Bioplastics are emerging on the market as sustainable materials which rise to the challenge to improve the lifecycle of plastics from the perspective of the circular economy. The article aims at providing a critical insight of research studies carried out in the last 20 years on the degradation of bioplastics under aerobic composting and anaerobic digestion conditions. It mainly focuses on the various and different methodologies which have been proposed and developed to monitor the process of biodegradation of several bioplastic materials: CO<jats:sub>2/jats:sub and CH<jats:sub>4/jats:sub measurements, mass loss and disintegration degree, spectroscopy, visual analysis and scanning electron microscopy. Moreover, across the wide range of studies, the process conditions of the experimental setup, such as temperature, test duration and waste composition, often vary from author to author and in accordance with the international standard followed for the test. The different approaches, in terms of process conditions and monitoring methodologies, are pointed out in the review and highlighted to find significant correlations between the results obtained and the experimental procedures. These observed correlations allow critical considerations to be reached about the efficiency of the methodologies and the influence of the main abiotic factors on the process of biodegradation of bioplastics.
Titre de la review
Méthodologies d'évaluation de la biodégradation des bioplastiques lors du compostage et de la digestion anaérobie : une revue
Méthodologies d'évaluation de la biodégradation des bioplastiques lors du compostage et de la digestion anaérobie : une revue
Résumé de la review
Cette revue présente une synthèse des recherches menées en laboratoire et sur des sites pilotes pour évaluer le devenir des bioplastiques pendant le compostage aérobie (CA) et la digestion anaérobie (DA). Les auteurs donnent une vue d'ensemble des méthodes utilisées par différentes études pour suivre et mesurer la biodégradation des bioplastiques. En général 2 méthodes ou plus sont appliquées dans une même étude pour mesurer la biodégradation et plusieurs auteurs utilisent les mêmes sous différentes conditions. À cette fin, la revue vise d'une part à comparer les résultats et l'efficacité des différentes méthodes et d'autre part à discuter les facteurs affectant la biodégradation des bioplastiques en CA et en DA.
Le compostage aérobie
Il consiste en l'oxydation des matériaux, laissés en présence d'O2, avec rejet d'H2O et de CO2. Une aération suffisante est nécessaire pour permettre l'oxygénation et évacuer l'excès d'humidité.
La review liste les études qui utilisent des méthodes normalisées ou non pour le suivi du compostage. Les essais de ces études sont faits à une humidité de 50-55%, soit en conditions thermophiles (58-65°C) soit avec une phase thermophile suivie d'une phase à température ambiante. Ils peuvent durer de 30 à 130 jours. Les quantités (100 mL à 200 L) et la composition des composts (nature des déchets, âge) sont très variables selon les études.
La digestion anaérobie
Elle est appliquée à la fraction organique des déchets municipaux solides (FODMS) et aux boues issues de l'épuration de l'eau et implique des communautés bactériennes complexes.
La DA conduit à la production de biogaz (CH4, CO2 et H2). Les paramètres suivis dans les différents essais sont la température, l'ammoniac, les acides gras volatiles et le biogaz produit.
Méthodes pour suivre la dégradation des bioplastiques
Mesures de CO2 et CH4
Ces méthodes fournissent un pourcentage de biodégradation par la mesure du carbone organique transformé en CO2 (CA et DA) et CH4 (DA uniquement). Il s'agit de méthodes de respirométrie cumulative, de respirométrie gravimétrique.
Il résulte de ces essais que la biodégradation est plus complète (>70%) en conditions thermophiles.
Spectroscopie
Elle est utilisée pour évaluer la biodégradation par l'analyse des variations du spectre des bioplastiques. En particulier le spectre infrarouge est considéré. Il est étudié par résonance magnétique nucléaire (RMN) ou par réflectance totale atténuée (RTA).
Perte de masse
Elle est étudiée par mesure de la diminution du poids moléculaire, perte de masse expérimentale ou par le degré de désintégration.
Analyse visuelle
Elle est utilisée en complément d'autres méthodes, pour confirmer le résultat. Les critères d'évaluation sont la distribution de la taille des particules de bioplastiques restantes et les signes de colonisation microbienne.
Qualité du compost
Ces mesures visent à étudier la composition chimique et la phytotoxicité du compost pour établir la sûreté ou la dangerosité pour l'environnement, la faune du sol et l'eau. Les études qui ont recouru à ces analyses ont obtenu des résultats en adéquation avec les exigences standards. La revue souligne cependant le risque posé par la croissance des concentrations de bioplastiques dûs à l'augmentation de la production.
Conclusions
En général, deux méthodes ou plus sont utilisées afin de détecter les écarts entre résultats ou de confirmer ces résultats. Les études basées sur les mêmes méthodes permettent des comparaisons entre conditions expérimentales et la formation d'hypothèses sur le rôle de ces conditions.
Il apparaît que la température est un facteur clé de la biodégradation, en particulier lors d'une phase thermophile initiale, pour l'hydrolyse des polymères non assimilables par les microorganismes.
Les conditions à réunir pour la biodégradation confirment l'importance de jeter les bioplastiques avec la FODMS, les composteurs et digesteurs industriels étant les plus à mêmes de fournir ces conditions (température, humidité, temps requis).
Cette revue présente une synthèse des recherches menées en laboratoire et sur des sites pilotes pour évaluer le devenir des bioplastiques pendant le compostage aérobie (CA) et la digestion anaérobie (DA). Les auteurs donnent une vue d'ensemble des méthodes utilisées par différentes études pour suivre et mesurer la biodégradation des bioplastiques. En général 2 méthodes ou plus sont appliquées dans une même étude pour mesurer la biodégradation et plusieurs auteurs utilisent les mêmes sous différentes conditions. À cette fin, la revue vise d'une part à comparer les résultats et l'efficacité des différentes méthodes et d'autre part à discuter les facteurs affectant la biodégradation des bioplastiques en CA et en DA.
