survient plus rapidement et le CODB maximum est atteint avant 30 jours.

Les défis actuels dans l'utilisation des méthodes de contrôle non destructif (CND) non instrumentales telles que le ressuage ou la magnétoscopie gravitent autour de la réduction des déchets, de la pollution, les aspects liés à l'hygiène et à la sécurité, ainsi que le coût global et la pérennité de la disponibilité des produits. Des pictogramme H&S comme ‘GHS 08’ doivent disparaître, une simplification de la gestion du traitement des déchets doit s’opérer. Les consommables proposés doivent également s’inscrire dans des démarches de dérisquage pour une disponibilité mondiale notamment pour le secteur aéronautique, éclaté en termes de sites de productions. Les consommables ‘biodégradables’ apportent des solutions en ressuage ; il est utile pour les décideurs de connaitre, au-delà de l’appellation, ce qu’est un produit annoncé comme tel et comment aborder la problématique de la réduction des traitements des effluents, poste coûteux et non productif. Les tests et normes utiles pour décrire, mesurer, et réglementer la biodégradation sont diverses, le secteur du CND utilise la norme ISO 9888 et le test OCDE 302B (Organisation de coopération et de développement économiques) qui s’applique aux matières dissoutes dans l’eau, comme les effluents de ressuage - après le rinçage- de l’excès de pénétrant directement lavable à l’eau et non aux produits purs. Cela se limite aux pénétrants non à post-émulsion et sans base pétrole : la base des produits biodégradable est ainsi aqueuse ou à tensioactifs synthétiques solubles. Les pénétrants à pré-émulsion sont exclus. L’absence de distillat pétrolier s’émulsionnant au rinçage est bénéfique aux mentions de la Fiche de Données de Sécurité avec la disparition du pictogramme GHS08 ‘danger pour la santé’ et mentions de dangers associées. Le remplacement du pétrole se fait par des bases aqueuses ou de synthèse. Les bases aqueuses ne rendent pas forcément le pénétrant moins cher car l’eau étant un mauvais agent capillaire, il faut fortement la ‘doper’ pour que le pénétrant soit efficace et résiste au sur-lavage lors du rinçage … à l’eau ! D’autres problématiques de mouillabilité et de rétractation des pénétrants biodégradables peuvent exister ; l’utilisation de pénétrants biodégradables nécessite des préparations de surface plus poussées qu’avec des pénétrants classiques ce qui est un désavantage. L’avantage se situe au niveau des rejets, le principe de biodégradation est le fractionnement des chaines moléculaires, jusqu’aux niveaux CO2 et H2O, des substances du pénétrant - essentiellement composés de carbone et d’hydrogène – par oxydation et dégradation par des bactéries qui s’en nourrissent. Ces bactéries vivent dans l’eau et sont utilisées dans les stations d’épurations publiques (STEP) : l’industriel peut demander une autorisation ou une convention de rejet. Il ne faut évidemment pas rejeter en pleine nature : ça ne fonctionnera pas ! Les chiffres et unités permettant d’évaluer la biodégradabilité sont la Demande Chimique en Oxygène (DCO, représentant la totalité de la matière organique oxydable), la demande biologique en oxygène en 5 jours (DBO5, représentant la capacité des bactéries à dégrader rapidement les produits qui leur sont présentés), et la dégradation de la majorité de l’effluent en 7j ainsi que de sa quasi-totalité en 27j maximum. Selon le niveau de charge supportée (débit maximum, résultats de dépollution, capacité en Équivalent Habitant versus la charge entrante) la STEP peut délivrer une convention ou une autorisation de rejet, qui sera surveillée.

