Le carbone 14 dédié à l’analyse des biopolymères
Depuis 2005, les laboratoires CIRAM analysent, datent et authentifient les œuvres d’art ainsi que des artéfacts archéologiques.
Spécialistes de la datation carbone 14, nous utilisons également cette méthode pour quantifier la fraction de carbone biogénique et de carbone fossile présents dans les produits industriels.
À la fois privés, indépendants et innovants, les laboratoires CIRAM se situent près de Bordeaux, sur la technopole Montesquieu à Martillac.
L’analyse des polymères, un enjeu de taille pour les industriels
Dans le contexte actuel, l’analyse des produits biosourcés devient une nécessité pour limiter l’impact environnemental des polymères. Si les produits biosourcés sont de plus en plus présents dans la production industrielle (biocarburants, détergents, peintures, matériaux de construction, etc.), il n’existe pas encore de réglementation stricte concernant les teneurs minimums à utiliser.
La seule exception concerne la législation européenne sur les sacs plastiques qui doivent contenir au moins 50% de carbone biosourcé depuis 2020 et 60% à partir de 2025.
Une analyse fiable et objective pour les biopolymères
Si aucune norme n’est en vigueur, de nombreux secteurs ont recours au déclaratif volontaire (mass balance) et/ou à l’analyse du cycle de vie. Il est donc important d’utiliser des méthodes objectives, fiables et rapides afin de qualifier et quantifier la part biosourcée des matériaux industriels. La mise en place d’une réglementation permettrait d’éviter les fraudes et de vérifier la qualité des matières premières utilisées aussi bien durant la R&D que pour un produit fini.
La chimie des polymères reste aujourd’hui à la pointe des avancées technologiques dans les secteurs des produits biosourcés. Entre les organismes certificateurs (TUV AUSTRIA et DIN
Geprüft) et les normes internationales (ISO 16620-2:2019 et ASTM D6866-22), l’utilisation du carbone 14 est incontournable pour qualifier, quantifier, classifier et certifier les biopolymères.
Dissociation entre carbone moderne et carbone ancien
Les biopolymères contiennent principalement du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène. S’il est possible de quantifier ces éléments à l’aide de diverses méthodes analytiques, il est impossible de distinguer moléculairement les matériaux biosourcés des pétrosourcés. L’analyse au radiocarbone est une méthode de quantification fiable pour ce problème. L’isotope 14C a une demi-vie de 5730 ans, après cette période, sa concentration sera divisée par deux. Au bout de 10 périodes, cet isotope disparaît complètement. Le pétrole provient de la décomposition de matière organique sur des millions d’années, bien au-delà de l’espérance de vie du carbone 14 qui est d’environ 60 000 ans. Le pétrole ne contient donc plus de 14C, on dira qu’il ne contient que de l’ancien carbone. À l’inverse, la biomasse (c’est-à-dire les organismes vivants), a un réservoir de carbone 14 plein, on parle de carbone « moderne ».
Grâce à l’analyse du radiocarbone, nos scientifiques en laboratoire distinguent la part de carbone biosourcé (moderne) et de carbone fossile (ancien) présent dans vos biopolymères. Nous mesurons le rapport des isotopes 14C, 13C et 12C dans un échantillon. Bien que la proportion du 14C soit très faible (1 atome de 14C pour 1012 atomes de 12C), il est tout même présent dans toutes les molécules contenant du carbone « moderne ».
L’analyse au radiocarbone des biopolymères
L’analyse au radiocarbone comprend différentes étapes. Il faut tout d’abord mesurer la teneur en carbone total de l’échantillon. Cette mesure est réalisée à l’aide d’un analyseur élémentaire dédié au carbone et à l’azote. On exprime en pourcentage de carbone moderne (pMC) la teneur en carbone biosourcé par rapport à la teneur totale en carbone.
La valeur de référence, une donnée variable importante
Pour délivrer une mesure fiable et significative, nous utilisons une valeur de référence REF qui correspond à 100% de biomasse. La valeur REF varie en fonction de la date d’analyse et de la nature de la biomasse. La valeur de référence est basée sur les mesures du CO2 dans l’air dans une zone rurale aux Pays-Bas (Lutjewad, Groningen) réalisés par le CIO (Centre for Isotope Research, université de Groningen).
L’analyse par AMS des isotopes du carbone et interprétation des résultats
Le spectromètre de masse (MAS) permet la mesure du carbone 12C, 13C et 14C d’un échantillon de carbone que nous analysons par le prisme d’un matériau de référence.
Toutes les valeurs de pourcentage de carbone moderne (pMC) doivent être corrigées à l’aide de données d’isotopes stables (rapports 13C/ 12C) obtenues sur du CO2 provenant de la combustion de l’échantillon. Le fractionnement isotopique correspond à la fluctuation dans le rapport des isotopes causé par les processus biochimiques. Ces variations sont indépendantes du temps et de la décroissance radioactive naturelle. La précision des mesures en AMS est comprise entre 0,3 à 0,5% en absolu pMC et la limite de détection est d'environ 0,3% de pMC.
La mesure du carbone 14 est réalisée par rapport au carbone total de l’échantillon. Exemple : si l’on mélange 50g d’un produit 100% biosourcé avec 50g d’un produit 0% biosourcé, la mesure du pMC (% de carbone biosourcé) ne sera vraisemblablement pas 50%, car le nombre d’atomes de carbone (% massique de C) n’est pas équivalent d’une molécule à l’autre. Il est important de rappeler que la méthode au radiocarbone est simple, mais il ne faut pas faire de raccourcis. De la même manière, l’évaporation de certains composés volatiles pendant la synthèse ou la fabrication des biopolymères peut fausser les résultats entre les valeurs attendues et la teneur en carbone biosourcé mesurée sur le produit fini.
Bien que la méthode au radiocarbone fonctionne à « l’aveugle », c’est-à-dire sans que l’on ait besoin de connaître la composition chimique de l’échantillon, il apparaît intéressant et constructif d’avoir un échange préalable, afin de bien comprendre la problématique de l’industriel et de bien exposer les bénéfices et les contraintes des techniques analytiques.
La caractérisation des biopolymères par le radiocarbone
Pour résumer, l’utilisation du radiocarbone pour la caractérisation des biopolymères est une méthode fiable, précise et qui fonctionne sur tous les types de matrices (liquide, solide et gel) sans avoir besoin de connaître la composition chimique. Il est également pertinent d’utiliser le radiocarbone à tous les stades du processus industriel (depuis la Recherche et le Développement jusqu’au produit fini, mais également le sourcing, la validation des différents traitements et même pour l’obtention d’un label).