Comme polymères à base de pétrole souillent nos océans et de la litière de notre vie, les chercheurs cherchent plus respectueux de l'environnement des moyens de répondre à la demande pour les matériaux polyvalents durables. Flickr: Photo par Bo Eide (Flickr / Creative Commons) 

Juillet 29, 2015 - Le sort des océans du monde peut reposer à l'intérieur d'un réservoir en acier inoxydable pas tout à fait la taille d'un petit fût de bière. À l'intérieur, les bactéries génétiquement modifiées transforment le sirop de maïs en une masse de polymères qui peuvent être utilisés pour produire une grande variété de plastiques courants.

«C'est un peu comme faire du yogourt», déclare Oliver Peoples, directeur scientifique de Metabolix, Inc.

La société basée dans le Massachusetts Cambridge, où bioplastiques prennent forme dans des chambres de fermentation à l'échelle laboratoire est l'un d'un nombre croissant d'entreprises et d'institutions travaillant à développer, plus respectueux de l'environnement de remplacement à prix compétitif pour les plastiques conventionnels, qui sont fabriqués à partir de combustibles fossiles, ne parviennent pas à se décomposer et se tournent nos océans dans les mers de plastique flottant.

"Nous avons vu cette énorme augmentation de la production de plastique qui entraîne une augmentation du flux de déchets", explique Jenna Jambeck, membre du corps enseignant en génie de l'environnement à l'Université de Géorgie. "Contrairement au matériau qui se biodégrade, le plastique a tous ces problèmes. Il se déplace facilement dans les cours d'eau, il se fragmente physiquement en petits morceaux qui sont extrêmement durs ou impossibles à recueillir, et [il a tendance à] absorber les contaminants chimiques qui se trouvent déjà dans l'environnement. "

Quelque 4.8 millions à 12.7 millions de tonnes (5.3 millions à 14 millions de tonnes) de plastique, ou 4 pour cent du million de tonnes environ de plastique produit chaque année, sont entrés dans l'océan comme détritus dans 300. On s'attend à ce que le chiffre augmente 330 dans la prochaine décennie car plus de plastique est produit et évite par la suite la gestion des déchets et les efforts de recyclage, selon une étude Jambeck et ses collègues publié plus tôt cette année dans la revue Sciences.

Quel effet tout ce plastique a sur les êtres vivants, y compris les humains, reste pas clair. Un certain nombre d'études récentes montrent que les produits chimiques dans de petits morceaux de plastique, et même les morceaux de plastique eux-mêmes, peuvent s'accumuler dans les oiseaux, les poissons et d'autres formes de vie marine. Les tests de laboratoire ont montré que les produits chimiques qui les composent peuvent causer des effets néfastes sur la santé, y compris des dommages au foie et perturbation endocrinienne par l'expression de gènes altérés. Si des effets similaires se produisent en dehors du laboratoire ou s'ils s'étendent jusqu'à la chaîne alimentaire à des personnes qui mangent des organismes marins reste inconnu, pourtant les deux semblent tout à fait plausibles.

Et ce n'est pas tout. Les plastiques sont connus dans le département de gaz à effet de serre ainsi. À peu près 8 pour cent du pétrole utilisé dans le monde chaque année se faire directement ou en plastique pour alimenter les procédés de fabrication de matière plastique, selon un rapport récent du Worldwatch Institute.

«Même si les gens ont l'impression d'utiliser moins de plastique plutôt que plus, les plastiques sont des matériaux modernes qui rendent les voitures plus légères, purifient l'eau et apportent un énorme avantage aux applications de santé et de sécurité.» - Marc Hillmyer juste réduire notre utilisation? D'une part, les plastiques sont incroyablement polyvalents, répondant à un éventail de besoins de flexibilité, de coût et d'autres paramètres que les matériaux de substitution seraient difficiles à égaler. Non seulement cela, mais les matériaux de substitution présentent leurs propres impacts négatifs sur l'environnement, la société et la santé.