L'impact environnemental des plastiques conventionnels conduit à un développement et à un déploiement de matériaux alternatifs comme les plastiques biodégradables. Ces plastiques biodégradables ont pour avantage, par rapport aux plastiques conventionnels, de pouvoir être traités en filière de recyclage organique (méthanisation ou compostage). Cependant, l'étude de la fin de vie des plastiques biodégradables en méthanisation en est encore à ses débuts. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est d'étudier le devenir de ces matériaux en digestion anaérobie (DA) mésophile et thermophile, leurs performances de biodégradation et les microorganismes qui sont impliqués dans leur biodégradation. Des expérimentations de DA en mode batch ont été réalisées sur les principaux polymères biodégradables (PHB, PLA, PCL, PBAT, TPS, PBS) et sur trois mélanges commerciaux, en conditions mésophiles et thermophiles. Seul le poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) et l'amidon thermoplastique (TPS) ont présenté une conversion en méthane rapide (25-50 jours) et importante (57-80,3% et 80,2-82,6%, respectivement). Des bactéries précédemment identifiées comme des dégradeurs de PHB (i.e., Enterobacter, Ilyobacter delafieldii et Cupriavidus) ont été observées pendant la dégradation mésophile et thermophile du PHB. De la même manière, des bactéries dégradant l'amidon (du genre Clostridium) ont été retrouvées lors de la dégradation thermophile et mésophile du TPS. La cinétique de biodégradation du PLA était très lente en conditions mésophiles (500 jours pour une biodégradation du PLA de 74.7 à 80.3%). La condition thermophile était beaucoup plus favorable (60 à 100 jours pour la même biodégradation). Les bactéries consommatrices de lactate, comme Tepidimicrobium, Moorella et Tepidanaerobacter ont été mises en évidence durant la dégradation thermophile du PLA. La faible cinétique de biodégradation de la plupart des plastiques biodégradables dans les digesteurs anaérobies mésophiles est un obstacle majeur à leur introduction à l'échelle industrielle. Des prétraitements thermiques (120 ou 150 °C) et thermo-alcalins (70 °C ou 90 °C avec ajout d'hydroxyde de calcium) ont été mis en œuvre avec succès sur le PLA qui représente 25% de la production de plastique biodégradable. Ces traitements permettaient d'atteindre un rendement de biodégradation de 73% après 15-20 jours.La stabilité et les performances de la co-digestion du PHB et du PLA (avec et sans prétraitement) avec des biodéchets en conditions mésophiles ont ensuite été validés à l'échelle pilote semi-continu afin d’être plus représentatif de la réalité industrielle. L'ajout de plastiques biodégradables a donné lieu à un processus plus stable par rapport à la condition biodéchets seul et aucun effet négatif n'a pu être détecté. Une biodégradation complète du PHB a été mesurée alors que le PLA s'est accumulé dans le réacteur, et une biodégradation moyenne de 47,6 % a été estimée pendant le troisième temps de rétention hydraulique. Le prétraitement thermo-alcalin du PLA a amélioré le rendement de biodégradation à 77,5%. Enfin, une zone d'ombre autour de la qualité et de l'innocuité des digestats ayant traités des plastiques biodégradables subsiste, celle-ci devra être impérativement levée dans un avenir proche
Growing concern regarding non-biodegradable plastics and the impact of these materials on the environment has promoted interest in biodegradable plastics. Biodegradable plastics offer additional waste management options (e.g., anaerobic digestion or composting) over conventional plastics. However, the treatment of biodegradable plastics under anaerobic digestion is only in its infancy. Therefore, the aim of this thesis was to investigate the fate of biodegradable plastics in anaerobic digestion systems and the microorganisms involved in the plastic conversion to methane.For this purpose, batch anaerobic digestion experiments were performed on the main biodegradable polymers and on three commercial blends of biodegradable polymer, under both mesophilic and thermophilic conditions. Only Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and Thermoplastic starch (TPS) exhibited rapid (25-50 days) and important (57-80.3% and 80.2-82.6%, respectively) conversion to methane under both mesophilic and thermophilic condition. Methane production rates from poly(lactic acid) (PLA) was very low under mesophilic condition, to such an extent that 500 days were required to reach the ultimate methane production, corresponding to a PLA conversion to methane of 74.7-80.3%. Methane production rate from PLA was greatly enhanced under thermophilic condition since only 60 to 100 days were required to