Durabilité
Photosynthèse artificielle et biodégradabilité : lutter contre la menace du plastique avec la durabilité à l’esprit
Les émissions de CO2 et la présence de plastiques non biodégradables sur Terre sont toutes deux des dangers qui causent des dommages irréversibles. En particulier, le dioxyde de carbone, en tant que gaz à effet de serre, réchauffe la planète et entraîne finalement le changement climatique.
Cet effet de réchauffement est souligné par les estimations de la NASA, qui révèlent que les activités humaines ont augmenté la teneur en dioxyde de carbone de l’atmosphère de 50 % en moins de 200 ans. Aggravant davantage la situation, les plastiques non biodégradables provenant de matériaux tels que le polystyrène expansé, les sacs plastiques jetables et les bouteilles d’eau en plastique, représentent une autre menace grave car ils contaminent les eaux souterraines, la chaîne alimentaire et polluent l’air.
En répondant à ces défis interconnectés, des chercheurs de l’Osaka Metropolitan University ont maintenant mis au point une percée qui traite ces deux problèmes par une voie unique. Ils ont développé une méthode innovante et efficace pour produire de l’acide fumarique qui réduira les niveaux d’émissions 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.
Production durable d’acide fumarique
L’acide fumarique est un composant des plastiques biodégradables. Il provient traditionnellement du pétrole, du dioxyde de carbone et de composés dérivés de la biomasse. Aujourd’hui, les chercheurs ont trouvé une solution permettant de produire de l’acide fumarique de manière durable et efficace. Deux études ont été menées vers le même objectif.
Dans la première, une équipe de recherche dirigée par le professeur Yutaka Amao du Centre de recherche pour la photosynthèse artificielle de l’Osaka Metropolitan University (OMU) a présenté les méthodes de synthèse de 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 utilisé comme matière première du processus, provenant directement de la phase gazeuse. Cependant, l’expérience présentait une limitation : elle ne pouvait pas produire un volume substantiel d’acide fumarique. La production restait faible.
Cependant, dans la recherche suivante, les scientifiques ont surmonté ce défi. Ils ont développé un nouveau photosensibilisateur et réalisé des avancées en photosynthèse artificielle qui ont pu doubler le rendement de l’acide fumarique par rapport aux méthodes traditionnelles.
Les scientifiques ont mis au point une méthode efficace pour produire du fumarate activé par la lumière visible à partir de CO2 gazeux et de pyruvate, le système comprenant de la triéthanolamine, du porphyrine de zinc cationique soluble dans l’eau, du zinc tétrakis(4‑N,N,N‑triméthylaminophényl)porphyrine, du complexe rhodium(III) pentaméthylcyclopentadiényle coordonné au 2,2′‑bipyridyle, du NAD⁺, de la malate déshydrogénase (décarboxylante de l’oxaloacétate dépendante du NAD⁺) et de la fumarase.
La recherche, intitulée « Une production efficace de fumarate activée par la lumière visible à partir de CO₂ gazeux et de pyruvate par le système photocatalytique à base de porphyrine de zinc cationique avec double biocatalyseur », a été soutenue par l’Institute of Fermentation, Osaka.
Dans l’ensemble, la recherche a établi empiriquement qu’il était possible de fabriquer un catalyseur avancé de photosynthèse artificielle capable d’utiliser le dioxyde de carbone de manière plus efficace pour produire des plastiques biodégradables.
Mais, si nous réfléchissons davantage et essayons 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 été une menace, et tout effort visant à les rendre biodégradables de manière durable doit être apprécié et encouragé.
L’un des dommages liés aux plastiques les plus graves sur la planète Terre est causé par les microplastiques. La National Oceanic and Atmospheric Administration des États‑Unis définit les microplastiques comme de petits morceaux de plastique de moins de cinq millimètres de long qui nuisent à notre santé, aux océans et à la vie aquatique. Cette catégorie comprend également les plastiques conçus intentionnellement pour être petits. Appelés microbilles, ils sont utilisés dans de nombreux produits de santé et de beauté. Ces microplastiques entraînent plusieurs implications néfastes.
Les microplastiques pénètrent dans notre corps par différents chemins, y compris l’eau que nous buvons, les aliments que nous consommons et les contenants alimentaires que nous utilisons, tous étant des voies d’ingestion orale de microplastiques. De plus, nous inhalons des microplastiques dans l’air, et nos produits de soins personnels ainsi que les coques de téléphones mobiles, qui contiennent des microplastiques, offrent des points d’entrée pour qu’ils entrent en contact avec nous.