«Même si les gens se sentent comme ils aimeraient utiliser moins de plastique plutôt que de plus, le fait de la question est que les matières plastiques sont des matériaux modernes qui rendent les voitures plus légères, purifient l'eau et ajoutent un avantage énorme pour les applications de santé et de sécurité», explique Marc Hillmyer, directeur de la Center for Polymers durable à l'Université du Minnesota à Minneapolis.

En d'autres termes, il existe de bonnes raisons de rechercher des alternatives plus durables aux plastiques conventionnels, à savoir les plastiques d'origine végétale. Ces bioplastiques sont capables de se dégrader, réduisant considérablement le risque qu'ils finissent par polluer la terre ou la mer. Ils réduisent également notre dépendance aux combustibles fossiles, réduisant ainsi l'empreinte carbone du plastique. Les émissions de gaz à effet de serre associées aux bioplastiques sont inférieures de 26 à celles associées au plastique conventionnel, selon une analyse récente du cycle de vie du plastique à base de maïs et de pétrole par des chercheurs de la Michigan State University.

Alternatives émergents

Il n'est toutefois pas facile de trouver des solutions de rechange décomposables non pétrolières aux plastiques actuels. Le plastique fabriqué à partir de maïs, de canne à sucre ou d'autres matières à base de plantes n'est pas nécessairement dégradable, et la dégradation peut se produire lorsque vous le souhaitez.

"Vous ne voulez pas que votre sac en plastique à se dégrader pendant que vous utilisez», dit Hillmyer. "D'autre part, vous voulez qu'il se dégrade rapidement lorsqu'il est mis dans un autre environnement."

Alors que les chimistes ont eu de la difficulté reformulant plastiques à base de pétrole afin qu'ils puissent se dégrader, un certain nombre de bioproduits, alternatives dégradable émergent.

Malgré ces succès et d'autres récents, les bioplastiques restent une infime fraction de l'industrie dans son ensemble. Natureworks, une société basée à Minnetonka, Minnesota, est l'un des principaux fabricants mondiaux de bioplastiques. L'entreprise fabrique de l'acide polylactique, ou PLA, un plastique biodégradable qu'elle s'approvisionne à partir de fécule de maïs et transforme en une large gamme de produits de consommation - y compris des couverts, des tasses et des emballages à usage unique - qui se décomposent à la fin de leur vie utile. L'usine de production initiale de la société à Blair, Nebraska, a été mise en service en 2002 et peut produire 140,000 150,000 tonnes métriques (XNUMX XNUMX tonnes) de PLA par an. La société a récemment annoncé son intention d'ouvrir une deuxième usine en Asie du Sud-Est qui utiliserait la canne à sucre comme matière première.

Un autre fabricant leader de bioplastique est la Coca-Cola Company, qui 2009 lancé PlantBottle, une bouteille de boisson à base de polyéthylène téréphtalate -aliments pour animaux domestiques - qui contient jusqu'à 30 pour cent de matériaux biosourcés. Les bouteilles ne sont pas dégradables mais, contrairement à la plupart des plastiques biosourcés, peut être recyclé avec PET classique, un plastique couramment recyclé. Depuis 2009 la société a produit 35 milliards de ses PlantBottles originaux. En Juin 2015 la société a dévoilé une nouvelle version qui est 100 pour cent biosourcé.

Malgré ces succès récents et d'autres, les bioplastiques restent une infime partie de l'industrie dans son ensemble. Les matériaux sont bien adaptés aux produits à usage unique tels que les cuillères et les bouteilles où les consommateurs sont prêts à payer plus cher pour des produits plus durables. Une durabilité élevée, des applications moins visibles - par exemple, les conduites d'eau en PVC qui sont couramment utilisées dans la plomberie résidentielle et commerciale - sont toujours entièrement faites de plastique conventionnel. Au total, moins de 0.5 pour cent de tout le plastique provient de sources non pétrolières, selon la Société de l'industrie des plastiques, un groupe de commerce de l'industrie basé à Washington, DC

La réglementation gouvernementale, cependant, conduit à l'utilisation accrue des bioplastiques. Dans 2014 Illinois microbilles interdits, minuscules abrasifs plastiques couramment utilisés dans les exfoliants pour le visage, shampoing et dentifrice, en raison de préoccupations au sujet de la dégradation de l'environnement dans les Grands Lacs. A moins d'un millimètre de diamètre, les microbilles sont trop petites pour être filtrées par des systèmes de traitement des eaux usées et ont été trouvés dans les eaux douces et des milieux marins.