reach the same ultimate methane production. Lactate-utilizing bacteria such as Tepidimicrobium, Moorella and Tepidanaerobacter were revealed to be important during the thermophilic digestion of PLA. Similarly, starch-degrading bacteria (from Clostridium genus) were highlighted during TPS digestion at 38 °C and 58°C. Previously known PHB degraders (i.e., Enterobacter, Ilyobacter delafieldii and Cupriavidus) were observed during mesophilic and thermophilic AD of PHB. The low biodegradation rate of most of the biodegradable plastics in mesophilic anaerobic digesters is a major hindrance to their introduction at industrial scale. Thermal (at 120 or 150 °C) and thermo-alkaline (at 70°C or 90 °C with calcium hydroxide addition) pretreatments were successfully implemented on PLA. These strategies were tested on PLA, which is one of the main biodegradable polymer, accounting for 25% of the biodegradable plastic production. PLA pretreated with these treatments, achieved biodegradation yield of 73% after 15-20 days; a similar biodegradation yield was obtained after 500 days for untreated PLA.PHB and PLA are among the most studied polymer to replace conventional plastics. Finally, the stability and performances of the co-digestion of these plastics (with and without PLA pretreatment) with food wastes fed semi-continuously under mesophilic conditions was investigated. The addition of biodegradable plastics resulted in a more stable process (in comparison with stand-alone biowastes reactor) and no negative effects could be detected. PHB was estimated to be fully biodegraded in the reactors. By contrast, PLA was accumulating in the reactor, and an average biodegradation of 47.6% was estimated during the third hydraulic retention time. Thermo-alkaline pretreatment of PLA improved the biodegradation yield of PLA to 77.5%. The identification of specific microorganisms implicated in the biodegradable plastic degradation was complicated; the majority of the microorganisms correlated with the methane production from reactors co-digesting PLA and PHB were implicated in the anaerobic digestion of the biowaste, which can be explained by the low proportion of biodegradable plastics introduced

Le but de nos travaux est de mettre au point un milieu solide inerte à base de Vermiculite (matériau 100% minéral) qui permette une meilleure répétabilité que les tests en compost mais aussi de simuler la biodégradation dans le compost et d'établir des bilans carbone complets. L'amidon a été utilisé dans un premier temps comme polymère biodégradable " modèle ". Nous avons pu montrer que la dégradation de l'amidon dans un milieu solide inerte activé est en tous points similaire à celle observée dans le compost. Nous avons ensuite établi un bilan carbone par diverses techniques d'extraction et d'analyse courantes avec une précision satisfaisante. Dans un second temps, plusieurs protocoles d'extraction des sous-produits de dégradation ont été mis au point pour le bilan carbone de la dégradation du PLA. Une méthode satisfaisante basée sur l'hydrolyse du polymère dans la soude et le dosage de l'acide lactique libéré, nous a permis de suivre la disparition du polymère du milieu. Ainsi nous avons suivi l'évolution des différents termes du bilan carbone dans le temps, biomasse, produits solubles dans l'eau, polymère non dégradé et carbone minéralisé en CO2. Une méthode différente a été adoptée pour le bilan carbone de la biodégradation du PHB. Ces travaux ont permis de mettre en évidence les points clefs sur lesquels les futures expériences devront porter pour permettre une généralisation des méthodes d'estimation du bilan carbone en milieu solide inerte
The purpose of our research was to set up a vermiculite based inert solid medium which allows us to enhance reproductibility of biodegradation tests in compost, to simulate degradation of materials in compost and to establish carbon balance. In a first step, wheat starch has been used as a model biodegradable polymer and we have shown that degradation of this product in an inert solid medium was similar to the degradation in compost. A carbon balance has been established with a satisfactory accuracy. In a second step, we have applied the method to the degradation of synthetic biodegradable polymer such as PLA of PHB. A carbon extraction protocol based on PLA hydrolysis in NaOH has been proposed and we have followed the evolution of the various terms of the PLA degradation carbon balance, Biomass, carbon dioxide, soluble by-products and remaining polymer. A different protocol has been proposed of PHB based on biomass oxidation but it still needs some improvement. This work constitutes a first approach in polymer inert solid media degradation tests and it highlights the fundamental steps which further work should be focused on

