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

Débloquer le recyclage du plastique

Depuis leur adoption massive par l’industrie manufacturière dans les années 1960, les plastiques sont devenus un matériau omniprésent dans notre quotidien. Ils sont également à l’origine d’une pollution très grave, notamment microplastiques – les fragments microscopiques de plastique, décomposés, qui polluent l’ensemble de la Terre et de ses océans.

Il a été démontré que les microplastiques réduisent l’efficacité des antibiotiques, qu’ils sont trouvés dans les fœtus, nos cœurs et nos cerveaux, ingérés par la faune marine, etc.

De nombreuses stratégies sont explorées pour faire face à la pollution déjà existante de microplastiques, par exemple, adopter des indicateurs de durabilité, en utilisant des solvants répulsifs d’eau non toxiques, ou en revalorisant les plastiques avec des lasers ou photocatalyse activée 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 (XOM ).

Le problème avec la plupart des solutions à la pollution plastique est qu’elles sont relativement coûteuses, ce qui empêche de nombreux pays d’être disposés ou capables de les mettre en œuvre face à un problème mondialisé. Une meilleure solution serait de transformer les déchets plastiques en une ressource permettant de produire des matériaux de valeur, créant ainsi un fort incitatif économique à collecter les déchets plastiques.

C’est ce sur quoi les chercheurs du Oak Ridge National Laboratory ont travaillé. Ils ont découvert une façon de « surcycler les déchets plastiques en plastiques à performances supérieures », publiant leurs résultats dans le Journal of the American Chemical Society sous le titre Polyalkénamères comme additifs prêts à l’emploi pour la polymérisation par métathèse d’ouverture de cycle : un paradigme prometteur d’upcycling”¹.

Pourquoi le recyclage traditionnel n’est-il pas suffisant ?

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

C’est un problème, car chaque cycle de recyclage du plastique crée des polymères de moins en moins précieux, 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 formées et liées entre elles.

Ainsi, avec la technologie de recyclage actuelle, les plastiques ne peuvent être réutilisés qu’un nombre limité de fois et finiront quand même comme déchets, après seulement quelques cycles de recyclage au lieu d’une utilisation unique.

De plus, certains types de plastiques ne peuvent vraiment pas être recyclés avec cette méthode et finissent généralement incinérés ou en décharges.

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

Source: PureCycle Technologies

Upcycling au lieu du recyclage

Le concept d’« upcycling » est que le produit résultant du processus de recyclage soit réellement supérieur au matériau initial.

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

Ils ont travaillé avec des molécules aujourd’hui peu ou pas du tout recyclées. Cela incluait le polybutadiène souple, un matériau courant dans les pneus, et l’acrylonitrile butadiène styrène résistant, utilisé dans les jouets en plastique, les claviers d’ordinateur, les conduits de ventilation, les protections de tête, les garnitures et moules de véhicules, ainsi que les appareils de cuisine.

« Nous traitons une composante importante du flux de déchets avec cette technologie. Cela aurait un impact considérable rien qu’en conservant la masse et l’énergie des matériaux qui finissent aujourd’hui en décharge. »

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Le processus possède une très haute « économie d’atome », ce qui signifie qu’il récupère dans le produit final presque tout le plastique à recycler qui y est introduit.

Comment cela fonctionne

Afin de recréer des polymères plastiques solides à partir du matériau à recycler, ils ont d’abord créé un additif à incorporer dans le plastique existant.

Source: Journal of the American Chemical Society

Pour fabriquer l’additif, ils ont broyé le polybutadiène et l’acrylonitrile butadiène styrène, puis les ont immergés 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 plastiques et il est aussi employé 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 allonger.

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

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

Source: Sigma Aldrich

Le travail était une tâche collaborative, 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 Oak Ridge National Laboratory ont démontré que le processus, qui consomme moins d’énergie et produit moins d’émissions que le recyclage traditionnel, intègre efficacement les matériaux de déchets sans compromettre la qualité du polymère.

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

Les prochaines étapes du upcycling du plastique

Upcycling de tous les plastiques

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

« La vision est que ce concept puisse être étendu à tout polymère possédant un groupe fonctionnel de squelette susceptible de réagir.

Si l’on passe à l’échelle et que l’on élargit l’utilisation à d’autres additifs, des classes plus larges de déchets pourraient être exploitées comme blocs de construction moléculaires, réduisant de façon spectaculaire l’impact environnemental d’autres plastiques difficiles à traiter. 

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

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

Au‑delà des plastiques

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

Les chercheurs la considèrent comme particulièrement prometteuse pour une classe de matériaux polymères appelés thermodurcissables. Cela inclut 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 d’upcycling développée ici, qui attaque la structure moléculaire réticulée des plastiques, pourrait être appliquée à la même structure dans les matériaux thermodurcissables.

Comme le processus de repolymérisation est hautement personnalisable, le produit upcyclé final pourrait être supérieur à l’original. Les matériaux upcyclés pourraient, par exemple, être plus souples et plus extensibles que les polymères d’origine ou, peut‑être, plus faciles à façonner et à durcir en produits thermodurcissables durables.

Conclusion

Le surcyclage est une option prometteuse pour augmenter le taux de recyclage du plastique, car il devrait fournir l’incitatif économique qui manquait jusqu’à présent pour atteindre 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 pratiquer l’upcycling au lieu d’un recyclage médiocre seront probablement tous des éléments de la solution à la pollution plastique.

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

Entreprise de recyclage

PureCycle Technologies

PureCycle est une entreprise de recyclage du plastique spécialisée dans le polypropylène (PP), transformant le PP de rebut en résine PP ultra‑pure recyclée.

Ils ont créé une procédure propriétaire pour « nettoyer » le PP de rebut de tous les matériaux ajoutés dans les produits finis, tels que le polyéthylène, les matériaux solides, les pigments, les contaminants, etc.

Source: PureCycle Technologies

Ce processus d’extraction diffère du système de filtration mécanique couramment utilisé, qui génère un PP de qualité trop basse pour la plupart des applications industrielles, même avec 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: PureCycle Technologies

Le produit final de PureCycle est accepté par la FDA pour diverses applications habituelles du PP, y compris le stockage alimentaire, les contenants chauds ou pasteurisés, et le stockage d’aliments surgelés. Les futurs produits devraient inclure des fibres, des films d’emballage, des moules d’injection pour l’emballage et des plastiques automobiles.

En plus du recyclage des déchets plastiques, le processus est beaucoup plus efficace énergétiquement, avec une consommation 79 % inférieure à celle du « PP vierge », et une empreinte d’émissions de gaz à effet de serre 35 % plus faible.

L’entreprise a construit son installation de production de granulés à Ironton, avec la première production en juin 2023, afin de 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 un joint‑venture avec SK geo centric, visant à atteindre une capacité de recyclage annuelle de 630 millions de livres d’ici 2027.

Source: PureCycle Technologies

L’installation d’Ironton a atteint une production de granulés de 3,5 millions de livres au troisième trimestre 2024, triplant ainsi le volume du trimestre précédent, tout en constatant une amélioration de la qualité du produit final.

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

Référence de l’étude :

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