Les biens de consommation qui peuvent être fabriqués à partir biodégradables PHA comprennent des sacs, des ustensiles et des gaines de câbles électriques. Photo gracieuseté de Metabolix.

Avec une interdiction fédérale des microbilles attendues, Metabolix s'est associé à Honeywell en mars pour produire une alternative biodégradable aux microbilles. Les microbilles que les deux entreprises développent sont fabriquées à partir de polyhydroxyalcanoates, ou PHA, un bioplastique plus coûteux mais aussi plus polyvalent que PLA. Les microbilles que les deux entreprises développent sont fabriquées en fermant la fécule de maïs, bien qu'elles puissent aussi être fabriquées à partir de cultures non alimentaires comme le panic raide. Les microbilles de PHA vont se dégrader en dioxyde de carbone et en eau en quelques mois au même rythme que la cellulose ou le papier, dit Peoples.

Autour des bas côtés

Comme nous augmentons notre dépendance à l'égard des matières plastiques provenant de cultures telles que le maïs ou la canne à sucre, nous pourrions introduire par inadvertance de nouvelles préoccupations environnementales. Une étude récente dans la revue Production plus propre bioplastiques notées issues de matières premières agricoles utiliser des quantités importantes d'eau, pesticides et engrais cela peut causer la pollution de l'air et de l'eau et concurrencer pour la terre avec des cultures cultivées pour la nourriture.

Une façon de contourner les côtés vers le bas des matières plastiques à base de plantes tout en réduisant la dépendance au pétrole est d'utiliser CO₂ comme matière première à la place. Novomer, une société filé de la recherche à l'Université Cornell à Ithaca, New York, est en train de déchets CO₂ des usines de production d'éthanol en plastique. La société fabrique des polyols - des polymères utilisés pour fabriquer de la mousse souple dans les matelas, les coussins de siège et l'isolation, ainsi qu'une gamme de revêtements spéciaux et de produits d'étanchéité.

«Si votre matelas était fabriqué avec notre matériau, il représenterait environ 22% en poids de dioxyde de carbone», déclare Peter Shepard, vice-président exécutif des polymères de Novomer. "Il faut un gaz à effet de serre qui est un déchet et le transforme en un produit précieux. "

Typiquement CO₂ est trop inertes pour réagir avec d'autres composés, ce qui rend son utilisation dans des plastiques ou d'autres applications difficiles. Geoffrey Coates, professeur de chimie à l'Université Cornell à Ithaca et un co-fondateur de Novomer, a développé un catalyseur qui augmente la réactivité du CO₂ tout en ralentissant simultanément la réactivité d'un autre ingrédient clé de polyol - ce qui facilite l'incorporation de CO₂ dans le polymère résultant.

«C'est comme si vous aviez des enfants et que vous leur donniez des pizzas et du brocoli et que vous leur disiez que chaque fois que vous mangez une pizza, vous devez manger un morceau de brocoli», dit Coates, membre du Centre des polymères durables .

Le plus grand défi pour les bioplastiques est qu'ils sont en concurrence avec les plastiques conventionnels, les matériaux incroyablement peu coûteux qui ont été rectifiées pour les 60 dernières années, les polyols Scheer says.The faites par Novomer sont dégradables, mais perdent leur dégradabilité lorsqu'ils sont combinés avec des produits chimiques à base de pétrole pour faire mousse.

