Le CRISPR pour l'édition des polymères pourrait remodeler les efforts mondiaux de recyclage

Débloquer le recyclage du plastique

Depuis leur adoption généralisée par l’industrie manufacturière dans les années 1960, les plastiques sont devenus un matériau omniprésent dans notre vie quotidienne. Ils sont également à l’origine de pollutions très graves, notamment microplastiques – les fragments microscopiques de plastique décomposés qui polluent la totalité de la Terre et de ses océans.

Il a été démontré que les microplastiques réduire l'efficacité des antibiotiques, être trouvé dans les fœtus, nos cœurs et nos cerveaux, mangé par la faune marine, etc.

De nombreuses stratégies sont explorées pour faire face à la pollution microplastique déjà existante, par exemple : Adopter une mesure de durabilités, en utilisant solvants hydrofuges non toxiques, ou réutiliser les plastiques avec des lasers or photocatalyse par la lumière.

Par ailleurs, Des entreprises comme ExxonMobil sont poursuivies en justice en raison du faible taux de recyclage du plastique produit à partir du pétrole.

Le problème avec la plupart des solutions à la pollution plastique est qu’elles sont relativement coûteuses, ce qui fait que de nombreux pays ne sont pas disposés ou capables de mettre en œuvre des solutions à ce problème mondial. Une meilleure solution serait de faire des déchets plastiques une ressource pour produire des matériaux de valeur, créant ainsi une forte incitation économique à la collecte des déchets plastiques.

C’est ce sur quoi travaillent les chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge. Ils ont découvert un moyen de « recycler les déchets plastiques en plastiques plus performants », publiant leurs résultats dans le Journal of the American Chemical Society sous le titre «Les polyalcénamères comme additifs directs pour la polymérisation par métathèse par ouverture de cycle : un paradigme de recyclage prometteur »¹.

Pourquoi le recyclage traditionnel ne suffit-il pas ?

Le plastique est déjà recyclé, mais le processus est loin d’être parfait. Les chercheurs qui ont travaillé sur cette publication le décrivent avec justesse comme « faire fondre et espérer le meilleur ».

Il s’agit d’un problème, car chaque cycle de recyclage du plastique crée de moins en moins de polymères de valeur, le produit résultant affichant une résistance, une couleur, une durabilité, etc. inférieures. Cela se produit parce que la fusion non dirigée modifie la façon dont les chaînes de polymères plastiques sont fabriquées et liées les unes aux autres.

Ainsi, avec la technologie de recyclage actuelle, les plastiques ne peuvent être réutilisés qu’un nombre limité de fois, mais finiront de toute façon à la poubelle, après seulement quelques cycles de recyclage au lieu d’une seule utilisation.

De plus, certains types de plastiques ne peuvent pas réellement être recyclés avec cette méthode et finissent généralement par être incinérés ou mis en décharge.

En fait, seulement 9 % de la production mondiale de plastique est recyclée.

Source: Technologies PureCycle

Upcycling au lieu de recycler

Le concept de « upcycling » est que le produit résultant du processus de recyclage est en réalité supérieur au matériau initial.

Cela ne peut être réalisé qu'en réorganisant de manière contrôlée les chaînes polymères qui forment le plastique. Ce type de « modification » ciblée de la structure du plastique a conduit les chercheurs à comparer leur nouvelle méthode à CRISPR, une technologie permettant de modifier à volonté des brins d'ADN et d'ARN.

Ils travaillaient avec des molécules qui sont aujourd’hui peu ou pas recyclées. Parmi elles, le polybutadiène souple, un matériau courant dans les pneus en caoutchouc, et l’acrylonitrile butadiène styrène, un matériau résistant utilisé dans les jouets en plastique, les claviers d’ordinateur, les tuyaux de ventilation, les casques de protection, les garnitures et les moulages de véhicules et les appareils de cuisine.

« Grâce à cette technologie, nous traitons une part importante du flux de déchets. L'impact serait considérable, ne serait-ce que par la conservation de la masse et de l'énergie des matériaux actuellement enfouis. »

Jeffrey Foster, membre distingué du personnel d'Alvin M. Weinberg

Le procédé présente une « économie atomique » très élevée, ce qui signifie qu’il récupère dans le produit final la quasi-totalité du plastique à recycler qui y entre.

Comment ça marche

Afin de recréer des polymères plastiques résistants à partir de matériaux à recycler, ils ont d’abord créé un additif à ajouter au plastique existant.

Source: Journal de l'American Chemical Society

Pour fabriquer l'additif, ils ont broyé du polybutadiène et de l'acrylonitrile butadiène styrène et les ont plongés dans du dichlorométhane. La réaction chimique a fonctionné à basse température (40°C / 104°F) et en moins de deux heures.

La réaction nécessitait également un catalyseur, et le ruthénium a été utilisé. Il s'agit d'un catalyseur bien connu dans la fabrication de plastique et qui est également utilisé pour convertir la biomasse, comme les huiles végétales, en carburants et autres composés organiques de grande valeur.

Les atomes de ruthénium « transportent » essentiellement les plus petits éléments plastiques et les amènent aux polymères pour les rendre plus longs.

Le processus de « métathèse » utilise de fortes doubles liaisons entre les atomes de carbone pour augmenter les chances de réactions chimiques.

Une partie de la méthode, appelée polymérisation par métathèse par ouverture de cycle, ouvre les molécules de carbone circulaires et les transforme en polymères longs utiles. Une autre partie, appelée croix-métathèse, insère des chaînes de sous-unités polymères d'une chaîne polymère dans une autre.