Cette thèse a pour objectif l'élaboration d'un plastique biodégradable à partir d'amidon. L'amidon est attrayant pour une telle application, cependant ses propriétés intrinsèques constituent un frein important pour le développement de tels matériaux. Parmi les méthodes disponibles pour résoudre ces problèmes, nous avons choisi d'étudier la modification chimique de l'amidon par l'acide formique. Dans une première partie, nous avons étudié la formylation de l'amidon. Nous avons examiné l'influence de divers paramètres réactionnels sur les propriétés physico-chimiques et structurales de l'amidon. Nous avons ensuite étudié les propriétés des mélanges amidon/poly(caprolactone) ainsi que leur biodégradabilité
This thesis was dedicated to the elaboration of a starch-based biodegradable plastic material. Starch is quite attractive for such an application, however its intrinsic properties are a drawback for the development of these materials. Among the available methods to overcome this problem, we chose to investigate the chemical modification of starch using formic acid. We firstly studied O-Formylation of starch. We assessed the influence of various reaction parameters on the physico-chemical and structural properties of starch. We then studied

La transformation et la formulation du maïs plante entière ont été étudiées pour obtenir un nouveau matériau composite biodégradable pouvant être mis en forme par injection moulage. Le maïs plante entière est constitué d'une fraction thermoplastifiable d'amidon et de protéines et d'une fraction de fibres lignocellulosiques qui le prédisposent à la réalisation d'agromatériaux. Le traitement thermo-mécano-chimique de la matière est réalisé dans un extrudeur bi-vis. La transformation en milieur faiblement hydraté est étudiée dans des conditions d'extrusion contrôlées et pour un profil de vis comprenant une zone de malaxeurs et une zone de contr-filets. Pour chaque zone fonctionnelle de l'extrudeur, le taux de transformation des extrudats est corrélé aux temps de séjours locaux et aux énergies spécifiques délivrées à la matière. En sortie d'extrudeur, le maïs plante entière se présente sous la forme d'une matrice thermoplastique d'amidon déstructuré dans laquelle les fibres lignocellulosiques sont réparties de façon homogène. La mise en forme des extrudats de maïs plante entière est réalisée dans une presse à injecter de 90T de force de fermeture. La matière, plastifiée uniquement avec de l'eau, est injectée entre 110 et 150°C, pour une humidité supérieure à 16%. La substitution d'une partie de cette eau de plastification par un plastifiant moins volatil, diminue le retrait post-injection et améliore la stabilité dimensionnelle des pièces. La déstructuration chimique à la soude de la fraction lignocellulosique du maïs plante entière, augmente la fluidité de la matière. L'introduction dans la formulation de savons d'huile de pins, diminue les interactions à l'interface matériau/moule, favorisant ainsi le démoulage. La transformation du maïs plante entière selon ce procédé, conduit à des objets moulés dont les propriétés mécaniques mécaniques sont proches de celles des plastiques usuels.

Le développement de plastiques biodégradables par incorporation d’enzyme est une des solutions potentielles aux problèmes croissants des déchets ménagers et industriels. L’objectif de cette thèse est de développer quatre méthodes d’encapsulation pouvant offrir une protection à ces enzymes. La première méthode consiste à former des microsphères n acide polylactique (PLA), constituant important des plastiques. Cette méthode traditionnelle consiste à créer une solution organique de PLA, l’émulsionner dans l’eau et évaporer le solvant
The development of biodegradable plastics by incorporating of enzymes is one of the potential solutions to the growing problems of domestic and industrial wastes. The objective of this thesis is to develop four existing encapsulation methods providing protection for the enzymes used in biodegradable plastics. The first method consist of forming polylacticacid (PLA) microspheres by using encapsulation by solvent evaporation

