Axe Papiers-cartons

Aperçu

La recherche s’articule autour des différents flux sortants des unités de recyclage papier-carton : les fibres recyclées (dites acceptées), les rejets liquides, et les rejets solides, et vise à développer pour chacun de nouveaux procédés de recyclage ou de valorisation plus durables.

Pour la fraction acceptée, il s’agit d’améliorer les liaisons inter-fibres à l’état sec tout en conservant l’aptitude au repulpage. Cette amélioration a pour but de limiter l’apport en additifs et ainsi minimiser les coûts et rejets associés. 

Pour la fraction de rejets liquides, il s’agit de développer la bioraffinerie intégrée en unité de recyclage. L’amidon présent dans les cartons usagés et qui s’accumule dans les eaux de process lors du recyclage, est éliminé pour éviter l’encrassement des circuits mais n’est aujourd’hui pas valorisé. L’extraction et la valorisation de ces composés, sous forme polymères ou monomères, pourrait s’appliquer à la biomasse « secondaire ».

Pour la fraction solide, il s’agit de développer des alternatives aux voies de valorisations actuelles plus adaptées aux mélanges et états des matières. La production de cellulose microfibrillée (renfort, agent rhéologique), régénérée (aérogels) ou réticulée (résines) est envisagée pour profiter de l’état endommagé des fibres lignocellulosiques. Pour les rejets à majeur plastique, d’autres voies de thermoconversion sont envisagées pour améliorer le rendement énergétique et diversifier les co-produits. 

Puis pour l’ensemble de ces flux, les impacts socio-environnementaux et économiques seront étudiés

Mots-clés : Papier-Carton, Emballage, Fibres Lignocellulosiques, Recyclage, Valorisation, Bioraffinerie, Séparation physico-chimique, Upcycling, Procédés chimiques verts, Procédés enzymatiques, Thermoconversion, Analyse de cycle de vie, Meilleure Technique Disponible, Ecosystème innovant.

Tâches

Nos recherches

Upcycling de la fraction de fibres acceptées issues du recyclage de cartons et valorisation des rejets fibreux 
nathalie.marlin@grenoble-inp.fr

• Renforcer les propriétés mécaniques du papier recyclé sans ajout d’amidon, tout en conservant l’aptitude au repulpage 
• Valoriser les déchets fibreux en profitant de leur état morphologique

Développement d’un nouveau type de bioraffinerie à partir de « forêt urbaine » : les papiers et cartons récupérés
christine.chirat@grenoble-inp.fr

Extraire l’amidon des cartons pendant leur recyclage, et le valoriser pour éviter son accumulation dans les eaux de process

Aerogels de cellulose et de carbones
romain.sescousse@mines-albi.fr

Apporter une forte valeur ajoutée aux rejets fibreux : produire des matériaux poreux

Valorisation des rejets fibreux complexes et non-recyclables par des méthodes thermiques
marion.carrier@mines-albi.fr

Proposer des procédés de thermoconversion efficaces

Impacts environnementaux et économiques des nouveaux procédés et matériaux développés
valerie.laforest@emse.fr

Faire état des impacts des nouveaux procédés et produits sur l’écosystème territorial

Aperçu

Le projet DEFI2R a pour ambition d’offrir de nouvelles solutions techniques aux acteurs du recyclage des papiers-cartons en démontrant la possibilité d’employer des procédés de décontamination chimique et biologique verts afin de produire des emballages alimentaires et des papiers d’hygiène à partir de matières premières contaminées. De plus, le projet visera à valoriser les rejets fibreux, un co-produit encore non-valorisé par les usines de recyclage, pour former des panneaux isolants ou structurants pour le secteur de la construction.

Pour cela, les recherches porteront sur la combinaison d’enzymes spécifiques et d’ozone pour éliminer les contaminants chimiques et les microorganismes présents dans les fibres recyclées, ainsi que sur l’impression 3D et un procédé de moussage en se basant sur l’utilisation des rejets fibreux, mélangés ou non à des fibres recyclées, afin de former des panneaux performants. DEFI2R pourra s’appuyer sur le projet de Phase I, PAC3R, et ses chercheurs impliqués afin d’aller plus loin dans la valorisation des fibres et rejets fibreux issus du recyclage.

Mots-clés : Recyclage du papier et du carton ; fibres cellulosiques ; déchets fibreux ; procédés de décontamination ; biocatalyse ; ozonation ; impression 3D ; mousse humide ; emballages alimentaires ; papiers hygiéniques ; analyse du cycle de vie

Tâches

Nos recherches

Identification, sélection et analyse des fibres acceptées et rejets fibreux ainsi que leurs contaminants
Rénato Froidevaux (BioEcoAgro)
Yassine Makni (Anses)

• Revue bibliographique sur la nature des contaminants chimiques et biologiques trouvés dans les papiers-cartons recyclés
  Cette tâche permettra aux partenaires travaillant sur la décontamination d’avoir une liste exhaustive des contaminants chimiques et biologiques qui peuvent être trouvés dans les papiers-cartons, en se basant sur les articles scientifiques abordant ce sujet et les réglementations en vigueur concernant, entre autres, les emballages alimentaires et les papiers d’hygiène.