Source: Sigma Aldrich

Le travail a été réalisé en collaboration, certains chercheurs étant chargés d’optimiser la polymérisation, d’autres utilisant la spectroscopie RMN (résonance magnétique nucléaire) pour analyser les réactions en temps réel, et d’autres testant les propriétés mécaniques et thermiques des matériaux finaux.

Résultats solides

Les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge ont démontré que le processus, qui utilise moins d’énergie et produit moins d’émissions que le recyclage traditionnel, intègre efficacement les déchets sans compromettre la qualité des polymères.

Le plastique recyclé résultant présente de fortes performances thermiques et mécaniques, le rendant supérieur au matériau d’origine et bien supérieur au plastique recyclé avec des méthodes traditionnelles.

Les prochaines étapes du recyclage du plastique

Recyclage de tous les plastiques

Cette méthode, déjà démontrée pour certains plastiques, pourrait être étendue à tous les autres plastiques. Des solvants plus respectueux de l'environnement pourraient également constituer une amélioration.

« L’idée est que ce concept pourrait être étendu à n’importe quel polymère possédant une sorte de groupe fonctionnel principal avec lequel réagir.

Si l’on développe cette technologie et qu’on l’étend à d’autres additifs, des classes plus larges de déchets pourraient être exploitées pour en extraire des éléments de base moléculaires, réduisant ainsi considérablement l’impact environnemental d’autres plastiques difficiles à traiter. »

Jeffrey Foster, membre distingué du personnel d'Alvin M. Weinberg

Les détails économiques de la procédure doivent également être clarifiés, mais elle devrait être acceptable car elle utilise une basse température, un temps de réaction court et un catalyseur couramment utilisé.

Au-delà des plastiques

La méthode utilisée fonctionne avec les plastiques mais pourrait également être déployée sur d’autres produits chimiques.

Les chercheurs estiment que cette technologie est particulièrement prometteuse pour une classe de matériaux polymères appelés thermodurcissables, qui comprennent les résines époxy, le caoutchouc vulcanisé, le polyuréthane et le silicone.

Les matériaux thermodurcissables ne peuvent pas être refondus ou remodelés une fois durcis, ce qui rend leur recyclage difficile.

La méthode de surcyclage développée ici, attaquant la structure moléculaire réticulée des plastiques, pourrait être appliquée à la même structure dans les matériaux thermodurcissables.

Le processus de repolymérisation étant hautement personnalisable, le produit final recyclé pourrait être supérieur à l’original. Les matériaux recyclés pourraient être, par exemple, plus souples et plus extensibles que les polymères d’origine ou, peut-être, plus faciles à façonner et à durcir pour obtenir des produits thermodurcissables durables.

Conclusion

L’upcycling est une option prometteuse pour augmenter le taux de recyclage du plastique, car il devrait fournir l’incitation économique qui manquait jusqu’à présent pour obtenir plus de 10 % du plastique recyclé à l’échelle mondiale.

Réduire l’utilisation du plastique, éliminer les microplastiques, développer les bioplastiques (voir «Top 5 des entreprises de bioplastiques« ), et le recyclage au lieu du recyclage de mauvaise qualité feront probablement partie de la solution à la pollution plastique.

Ensemble, ils constitueront un élément clé du développement d’une économie circulaire beaucoup plus gourmande en ressources et beaucoup moins polluante.

Entreprise de recyclage

Technologies PureCycle

PureCycle est une entreprise de recyclage de plastique axée sur le polypropylène (PP), transformant les déchets de PP en résine PP recyclée ultra-pure.

Ils ont créé une procédure exclusive pour « nettoyer » les déchets PP de tous les matériaux ajoutés dans les produits finis, comme le polyéthylène, les matières solides, les pigments, les contaminants, etc.

Source: Technologies PureCycle

Ce processus d’extraction diffère du système de filtration mécanique couramment utilisé, qui génère du PP de trop mauvaise qualité pour la plupart des applications industrielles, même en utilisant des matières premières de haute qualité.

Le recyclage chimique est une autre option, mais il est loin d’être respectueux de l’environnement et n’est pas rentable.

Source: Technologies PureCycle

Le produit final de Purecycle est approuvé par la FDA pour diverses applications courantes du PP, notamment le stockage des aliments, les contenants chauds ou pasteurisés, et le stockage des aliments surgelés. Les futurs produits devraient inclure les fibres, les emballages sous film, les moules d'injection pour l'emballage et les plastiques automobiles.

En plus de recycler les déchets plastiques, le procédé est beaucoup plus économe en énergie, avec une consommation inférieure de 79 % à celle du « PP vierge » et une empreinte carbone de 35 % inférieure.

L'entreprise a construit son usine de production de granulés d'Ironton, avec la première production en juin 2023, pour déployer son processus de recyclage.

Elle construit également d'autres installations en Amérique du Nord et en Europe, et prévoit plus tard au Japon et en Corée du Sud avec une coentreprise avec SK géocentrique, visant à atteindre 630 millions de livres de capacité de recyclage annuelle à atteindre en 2027

Source: Technologies PureCycle

La production de granulés de l'usine d'Ironton a atteint 3.5 millions de livres au troisième trimestre 3, triplant par rapport au trimestre précédent, tout en constatant une augmentation de la qualité du produit résultant.

Dans l’ensemble, PureCycle est une bonne entreprise sur laquelle parier pour améliorer la technologie de recyclage du plastique et qui possède l’expérience nécessaire pour déployer progressivement de nouvelles technologies s’éloignant de la technologie de recyclage traditionnelle.

Référence de l'étude :

^{1. Jeffrey C. Foster et al. (2024) Polyalcénamères comme additifs directs pour la polymérisation par métathèse par ouverture de cycle : un paradigme de recyclage prometteur. Journal of the American Chemical Society 2024 146 (48), 33084-33092 DOI: 10.1021 / jacs.4c10588}