Une fois à l’intérieur du corps humain, ces microplastiques peuvent provoquer de nombreux problèmes de santé. Ils sont connus pour induire un stress oxydatif et des dommages à l’ADN, entraîner des troubles métaboliques et causer des dysfonctionnements d’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 reproductives et de développement, illustrant la gravité de leur impact sur la santé humaine.
Le problème des microplastiques dépasse la santé humaine, car ces particules nuisent également à la vie marine. Elles 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, réduisant la vitesse de nage, diminuant la vitalité et la longueur du corps, et causant des lésions intestinales. Ces preuves soulignent la nécessité pressante de lutter contre la pollution de notre environnement par les microplastiques.
À la lumière de cela, de récentes enquêtes de plongée sous-marine ont mis en évidence le besoin urgent de solutions innovantes de collecte des déchets. Par exemple, une enquête révolutionnaire menée par des chercheurs du Desert Research Institute sur le fond du lac Tahoe a révélé une moyenne alarmante de 83 morceaux de débris plastiques par kilomètre, aucun tronçon du fond du lac n’étant exempt de débris plastiques. Les objets courants identifiés comprennent des contenants alimentaires, des bouteilles, des sacs plastiques et des jouets, les six types de plastique les plus courants étant le chlorure de polyvinyle (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 existent, les chercheurs s’intéressent également à évaluer le potentiel d’un « indicateur de durabilité » pour réduire la pollution plastique. Les chercheurs de l’Woods Hole Oceanographic Institution ont développé un indicateur de durabilité pour la conception écologique de produits plastiques à faible persistance dans l’environnement. Les chercheurs pensaient que cet indicateur pourrait apporter des bénéfices environnementaux et sociétaux.
L’étude a présenté une méthode innovante et inventive pour lutter contre la menace de la pollution plastique. L’approche pourrait être considérée comme similaire aux exercices de comptabilité d’impact social auxquels nous sommes habitués. Elle a comparé des indices d’impact environnemental des plastiques ainsi que leurs substituts, démontrant que prendre en compte la persistance environnementale du plastique et le remplacer efficacement pourrait générer des gains de plusieurs centaines de millions de dollars pour un seul produit de consommation.
« Ce qui est important à déterminer, c’est comment concevoir des matériaux, des produits et des procédés fonctionnels, durables et bénins, qui incarnent tous les principes de l’ingénierie des matériaux verts dans le futur monde dans lequel nous vivrons. »
“What’s important to determine is how can we design functional, sustainable, and benign materials, products, and processes that embody all of the principles of green materials engineering into the future world that we are going to live in.”
Dans l’ensemble, fabriquer des plastiques suffisamment biodégradables et identifier des alternatives appropriées les concernant a occupé la communauté scientifique et technologique. De nombreuses entreprises, grandes et petites, travaillent activement dans ce domaine.
#1. Mitsubishi Chemical Group
Mitsubishi Chemical Group participe activement à ce domaine depuis un certain temps. En tant que membre de la Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), créée en octobre 2012, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) a participé à un projet de photosynthèse artificielle mené par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Depuis lors, Mitsubishi a repoussé les limites pour atteindre une plus grande efficacité et optimisation du processus.
Il s’agissait de produire durablement de l’acide fumarique dans la recherche que nous avions présentée en introduction de notre discussion. Cependant, les efforts de Mitsubishi Chemical Group sont orientés vers la production d’oléfine.
Dans ce processus, un catalyseur synthétique joue un rôle crucial en permettant la réaction entre l’hydrogène séparé et le dioxyde de carbone. Le travail innovant de Mitsubishi dans le développement d’un catalyseur adapté et le raffinement des technologies de procédé nécessaires ont considérablement amélioré le rendement, rendant la production d’oléfine plus efficace.
En conséquence, l’oléfine est devenue une matière première produite efficacement pour la création de plastiques, illustrant la contribution de Mitsubishi à l’avancement des pratiques de fabrication durables dans l’industrie chimique.
Le Green Innovation Project, géré par le NEDO, a sélectionné le développement commercial par Mitsubishi de la production de matières premières chimiques basées sur la photosynthèse artificielle pour un financement en février 2022.
Dans les étapes ultérieures du développement, le processus convertira des matières premières provenant du pétrole et aidera à développer une technologie de production de plastiques exploitant le dioxyde de carbone en utilisant les technologies de fabrication pétrochimique, de développement de catalyseurs et d’autres technologies qu’il a cultivées en collaboration avec des universités et des instituts de recherche.
