Photosynthèse artificielle et biodégradabilité : lutter contre la menace plastique dans un souci de durabilité

L’émission de CO2 et la présence de plastiques non biodégradables sur Terre sont deux dangers qui provoquent des dommages irréversibles. Il est important de noter que le dioxyde de carbone, en tant que gaz piégeant la chaleur, réchauffe la planète et finit par entraîner un changement climatique. 

Cet effet de réchauffement est souligné par les estimations de la NASA, qui révèlent que les activités humaines ont augmenté la la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère de 50 % en moins de 200 ans. La situation est encore aggravée par les plastiques non biodégradables provenant de matériaux tels que la mousse de polystyrène, les sacs en plastique jetables et les bouteilles d'eau en plastique, qui constituent une autre menace grave car ils contaminent les eaux souterraines et la chaîne alimentaire et polluent l'air.

Pour relever ces défis étroitement liés, des chercheurs de l'Université métropolitaine d'Osaka ont désormais conçu une avancée technologique permettant de relever ces deux défis par une seule voie. Il a émergé avec un moyen innovant et efficace de produire de l'acide fumarique qui réduira les niveaux d'émission de dioxyde de carbone tout en réutilisant les déchets pour fabriquer des plastiques biodégradables. Approfondissons la compréhension de ce que signifie cette innovation et de son fonctionnement.

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Production durable d'acide fumarique

L'acide fumarique est un composant des plastiques biodégradables. Il provient traditionnellement de composés dérivés du pétrole, du dioxyde de carbone et de la biomasse. Aujourd’hui, les chercheurs ont trouvé une solution permettant de produire de l’acide fumarique de manière durable et efficace. Il y a eu deux études visant le même objectif final. 

Dans le premier, une équipe de recherche dirigée par le professeur Yutaka Amao du Centre de recherche sur la photosynthèse artificielle de l'Université métropolitaine d'Osaka (OMU) a exposé les moyens de synthétiser l'acide fumarique à partir de bicarbonate et d'acide pyruvique dérivé de la biomasse. L’énergie utilisée dans le processus était de l’énergie solaire renouvelable. 

Les scientifiques ont également réussi à produire de l'acide fumarique avec du dioxyde de carbone qui contribue comme matière première au processus, provenant directement de la phase gazeuse. Cependant, l’expérience se heurtait à une limite. Il ne pouvait pas produire un volume substantiel d’acide fumarique. La production est restée faible. 

Cependant, grâce à la recherche suivante, les scientifiques ont surmonté le défi. Ils ont développé un nouveau photosensibilisateur et réalisé des progrès dans la photosynthèse artificielle qui pourraient doubler le rendement en acide fumarique par rapport aux méthodes traditionnelles. 

Les scientifiques ont développé un moyen efficace de produire du fumarate induit par la lumière visible à partir de CO2 gazeux et de pyruvate avec un système composé de triéthanolamine, de porphyrine de zinc cationique soluble dans l'eau, de tétrakis de zinc (4-N, N, N-triméthylaminophényl)porphyrine, de pentaméthylcyclopentadiényl. complexe coordonné de rhodium (III) 2,2′-bipyridyle, NAD+, malate déshydrogénase (oxaloacétate-décarboxylation dépendant du NAD+) et fumarase.

La recherche, intitulée « Une production efficace de fumarate basée sur la lumière visible à partir de CO2 gazeux et de pyruvate par le système photocatalytique à base de porphyrine de zinc cationique avec deux biocatalyseurs », a été soutenue par l'Institut de fermentation d'Osaka. 

Dans l’ensemble, la recherche a établi empiriquement qu’il était possible de fabriquer un catalyseur de photosynthèse artificielle avancé capable d’utiliser le dioxyde de carbone plus efficacement dans la production de plastiques biodégradables. 

Mais si nous réfléchissons plus loin et tentons d’évaluer pourquoi la photosynthèse artificielle et sa contribution à la production durable et efficace de plastiques biodégradables sont considérées comme une percée, nous verrons que les plastiques ont constitué une menace et que tout effort visant à les rendre biodégradables de manière durable devrait être apprécié et encouragé. 