Des produits de consommation de première nécessité aux produits les plus fortuits, l'emballage, en particulier plastique, constitue aujourd'hui un élément indispensable de notre vie quotidienne. Son utilisation intensive dans le domaine agroalimentaire pour un usage unique à courte durée de vie incite aujourd'hui à s'orienter vers de nouveaux matériaux d'origine renouvelable et biodégradables, aux caractéristiques similaires que leurs homologues issus des ressources fossiles. Les mélanges à base de biopolymères et de biopolyesters peuvent être une bonne alternative. Dans ce présent travail de thèse, des mélanges de farine de blé, thermoplastifiée par du glycérol et de l'eau, et des polyesters biosourcés et biodégradables tels que le PLA et/ou le PHB ont été obtenus par extrusion bivis et moulés par injection thermoplastique. Les caractéristiques thermiques, thermomécaniques dynamiques, morphologiques, mécaniques et barrières de ces nouveaux matériaux ont été étudiés. De l'acide citrique a été utilisé comme agent de compatibilisant pour améliorer l'interface amidon/PLA. Les différentes investigations nous ont permis de mettre au point différents types de formulations aux caractéristiques mécaniques et barrières à la vapeur d'eau intéressantes pour la fabrication de corps de barquettes d'emballage alimentaire de denrées périssables comme la viande ou les fromages. L'aptitude au contact alimentaire des matériaux farine thermoplastifiée/polyester et l'impact de l'incorporation des polyesters sur la biodégradabilité de ces matériaux ont également été étudiés
From basic and essential to unnecessary and optional consumer products, packaging, particularly plastic, is today an indispensable part of our daily life. Its extensive use in the food industry for a single use and for a short shelf-life encourages us today to move towards new renewable and biodegradable materials with similar characteristics than their counterparts from fossil resources. Biopolymers and biopolyesters blends can be a good alternative. Within the framework of this present work, wheat flour, thermoplasticised by glycerol and water, and biobased and biodegradable polyesters such as PLA and/or PHB, were blended using an industrial twin screw extruder and were injection-molded into thermoplastic materials. Thermal, dynamic thermomechanical, morphological, mechanical and barriers properties of these new materials were studied. Citric acid was used as a compatibilizer to improve the interface starch/PLA. The different investigations have allowed us to develop various types of formulations, with mechanical characteristics and barrier properties to water vapor, very attractive for manufacturing plastic food packaging which can be used for meats or cheeses. Food contact suitability and biodegradability of thermoplasticised wheat flour/polyester materials have also studied

La mondialisation des marchés, les changements d’habitudes de consommation et les préoccupations croissantes concernant la sécurité alimentaire et l’environnement sont des éléments moteurs pour le développement des films d’emballage comestibles/biodégradables antimicrobiens. Une utilisation en masse de ce type de film est dépendante principalement des verrous technologiques car le mode de fabrication actuellement utilisé pour ce genre de film consiste à utiliser un procédé (voie solvant) qui n’est pas toujours adapté à une production importante et continue. L’étude présentée ici permet de montrer la possibilité d’obtenir des films comestibles antimicrobiens à partir de caséinate de sodium en utilisant les procédés traditionnels de la plasturgie : extrusion bi-vis et extrusion-gonflage. Grâce aux optimisations des paramètres d’élaboration tels que la température de transformation, le taux de cisaillement et le taux de plastifiant, les matériaux contenant un agent actif naturel : le lysozyme, la nisine ou la natamycine ont gardé en partie leurs activités antimicrobiennes. Par des caractérisations mécaniques et physico-chimiques des films thermoplastiques, il a été démontré que ces films ont des propriétés mécaniques et barrières similaires à ceux fabriqués par voie solvant. Ces propriétés dépendent principalement du taux de plastifiant. Ainsi, il est possible de fabriquer des films comestibles antimicrobiens de caséinate de sodium avec de bonnes propriétés mécaniques et barrières qui ne sont pas affectées par la transformation thermomécanique et qui peuvent être adaptées en fonctions des applications en variant le taux de plastifiant
Because food market becomes international, consumers are changing their habits and they are more concerned about food security and environmental issues, there are driving forces for the development of edible/biodegradable antimicrobial packaging films. However, fabrication process (solution-casting) of these kinds of films isn’t always suitable for a continuous industrial big production. The present study demonstrates the suitability of sodium caseinate based edible antimicrobial films to be fabricated by some conventional plastic transformation processes: twinscrew extrusion and blown-film extrusion. Thanks to the optimizations of elaboration parameters such as extrusion temperature, shear and plasticizer ratio, the materials incorporated with one of the following active agents: lysozyme, nisin or natamycin, partially kept their antimicrobial activity. Physical-chemical film characterization of films emphasized that the type of transformation process doesn’t have any influence on tensile or gas barrier properties. These properties are mainly affected by plasticizer type and content. Thus, sodium caseinate based edible antimicrobial films can be produced successfully by thermo-mechanical processes without losing good mechanical and gas barrier properties

