Synthèse de bioplastiques à partir d'amidon

Projet réalisé dans le cadre de l'UE hors contrat Label Vert 2 (2021). Nom du projet : “De la marée verte aux supermarchés!”

Vous trouverez la vidéo réalisée à l'issue de notre projet à cette adresse : https://www.youtube.com/watch?v=rOPjs2an1RA

Contacts : Cecile Bretonnet (cecile.bretonnet@lilo.org), Maëva Guillot (guillot.maeva@gmail.com), Adriana Mina, Mattéo Vong et Loris Henry

• Merci à Ali ABOU HASSAN, enseignant tuteur de notre groupe, et à l’ensemble de l’équipe du Label vert 2.
• Merci à Yves CHOQUET, directeur de recherche à l’Institut de Biologie Physico-Chimique.
• Merci à Steve HUBERT, responsable du GreenLab.
• Merci à Simon LANIS, responsable du FabLab.

En amont (12/04/21) : visite à l'Institut de Biologie Physico-Chimique (IBPC), mise en culture des chlamydomonas reinhardtii.

• Récupération des microalgues à l'IBPC.
• Synthèse de deux bioplastiques lilas et corail à partir d'amidon commercial (cf tableau).
• Traitement des algues : on procède à la centrifugation de nos culots afin d'éliminer un maximum de solvant. Dispersion des culots dans 6 tubes Falcon de contenance 14mL et série de 2x5min à 2500rpm puis 2x10min à 3000rpm, élimination du surnageant. La résidu est toujours liquide.

• Retour sur les bioplastiques lilas et corail : surface craquelée. Hypothèse : étuve trop chaude, film trop fin. Adaptation du protocole en conséquence.
• Synthèse de nouveaux bioplastiques biosourcés : vert, magenta et cyan.
• Traitement des algues : poursuite de la tentative d'extraction des microalgues. Essai de filtration Büchner et fritté avec différentes porosité jusqu'à 3μm : échec. Les algues traversent.

• Traitement des algues : centrifugation à 3000rpm pendant 5min puis récupération des algues encore liquide dans un bécher (m = 8,45g). Extraction de l'amidon.
• Tests de biodégradabilité des plastiques issus d'amidon commercial à différents pH, avec et sans agitation.

Passage par le Green lab (15 et 16/04) : Discussion avec Steve Hubert et stérilisation d'un bocal de terre à l'aide d'un autoclave. Cette terre servira de témoin pour un test de biodégradabilité dans un environnement naturel avec des conditions climatiques réelles et aléatoires.

• Test UV réalisé sur les bioplastiques avec une machine pour stérilisation (pas de connaissance sur la puissance) pour voir s'ils réagissent à une exposition plus ou moins longue à des UV.

• Utilisation du Lugol afin de tester la présence d'amidon dans notre poudre extraite avec de l'amidon de blé commercial pour référence. Résultat : aucune coloration bleue n'est observée sur notre poudre et celle-ci est en suspension dans la goutte de Lugol. On en déduit que la poudre extraite n’est pas de l’amidon : elle est sans doute constituée d’impuretés. Hypothèses : pas assez de centrifugations, pas assez de lavages à l’eau/acétone…
• Synthèse de nouveaux bioplastiques à partir d'amidon de blé : blanc et jaune.
• Test sur les bioplastiques.

• Test sur les bioplastiques.
• Review : jaune et blanc ont craquelé. Cela pourrait être dû au séchage mais aussi à une trop grande quantité d’amidon et/ou une trop faible quantité de glycérol car le glycérol créé de l’espace entre les chaînes de polymères (plastifiant).
• Ouverture : synthèse de films issus d’agar-agar avec un protocole similaire à celui utilisé précédemment.

Fin des manipulations.

Protocole inspiré par un précédent projet FabLab disponible ici

Matériel :

• Baguette en verre
• Bécher (100mL)
• Spatule
• Capsule de pesée
• Agitateur magnétique chauffant
• Grand cristallisoir
• Pipette graduée (5mL-10mL)
• Plaque de verre

Produits :

• Amidon de maïs, de riz et de blé
• Glycérol
• Eau distillée
• Acide chlorhydrique (0,1M)
• Soude (0,1M)
• Colorants alimentaires

Protocole : On a réalisé différentes variations du protocole pour nos différents plastiques, dans le but d'obtenir un plastique aux propriétés recherchées.

1. Dans un bécher de 100mL, ajouter l'amidon (cf tableau).
2. Ajouter 25mL d’eau distillée puis 3mL d’acide chlorhydrique avec une pipette graduée et quelques gouttes de colorants pour différencier les plastiques.
3. Mettre le bécher dans un cristallisoir rempli d’un peu moins de la moitié d’eau (pas trop pour que le bécher ne flotte pas, ou alors fixer le bécher avec une pince) et faire un bain-marie. L’eau doit être à environ 90°C et la solution ne doit pas bouillir.
4. Préparer le glycérol en le versant dans une éprouvette graduée puis la placer au bain marie pour que le glycérol devienne bien liquide (viscosité diminue).
5. Après une dizaine de minutes, quand la solution devient gélatineuse, voire qu’elle recommence à se solubiliser, ajouter 3mL de soude, puis 5/6mL de glycérine.
6. Attendre une ou deux minutes, toujours en agitant, puis étaler la solution sur une plaque de verre/de plexiglas.
7. Sécher (étuve ou air libre).