L’un des dommages les plus graves liés au plastique sur la planète Terre est causé par les microplastiques. L'Administration nationale des océans et de l'atmosphère des États-Unis définit les microplastiques sous forme de petits morceaux de plastique de moins de cinq millimètres de long et qui nuisent à notre santé, à nos océans et à notre vie aquatique. Cette catégorie comprend également les plastiques intentionnellement conçus pour être petits. Appelées microbilles, elles sont utilisées dans de nombreux produits de santé et de beauté. Ces microplastiques ont plusieurs conséquences néfastes.

Les microplastiques pénètrent dans notre corps par différentes voies, notamment l’eau que nous buvons, la nourriture que nous consommons et les contenants alimentaires que nous utilisons, qui sont tous des voies d’absorption orale de microplastiques. De plus, nous inhalons des microplastiques dans l’air, et nos produits de soins personnels et nos étuis de téléphones portables, qui contiennent des microplastiques, créent une marge de manœuvre pour qu’ils entrent en contact avec nous.

Une fois à l’intérieur du corps humain, ces microplastiques peuvent causer de nombreux problèmes de santé. Ils sont connus pour induire un stress oxydatif et des dommages à l’ADN, entraîner des troubles métaboliques et provoquer des dysfonctionnements dans les organes vitaux tels que le foie, les intestins, le cerveau et les voies respiratoires. De plus, la toxicité des microplastiques peut nuire à nos capacités de reproduction et de développement, illustrant la gravité de leur impact sur la santé humaine.

Le problème des microplastiques va au-delà de la santé humaine, car ces particules nuisent également à la vie marine. Ils exercent un effet toxique sur les poissons et autres organismes aquatiques, inhibant leur croissance et leur développement, augmentant les taux de mortalité, provoquant des inflammations, diminuant la vitesse de nage, réduisant la vitalité et la longueur du corps et provoquant des lésions intestinales. Ces preuves soulignent la nécessité urgente de lutter contre la pollution de notre environnement par les microplastiques et d’y mettre un terme.

À la lumière de cela, récemment relevés de plongée sous-marine ont mis en évidence le besoin urgent de solutions innovantes de collecte des déchets. Par exemple, une étude novatrice menée par des chercheurs du Desert Research Institute au fond du lac Tahoe a révélé une moyenne alarmante de 83 déchets plastiques par kilomètre, sans qu'aucune portion du fond du lac ne soit exempte de déchets plastiques. Parmi les articles couramment identifiés figurent des contenants alimentaires, des bouteilles, des sacs en plastique et des jouets. Les six types de plastique les plus courants sont le polychlorure de vinyle (PVC), le polystyrène, le polyester/polyéthylène téréphtalate, le polyéthylène, le polypropylène et le polyamide.

Bien que plusieurs fournisseurs de solutions proposant des alternatives viables pour nettoyer les plastiques sous-marins soient présents, les chercheurs souhaitent également évaluer le potentiel d'un «métrique de durabilitéPour réduire la pollution plastique, les chercheurs de la Woods Hole Oceanographic Institution ont développé un indicateur de durabilité pour la conception écologique de produits en plastique à faible persistance dans l'environnement. Ils estiment que cet indicateur pourrait apporter des bénéfices environnementaux et sociétaux. 

L’étude a montré une manière innovante et inventive de lutter contre la menace de la pollution plastique. L’approche pourrait être considérée comme quelque peu similaire aux exercices de comptabilité d’impact social que nous connaissons bien. Il a comparé les indices de l'impact environnemental des plastiques ainsi que de leurs substituts, démontrant que la prise en compte de la persistance environnementale du plastique et son remplacement efficace pourraient signifier des gains de plusieurs centaines de millions de dollars pour un seul produit de consommation. 