De nos jours, les déchets plastiques ont envahi l’ensemble des écosystèmes marins du monde en n’épargnant aucune zone. La demande mondiale de plastique ne cesse de croitre d’année en année, malgré l’impact dramatique qu’il provoque sur l’environnement lorsqu’il est laissé dans la nature. On estime que chaque année entre 4.8 et 12.7 millions de tonnes de plastiques finissent dans les océans. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de cette urgence environnementale, en permettant de mieux identifier les biofilms bactériens attachés aux différents plastiques (« plastisphère) et de mieux caractériser le phénomène de biodégradation de certains polymères en milieu marin. Dans un premier temps, l’analyse d’échantillons prélevés pendant deux expéditions (l’expédition Tara-Méditerranée et Tara-Pacifique) ont permis de caractériser la biogéographie des biofilms bactériens spécifiques des plastiques. Cette comparaison a permis de mettre en évidence une niche écologique à la surface des plastiques distincte de l’eau environnante, nettement influencé par la géographie, expliqué principalement par la température. L’étude taxonomique a permis de mettre en évidence un « core microbiome », dominé par un genre de cyanobactérie (Rivularia sp.) et des familles connues (Rhodobacteraceae et Flavobacteraceae) comme étant colonisateurs de plastique en milieu marin. Dans un second temps, la colonisation bactérienne sur différents polymères a été étudiée grâce à des aquariums en circuit ouvert sur la baie de Banyuls. Le processus de biodégradation a été étudié en milieu artificiel sans source de carbone que le polymère, imitant l’environnement marin et en suivant plusieurs paramètres expérimentaux. Dans notre étude aucune spécificité des communautés microbiennes liées à la nature des polymères a été observée pendant la phase de croissance du biofilm. Le processus de biodégradation à pu être mis en évidence sur certains polymères tels que le PHBV, Bioplast, Mater-Bi et la cellulose grâce notamment à une activité bactérienne maintenue tout au long de l’incubation. Dans un troisième temps, une souche provenant du biofilm mature du PHBV a pu être isolée pour étudier spécifiquement son processus de biodégradation. L’analyse du génome d’Alteromonas sp., a révélé la présence de 4 dépolymérases dont 3 externes et 1 interne, expliquant sa capacité à dégrader le PHBV. L’étude du génome a aussi permis de mettre en évidence deux voies de synthèse des PHA l’une permettant la synthèse de PHASCL et l’autre de PHAMCL. Enfin, l’étude de la biodégradation du PHBV par un consortium naturel a été approfondi grâce à un marquage isotopique du polymère. Cette nouvelle expérimentation couplée à une analyse métagénomique a permis d’étudier des communautés fonctionnelles pouvant assimiler le carbone du polymère. Les travaux menés durant cette thèse permettent de mieux identifier les biofilms bactériens se développant à la surface de polymères biodégradables et non dégradables, et également d'affiner la caractérisation du processus de biodégradation en milieu marin grâce à l'utilisation de différents paramètres tels que la production bactérienne, la respiration, la perte de poids, le suivi de l’assimilation du carbone marqué ou l’imagerie en microscopie. Ces études sont primordiales pour mieux comprendre le processus de biodégradation des plastiques en mer et ainsi proposer des adaptations aux normes de standardisations régissant l’environnement marin et actuellement peu représentative