• Analyse des fibres acceptées et rejets fibreux industriels ainsi que d’un panel de contaminants pour chaque substrat étudié
  Une liste plus courte de contaminants choisis pour leur occurrence, dangerosité, et persistance dans l’environnement sera constituée à partir de la liste exhaustive issue de la première tâche. Les contaminants seront recherchés dans plusieurs substrats industriels par GC-MS et LC-MS. Des analyses par FTIR et spectroscopie Raman compléteront ces premiers résultats. BioEcoAgro identifiera certains microorganismes présents dans les fibres industrielles. Parallèlement, de la chromatographie à haute résolution sera employée par l’Anses pour analyser tous les contaminants présents.
• Développement et partage de protocoles des méthodes analytiques au sein du consortium
  Des outils analytiques concernant la toxicité des contaminants et de leurs produits de dégradation, leur migration vers la nourriture, et des tests microbiens seront développés par BioEcoAgro et l’Anses sur la base de méthodes déjà connues de ces partenaires et de la bibliographie récente. Les protocoles d’extraction et d’analyse par GC-MS et LC-MS des contaminants dans les fibres seront eux aussi harmonisés entre partenaires.

Décontamination des fibres acceptées
Rénato Froidevaux (BioEcoAgro)
Etienne Montet (ECLORE)

• Elimination des contaminants chimiques par voie enzymatique et par voie oxydante
  Dans ces deux tâches seront développés les procédés de décontamination par des enzymes ou par des oxydants chimiques (ozone, H2O2…) afin d’éliminer les contaminants chimiques des papiers-cartons recyclés. L’étendue de la décontamination sera évaluée par GC-MS et/ou LC-MS. Leur cytotoxicité sera mesurée par des tests des cellules de peau (Hacat) et intestinales (Caco 2).
• Elimination des contaminants biologiques par voie oxydante
  Il est attendu que de plus faibles doses d’oxydants que celles employées dans la tâche précédente devraient pouvoir éliminer les contaminants biologiques présents dans les fibres et pouvant poser problème pour un contact alimentaire ultérieur. Des tests microbiens et de migration seront utilisés pour évaluer l’hygiénisation. Une attention particulière sera donnée à la présence de formes microbiennes sporulées pouvant résister à l’oxydation.
• Optimisation des procédés de décontamination associant oxydants chimiques et enzymes
  Les procédés de décontamination enzymatique et chimique seront combinés en série puis en one-pot, two-step. Une stratégie d’immobilisation des enzymes sur supports hydrophobes pourraient permettre une survie des enzymes aux conditions oxydantes et donc l’utilisation d’un système one-pot, one-step. Les paramètres du procédé de décontamination final seront optimisés pour permettre une décontamination suffisante tout en préservant autant que possible les propriétés papetières des fibres, évalués dans la tâche suivante.

Développement et production de panneaux par impression 3D et de panneaux isolants en mousse à partir de rejets fibreux
Davide Beneventi (LGP2)
Cécile Sillard (LGP2)

• Développement et caractérisation des matériaux obtenus par impression 3D
  Formulation des pâtes composites pour impression 3D à partir de rejets fibreux. L’étude commencera sur des composés-modèles. Des caractérisations mécaniques et rhéologiques seront menées sur les composites à l’état humide et à l’état sec. Différents additifs (amidon, colophane…) seront envisagés pour améliorer les formulations. Des échantillons décontaminés dans le Lot n°2 seront utilisés, l’effet de l’oxydation pouvant être positif pour le procédé d’impression 3D développé dans cette tâche.
• Développement et caractérisation des mousses isolantes
  Formulation de mousses à partir de rejets fibreux. Des composés-modèles seront utilisés initialement. La stabilité de la mousse et son comportement au séchage seront étudiés car ce sont les deux paramètres critiques identifiés concernant les propriétés des panneaux isolants formés. Des échantillons décontaminés par oxydation dans le Lot n°2 seront valorisés dans cette Tâche.
• Optimisation et montée en échelle des procédés d’impression 3D et de moussage
  Cette tâche a pour but d’optimiser les paramètres d’impression 3D et de drainage des mousses sur les meilleures formulations établies en T3.1. et T3.2. afin d’anticiper la montée en échelle. Des outils numériques et de robotique seront développés pour produire des séries de panneaux structurants par impression 3D. Un prototype de panneau « sandwich » sera réalisé en combinant un panneau isolant avec deux panneaux structurants créés par les deux procédés élaborés dans ce Lot n°3.

Evaluation des performances techniques et environnementales
Etienne Montet (ECLORE)
Davide Beneventi (LGP2)

• Evaluation technique des procédés de décontamination développés
  Seront évalués dans cette tâche l’intégrabilité des procédés de décontamination du Lot n°2 dans une ligne de recyclage, ainsi que leur effet sur les procédés d’impression 3D et de moussage valorisant les rejets fibreux et autres co-produits à faible valeur ajoutée. En particulier, l’efficacité de la décontamination et son impact sur les propriétés mécaniques des fibres longues sera discuté. Une estimation du coût de la décontamination sera réalisée.
• Evaluation de l’impact environnemental des procédés
  Les effluents générés par la décontamination étudiée dans le Lot n°2 seront analysés par l’Anses car ils devront être traités dans la STEP de l’usine de recyclage si le procédé est amené à être utilisé industriellement. De plus, la recyclabilité des panneaux 3D et en mousse du Lot n°3 sera évaluée. Enfin, une Analyse de Cycle de Vie (ACV) sera conduite, en profitant des ateliers de travail qui seront réalisés sur cette thématique avec les autres axes du PEPR Recyclage.