Tout en expliquant l'importance de l'étude, l'auteur principal de l'étude, Bryan James, scientifique des matériaux et ingénieur, a déclaré :

« Ce qui est important à déterminer, c'est comment nous pouvons concevoir des matériaux, des produits et des processus fonctionnels, durables et bénins qui incarnent tous les principes de l'ingénierie des matériaux verts dans le monde futur dans lequel nous allons vivre. »

Dans l’ensemble, la fabrication de plastiques suffisamment biodégradables et l’identification d’alternatives appropriées ont occupé la communauté scientifique et technologique. De nombreuses entreprises, grandes et petites, travaillent activement dans ce domaine.  

# 1. Groupe chimique Mitsubishi

Mitsubishi Chemical Group participe activement à ce domaine depuis un certain temps déjà. En tant que membre de l'Association japonaise de recherche technologique sur les processus chimiques photosynthétiques artificiels (ARPChem), créée en octobre 2012, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) a participé à un projet de photosynthèse artificielle mené par l'Organisation de développement des nouvelles énergies et des technologies industrielles (NEDO). Depuis lors, Mitsubishi a repoussé les limites pour atteindre plus d’efficacité et d’optimisation du processus. 

La recherche que nous avons menée en ouverture de notre discussion portait sur la production durable d'acide fumarique. Cependant, les efforts du groupe Mitsubishi Chemical se concentrent sur la production d'oléfines. 

Dans ce procédé, un catalyseur synthétique joue un rôle essentiel en permettant la réaction entre l'hydrogène et le dioxyde de carbone séparés. Les travaux innovants de Mitsubishi visant à développer un catalyseur adapté et à perfectionner les technologies de procédé nécessaires ont considérablement amélioré le rendement, rendant la production d'oléfines plus efficace. 

En conséquence, l'oléfine est devenue une matière première efficacement produite pour la création de plastiques, mettant en valeur la contribution de Mitsubishi à l'avancement des pratiques de fabrication durables dans l'industrie chimique.

Le projet d'innovation verte, dirigé par NEDO, a sélectionné le développement commercial de Mitsubishi de la production de matières premières chimiques basées sur la photosynthèse artificielle pour un financement en février 2022. 

Dans les étapes ultérieures de développement, le processus convertira les matières premières du pétrole et aidera à développer une technologie de production de plastique tirant parti du dioxyde de carbone en utilisant la technologie de fabrication pétrochimique, la technologie de développement de catalyseurs et d'autres technologies qu'il a développées en collaborant avec des universités et des instituts de recherche. 

La société Mitsubishi a publié un rapport intégré pour l'exercice se terminant le 31 mars 2023. L'entreprise a gagné plus de 159 milliards de dollars américains.

# 2. Evonik et Siemens

Dans ce qu'on appelle la photosynthèse technique, deux sociétés, Evonik et Siemens, utilisent des énergies renouvelables et des bactéries pour convertir le dioxyde de carbone en produits chimiques spécialisés. Les entreprises accomplissent cette tâche dans le cadre d'un projet de recherche commun appelé Rheticus. La première phase de la recherche a vu la production de produits chimiques tels que le butanol et l’hexanol, qui sont tous deux des matières premières pour les plastiques spéciaux et les compléments alimentaires. 

Selon le Dr Thomas Haas, responsable du projet au sein du département de recherche stratégique Creavis d'Evonik : 

« Avec la plateforme Rheticus, nous voulons démontrer que la photosynthèse artificielle est réalisable. »

Pour faire de cette affirmation une réalité, Evonik et Siemens contribuent selon leurs compétences de base. Par exemple, Siemens renforce le processus grâce à la technologie d'électrolyse, qui sera utilisée dans un premier temps pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en hydrogène et en monoxyde de carbone à l'aide de l'électricité. 

Les contributions d'Evonik visent à renforcer le processus de fermentation, dans lequel les gaz contenant du monoxyde de carbone seraient convertis en produits utiles par des processus métaboliques facilités par des micro-organismes spéciaux. 