Nowadays, plastic waste has invaded all of the world's marine ecosystems, sparing no area. The global demand for plastic continues to grow year after year, despite its dramatic impact on the environment when plastic is left in nature. It is estimated that each year between 4.8 and 12.7 million tonnes of plastics end up in the oceans. This PhD aims and works fall within the framework of this environmental emergency, by making possible to better identify the bacterial biofilms attached to different plastics (the so called "plastisphere) and to better characterize the biodegradation process of certain polymers in the marine environment. The first stage, was to analyse the microbial diversity of samples taken during two expeditions (the Tara-Mediterranean expedition and Tara-Pacific) in order to characterize the biogeography of bacterial biofilms specific to plastics. The comparison between samples from the Pacific and the Mediterranean see allow to highlight an ecological niche on the surface of plastics distinct from the surrounding water. Niche which is clearly influenced by geography, explained mainly by temperature. The taxonomic study revealed a "core microbiome" dominated by a genus affiliated to the cyanobacteria and families (Rhodobacteraceae and flavobacteraceae) known to be colonizers of plastic in the marine environment. Then, the bacterial colonization on different polymers was studied in aquarium using uninterrupted circulation of seawater collected continuously from the Banyuls Bay. The biodegradation process was studied using an artificial environment without any other carbon source than the polymer in order to mimic the marine environment, and by following several experimental parameters (Bacterial production, respiration, loss of mass). In our study we observed during the growth phase of the biofilm no specific microbial communities related to the nature of the polymers. The biodegradation process has been demonstrated on certain polymers such as PHBV, Bioplast, Mater-Bi and cellulose, in particular due to the bacterial activity maintained throughout the incubation. Next, a strain Alteromonas sp., isolated from the mature biofilm of the PHBV allow us to explore its biodegradation capabilities. The analysis of the genome of Alteromonas sp. revealed the presence of 4 depolymerases, with 3 external and 1 internal, explaining its ability to degrade PHBV. The study of the genome also revealed two pathways for the PHA synthesis, one allowing the synthesis of PHASCL and the other of PHAMCL. Finally, the study of the biodegradation of PHBV by a natural consortium was done using isotopic labelling of the polymer. This experiment, coupled with metagenomic analysis, allowed the study of functional communities that can assimilate the carbon of the polymer. Thus, this PhD work enhanced the identification of the bacterial communities inhabiting the biofilms developed on the surface of polymers (biodegradable and non-degradable), and also to refine the characterization of the biodegradation process in the marine environment owing the use of various parameters such as the bacterial production, respiration, weight loss, monitoring of labeled carbon and microscopy. These studies are essential for a better understanding of the biodegradation process of plastics at sea and thus to propose adaptations to the standards methods governing the marine environment and currently not very representative

Le styrène et l'acrylonitrile sont deux composés toxiques pour l'environnement. La sélection de microorganismes spécifiques est une étape essentielle pour leur biodégradation. Le styrène étant très peu soluble dans l'eau (30mg/l), nous avons travaillé en milieu biphasique constitué de deux phases liquides non miscibles : 80% milieu de base salin et 20% huile de silicone. La présence de la phase organique a permis de lever l'inhibition par excès de styrène dont la dose létale est de 70 mg/l. La population mixte sélectionnée est composée de 9 souches bactériennes (S1-S9) dont deux sont inclassables par l'Institut Pasteur (S2 et S7). Cette culture dégrade le mélange styrène-acrylonitrile comme seule source de carbone et d'énergie avec une vitesse de biodégradation de 295 mg/l. H. Le rendement en biomasse est de 0,80 g/g. La sélection en batch, sur styrène seul comme source de carbone, a permis d'obtenir une population mixte de 4 souches bactériennes (C1-C4). Dans les conditions optimales (30 degrés C, pH 6,0 et 500 rpm) ce consortium bactérien dégrade le styrène avec une vitesse de biodégradation de 230 mg/l. H et un rendement en biomasse de 0,96g/g. Le taux de croissance maximum des microorganismes est de 0,15h-1. La sélection en chemostat sur styrène est réalisée à des taux de dilution croissants de 0,05 à 0,32 h-1. Dès D égal 0,15 h-1, seule Pseudomonas aeruginosa subsiste dans le milieu. Cette souche a un taux de croissance maximum de 0,30 h-1, ce qui correspond à un temps de doublement de 2,3 h. A des temps de séjour hydrauliques faibles de l'ordre de 5h, Pseudomonas aeruginosa transforme le styrène avec une activité spécifique de 293 mg/g. H et une vitesse de biodégradation de 500 mg/l. H. De telles performances sont très intéressantes à appliquer en industrie pour l'épuration d'effluents pollués en styrène et/ou acrylonitrile.