Le compostage aérobie
Il consiste en l'oxydation des matériaux, laissés en présence d'O2, avec rejet d'H2O et de CO2. Une aération suffisante est nécessaire pour permettre l'oxygénation et évacuer l'excès d'humidité.
La review liste les études qui utilisent des méthodes normalisées ou non pour le suivi du compostage. Les essais de ces études sont faits à une humidité de 50-55%, soit en conditions thermophiles (58-65°C) soit avec une phase thermophile suivie d'une phase à température ambiante. Ils peuvent durer de 30 à 130 jours. Les quantités (100 mL à 200 L) et la composition des composts (nature des déchets, âge) sont très variables selon les études.
La digestion anaérobie
Elle est appliquée à la fraction organique des déchets municipaux solides (FODMS) et aux boues issues de l'épuration de l'eau et implique des communautés bactériennes complexes.
La DA conduit à la production de biogaz (CH4, CO2 et H2). Les paramètres suivis dans les différents essais sont la température, l'ammoniac, les acides gras volatiles et le biogaz produit.
Méthodes pour suivre la dégradation des bioplastiques
Mesures de CO2 et CH4
Ces méthodes fournissent un pourcentage de biodégradation par la mesure du carbone organique transformé en CO2 (CA et DA) et CH4 (DA uniquement). Il s'agit de méthodes de respirométrie cumulative, de respirométrie gravimétrique.
Il résulte de ces essais que la biodégradation est plus complète (>70%) en conditions thermophiles.
Spectroscopie
Elle est utilisée pour évaluer la biodégradation par l'analyse des variations du spectre des bioplastiques. En particulier le spectre infrarouge est considéré. Il est étudié par résonance magnétique nucléaire (RMN) ou par réflectance totale atténuée (RTA).
Perte de masse
Elle est étudiée par mesure de la diminution du poids moléculaire, perte de masse expérimentale ou par le degré de désintégration.
Analyse visuelle
Elle est utilisée en complément d'autres méthodes, pour confirmer le résultat. Les critères d'évaluation sont la distribution de la taille des particules de bioplastiques restantes et les signes de colonisation microbienne.
Qualité du compost
Ces mesures visent à étudier la composition chimique et la phytotoxicité du compost pour établir la sûreté ou la dangerosité pour l'environnement, la faune du sol et l'eau. Les études qui ont recouru à ces analyses ont obtenu des résultats en adéquation avec les exigences standards. La revue souligne cependant le risque posé par la croissance des concentrations de bioplastiques dûs à l'augmentation de la production.
Conclusions
En général, deux méthodes ou plus sont utilisées afin de détecter les écarts entre résultats ou de confirmer ces résultats. Les études basées sur les mêmes méthodes permettent des comparaisons entre conditions expérimentales et la formation d'hypothèses sur le rôle de ces conditions.
Il apparaît que la température est un facteur clé de la biodégradation, en particulier lors d'une phase thermophile initiale, pour l'hydrolyse des polymères non assimilables par les microorganismes.
Les conditions à réunir pour la biodégradation confirment l'importance de jeter les bioplastiques avec la FODMS, les composteurs et digesteurs industriels étant les plus à mêmes de fournir ces conditions (température, humidité, temps requis).
Rigueur de la review
La review donne une vue d'ensemble des méthodes utilisées pour l'évaluation de la biodégradation des biopalstiques. Elle montre la complémentarité de ces méthodes pour une étude, et l'intérêt de recouper les résultats de plusieurs études utilisant les mêmes méthodes. Soulignons l'importance accordée aux normes (ISO, EN, ASTM) imposées aux méthodologies et aux équipements, et le fait que la review précise quelles études les suivent et lesquelles s'en dispensent, ce qui facilite les comparaisons.
La review donne une vue d'ensemble des méthodes utilisées pour l'évaluation de la biodégradation des biopalstiques. Elle montre la complémentarité de ces méthodes pour une étude, et l'intérêt de recouper les résultats de plusieurs études utilisant les mêmes méthodes. Soulignons l'importance accordée aux normes (ISO, EN, ASTM) imposées aux méthodologies et aux équipements, et le fait que la review précise quelles études les suivent et lesquelles s'en dispensent, ce qui facilite les comparaisons.
Ce que cette review apporte au débat
La review recense des études portant sur la biodégradation des bioplastiques tant en conditions aérobies qu'anaérobies, et ce en les classant selon les méthodologies utilisées.
La comparaison de nombreuses études met en évidence l'importance des facteurs abiotiques (température, humdité, temps de dégradation) dans les conditions à réunir pour la biodégradation.
Une part est accordée à l'écotoxicité des composts. Ils sont sûrs en général (la dégradation des plastiques est complète), mais des travaux complémentaires doivent être menés pour évaluer la présence de microparticules (taille <1mm) et leur éventuel impact sur l'environnement.
La review recense des études portant sur la biodégradation des bioplastiques tant en conditions aérobies qu'anaérobies, et ce en les classant selon les méthodologies utilisées.
La comparaison de nombreuses études met en évidence l'importance des facteurs abiotiques (température, humdité, temps de dégradation) dans les conditions à réunir pour la biodégradation.
Une part est accordée à l'écotoxicité des composts. Ils sont sûrs en général (la dégradation des plastiques est complète), mais des travaux complémentaires doivent être menés pour évaluer la présence de microparticules (taille <1mm) et leur éventuel impact sur l'environnement.
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