Tout en expliquant son potentiel pour aider l'industrie du plastique et des produits chimiques spécialisés, le Dr Haas a déclaré :

« Sa nature modulaire et sa flexibilité en termes de localisation, de sources de matières premières et de produits fabriqués rendent la nouvelle plate-forme attrayante en particulier pour l'industrie chimique spécialisée. Nous sommes convaincus que d’autres entreprises utiliseront la plateforme et l’intégreront à leurs propres modules pour fabriquer leurs produits chimiques.

Selon le derniers états financiers annuels disponibles, Evonik Group a enregistré un chiffre d'affaires de près de 18.5 milliards d'euros en 2022. Sur ce chiffre d'affaires, les additifs de spécialité et la nutrition et les soins ont contribué à hauteur de 23 % chacun. Les revenus issus des matériaux intelligents représentaient 26 % du chiffre d'affaires, tandis que les matériaux de performance contribuaient à 20 % et que les produits et services technologiques et d'infrastructure contribuaient à 8 %. 

Dans l' exercice 2023, Siemens a enregistré un chiffre d'affaires annuel de près de 22 millions d'euros, soit une augmentation significative par rapport aux 19.5 milliards d'euros enregistrés au cours de l'exercice 2022. 

Les plastiques et notre parcours vers la durabilité

Grâce à des efforts collectifs, nous devons nous assurer que nous prenons les bonnes mesures vers un avenir rempli de bioplastiques, qui sont soit des plastiques biodégradables, soit des matériaux biosourcés eux-mêmes, tirant leur énergie de ressources renouvelables. Ces bioplastiques, en termes de durabilité et de facilité d’utilisation, ne seraient rien de moins que les plastiques conventionnels. Ils pourraient être traités par des machines à plastique conventionnelles et conservés dans des entrepôts traditionnels, éliminant ainsi la redondance des ressources.

L'incapacité à trouver une alternative viable au fléau des déchets plastiques entraînerait de graves dangers pour plusieurs pays du monde. L'Asie du Sud-Est, par exemple, est déjà devenue un foyer de pollution plastique, une situation exacerbée par l'urbanisation galopante et l'essor de la classe moyenne. L'absence d'infrastructures performantes a également contribué à une faible efficacité des plastiques recyclables.

Ce problème de mauvaise gestion des déchets s’est encore aggravé pendant la saison COVID en raison de la consommation de masques, de bouteilles de désinfectant et d’emballages de livraison en ligne. Selon les données présentées par la Banque mondiale, dans des pays comme la Thaïlande, les Philippines et la Malaisie, plus de 75 % de la valeur matérielle du plastique recyclable est perdue – l'équivalent de 6 milliards de dollars par an lorsque le plastique à usage unique est jeté plutôt que récupéré. et recyclé.

Face à une telle mauvaise gestion des déchets et à l’insuffisance des infrastructures, les bioplastiques apparaissent comme l’alternative la plus efficace, indépendante de ces mauvaises manipulations. De plus, les bioplastiques contribuent à nos efforts de développement durable puisqu’ils dépendent moins des combustibles fossiles conventionnels. L’utilisation de plastiques biodégradables signifie également de meilleurs scénarios de fin de vie en matière d’élimination et de recyclage.

Pourtant, la part des bioplastiques est encore bien inférieure à ce qu’elle devrait être pour que notre avenir dépende entièrement de moyens durables. Selon une estimation, sur les 367 millions de tonnes de plastique produites chaque année dans le monde, la part des bioplastiques est encore inférieure à XNUMX %. Cependant, il devrait connaître une croissance significative dans les années à venir dans un large éventail de domaines d'application, notamment l'emballage, les biens de consommation, le bâtiment et la construction, l'automobile et les transports, le textile, l'agriculture et l'horticulture, l'électricité et l'électronique, les revêtements et les adhésifs, etc. .

Les technologies de pointe fondées sur la recherche, telles que la photosynthèse artificielle et la production durable de composants en plastique alimentés par des sources d’énergie renouvelables, auront un impact significatif sur la manière de traiter le plastique. Ces processus signifieront non seulement de meilleurs plastiques respectueux de l’environnement, mais également un écosystème de production durable et presque sans émissions.