Mitsubishi Corporation a publié un rapport intégré pour l’exercice se terminant le 31 mars 2023. L’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires de plus de 159 milliards de dollars US.
#2. Evonik and Siemens
Ce qu’on appelle la photosynthèse technique, deux entreprises, Evonik et Siemens, utilisent l’énergie renouvelable et des bactéries pour convertir le dioxyde de carbone en produits chimiques spécialisés. Elles réalisent cette tâche dans le cadre d’un projet de recherche conjoint 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 des plastiques spéciaux et des compléments alimentaires.
Selon le Dr Thomas Haas, responsable du projet au sein du département de recherche stratégique Creavis d’Evonik :
“With the Rheticus platform, we want to demonstrate that artificial photosynthesis is feasible.”
Pour concrétiser cette affirmation, Evonik et Siemens contribuent selon leurs compétences clés. Par exemple, Siemens alimente le processus avec la technologie d’électrolyse, qui sera utilisée dans la première étape pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en hydrogène et monoxyde de carbone grâce à 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 spécialisés.
En détaillant son potentiel d’aide à l’industrie du plastique et des produits chimiques spécialisés, le Dr Haas a déclaré :
“Its modular nature and flexibility in terms of location, raw material sources, and products manufactured make the new platform attractive for the specialty chemicals industry in particular. We are confident that other companies will use the platform and integrate it with their own modules to manufacture their chemical products.”
Selon les derniers états financiers annuels disponibles, le groupe Evonik a enregistré des ventes d’environ 18,5 milliards d’euros en 2022. De ce chiffre d’affaires, les additifs spécialisés et la nutrition & soins ont chacun contribué à 23 %. Les revenus provenant des matériaux intelligents représentaient 26 % du chiffre d’affaires, tandis que les matériaux de performance contribuaient à 20 %, et les produits et services technologiques et d’infrastructure à 8 %.
Au cours de l’exercice 2023, Siemens a enregistré un chiffre d’affaires annuel d’environ 22 milliards d’euros, une augmentation significative par rapport aux 19,5 milliards d’euros enregistrés en 2022.
Plastiques et notre chemin vers la durabilité
Grâce à des efforts collectifs, nous devons nous assurer de prendre les bonnes mesures vers un avenir riche en bioplastiques, qui sont soit des plastiques biodégradables, soit des matériaux biosourcés, tirant leur énergie de ressources renouvelables. Ces bioplastiques, en termes de durabilité et d’utilisabilité, ne seraient pas moins performants que les plastiques conventionnels. Ils pourraient être traités avec les machines plastiques classiques et stockés dans des entrepôts traditionnels, éliminant ainsi la redondance des ressources.
L’incapacité à trouver une alternative viable à la menace des déchets plastiques se traduirait par des dangers graves pour plusieurs pays du monde. L’Asie du Sud‑Est, par exemple, est déjà devenue un « point chaud » de la pollution plastique, une situation aggravée par l’urbanisation rapide et une classe moyenne en pleine expansion. En outre, le manque d’infrastructures efficaces a entraîné une faible efficacité du recyclage des plastiques.
Ce problème de mauvaise gestion des déchets a été encore aggravé pendant la période COVID en raison de la consommation de masques, de bouteilles de désinfectant et d’emballages de livraisons 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.
À la lumière d’une telle mauvaise gestion des déchets et de l’insuffisance des infrastructures, les bioplastiques apparaissent comme l’alternative la plus efficace, indépendante de ces dysfonctionnements. De plus, les bioplastiques soutiennent nos efforts de durabilité puisqu’ils dépendent moins des combustibles fossiles conventionnels. L’utilisation de plastiques biodégradables signifie également des scénarios de fin de vie améliorés pour l’élimination et le recyclage.
Cependant, la part des bioplastiques reste encore bien inférieure à ce qu’elle devrait être pour que notre avenir repose entièrement sur des 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 un pour cent. Cependant, on s’attend à ce qu’elle connaisse une croissance significative dans les années à venir dans divers domaines d’application, notamment l’emballage, les biens de consommation, la construction, l’automobile et le transport, le textile, l’agriculture et l’horticulture, l’électronique, les revêtements et les adhésifs, et bien d’autres.
Les technologies de pointe, soutenues par la recherche, telles que la photosynthèse artificielle et la production durable de composants plastiques alimentée par des sources d’énergie renouvelable, auront un impact significatif sur les moyens de gérer le plastique. Ces processus signifieront non seulement des plastiques plus respectueux de l’environnement, mais aussi un écosystème de production durable et quasi exempt d’émissions.