Conclusion : tous les films ont craquelé. Pris séparément, l'amidon de blé semble pouvoir donner les meilleurs propriétés plastiques. Le mélange blé/riz nécessiterait d'autres expérience afin de trouver un moyen de mieux homogénéiser les poudres, car il semble avoir moins craquelé.

Nos culots se présentent initialement sous forme liquide. Afin d'obtenir un rendement, nous souhaitions extraire nos algues de leur solution de culture et travailler en “poids sec”. Malheureusement, nous n'avons pas réussi cette étape. Nous avons donc adapté notre protocole à cette nouvelle contrainte.

Matériel :

• Balance de pesée
• Capsule de pesée
• Spatule
• Bécher (400mL)
• Eprouvette (5mL)
• Agitateur magnétique chauffant
• Barreau aimanté
• Büchner : pompe à vide, joint, verre de fritté (si pas possible entonnoir de Büchner avec papier filtre), fiole de récupération
• Tubes à essai (6 Falcon)
• Centrifugeuse
• Bécher de (400mL)x2
• Eprouvette (15mL)
• Pissette d’eau distillée
• Etuve
• Support élévateur
• Gants de protection

Protocole :

1. Introduire notre masse de Chlamydomonas Reinhardtii en solution dans un bécher et l'extraire avec envrion 50mL d’éthanol à 96%. Chauffer à 90°C (contrôle thermocouple) et placer sous agitation pendant 10 min.
2. Filtrer sur Büchner et récupérer les micro-algues.
3. Répartir les algues dans 6 tubes Falcon de centrifugation, équilibrer la masse des tubes et les placer dans la centrifugeuse.
4. Centrifuger à 3000rpm pendant 5min à température ambiante. On distingue un surnageant vert foncé, caractéristique de la chlorophylle, d'un précipité vert clair dépose au fond des tubes. Celui-ci pourrait contenir notre amidon.
5. Répéter l'étape d'extraction de l’amidon restant : verser les surnageants dans un bécher, ajouter environ 30mL d’éthanol 96% et chauffer à 90°C, sous agitation.
6. Centrifuger à 3000rpm pendant 10min.
7. Regrouper l’ensemble des précipités dans un bécher et verser 3 volumes d’éthanol 96%. Placer sous agitation pendant 20min.
8. Filtrer sur Büchner et faire ensuite trois lavages : 2x10mL l’éthanol (96%), 1x15mL d’acétone.
9. Récupérer le solide obtenu (poudre) et le sécher à l’étuve (45°C) [1 nuit]. On obtient un solide vert effrité qui pourrait être notre amidon.

On teste cette hypothèse en utilisant une solution de iodure de potassium iodée.

Conclusion : Le test Lugol a montré que la poudre extraite n'étant sans doute pas de l'amidon. Des pistes de réflexion sont présentées dans la vidéo de conclusion de notre projet.

Matériel : *Béchers (200mL) *Tige en verre *Plaque chauffante *Eprouvettes gradués (50mL et 5mL) *Balance de pesée précise à 0,1 ou 0,01 g *Pissette d’eau distillée *Capsules de pesée *Boite de pétri *Spatule *Gants de protection

Protocole : -Placer les grains d’amidon en excès de glycérol (5-10 mL) dans un bécher de 100 mL et ajouter 40 mL d’eau environ.· Chauffer à 80 °C jusqu’à obtention d’une texture épaisse et pâteuse. -Appliquer la pâte obtenue dans une boîte de Pétri. -(Laisser sécher 1 semaine à température ambiante. Une semaine après décoller l’échantillon de bioplastique)

Cette partie n'a pas pu être réalisée. Le protocole est laissé à titre indicatif.

Conclusion : Nos films sont solubles. Plus d'informations dans la vidéo.

Conclusion : Pas de changement significatif de 25 °C à 90 °C et pas de changement sous UV. Plus d'informations dans la vidéo.

Plus d'informations dans la vidéo.

Synthèse de films bioplastiques d'agar agar. Le protocole utilisé est le même que pour la synthèse de films à partir d'amidon. Quand la température atteint 90-95°C ou qu'il y a de l’écume, on arrête de chauffer, on enlève l’écume si besoin et on verse dans des boîtes de Pétri. On observe la prise des films en 2min environ.

L'apparence des films reste inchangée avec les différences de quantités de glycérol. Ils sont assez fragiles et ont l’air de se déchirer facilement, peut-être (sûrement) car on les a manipulés trop tôt. Aucun des films n'a été séché à l'étuve.