Bien que la société se concentre actuellement sur la fabrication de mousses et mastics, Shepard dit CO Novomer₂polymères à base de carbone pourraient être utilisés pour fabriquer des plastiques dégradables avec un CO₂ contenu aussi élevé que 50 pour cent.

Le plus grand défi

Malgré une forte croissance au cours des dernières années, certains disent que les bioplastiques ne sont pas à la hauteur de leur potentiel.

«L'industrie des bioplastiques n'a pas été en mesure de créer des polymères qui sont suffisamment attractive en termes de prix et en termes de propriétés qui feront le monde prêt à changer», dit Frederick Scheer, l'ancien PDG de Cereplast, une société de bioplastiques fois leader que la faillite déclarée dans 2014.

Le plus grand défi pour les bioplastiques est qu'ils sont en concurrence avec les plastiques conventionnels, des matériaux incroyablement peu coûteux qui ont été affinés pour les années 60 passées, dit Scheer.

«Les gens sont quelque peu conscients de l'impact environnemental des matériaux à base de pétrole qui ne se biodégraderont pas, mais ils ne sont pas prêts à dépenser des dollars supplémentaires pour pousser de nouveaux types de matériaux», dit-il.

La concurrence avec le plastique à base de pétrole n'a fait que s'intensifier au cours de la dernière année, le prix du pétrole ayant diminué de moitié. «Pour être compétitif avec les matériaux à base de pétrole traditionnels, nous avions besoin que le prix du pétrole se situe quelque part autour de $ 130, $ 140 le baril», dit Scheer. "Clairement, à $ 50 un baril nous sommes loin de pouvoir rivaliser."

Scheer dit que la capacité de faire en sorte que toutes les matières plastiques du monde proviennent de sources non pétrolières existe, mais pour ce faire, il faudrait un soutien gouvernemental important. "Il faudra que cela soit piloté par une réglementation qui forcera le coût du plastique et le coût du pétrole à être sensiblement plus élevés qu'aujourd'hui", dit-il.

Polyéthylène concurrent?

Si les plastiques durables qui réduisent notre dépendance aux combustibles fossiles et se dégradent à la fin de leur vie utile vont devenir courants, ils devront être en mesure de subvenir non seulement aux microbilles, à la mousse et à d'autres applications spécialisées, mais aussi aux thermoplastiques. -cost, polymères façonnables qui comprennent plus de 80 pour cent des centaines de millions de tonnes de plastique produites chaque année.

Coates travaille maintenant sur un nouveau biopolymère avec des propriétés comparables ou peut-être mieux que le polyéthylène, le thermoplastique le plus largement utilisé pour fabriquer tout, des sacs poubelles aux bouteilles d'eau en passant par les jouets en plastique.

Même une fine couche de polyéthylène est incroyablement résistante, ce qui rend, par exemple, l'envoi d'enveloppes pratiquement impossibles à ouvrir sans ciseaux ou pots à lait qui ne cassent pas lorsqu'ils tombent sur le sol. "La plupart de cela est parce que c'est un matériau semi-cristallin", dit Coates. "Les chaînes [en polymère] se serrent l'une contre l'autre d'une manière très serrée et spécifique qui, dans l'ensemble, donne des propriétés assez impressionnantes."

Dans un étude publiée dans le 2014 Journal de l'American Chemical Society, Coates et ses collègues de Cornell ont décrit un nouveau matériau à structure semi-cristalline qui est fabriqué à partir d'une charge de sucre et qui a des propriétés similaires à celles du polyéthylène, mais qui est plus apte à se décomposer à la fin de sa vie utile.

«Cela ne se produit pas du jour au lendemain, mais je pense qu'il existe certains indices positifs indiquant qu'il pourrait s'agir d'un véritable concurrent pour un plastique tel que le polyéthylène, a déclaré Hillmyer.

Le nouveau matériau, connu sous le nom de poly (succinate de polypropylène), n'a pas été testé pour voir à quelle vitesse il se décomposerait dans une décharge ou dans un environnement marin. Mais selon sa composition, dit Coates, il devrait commencer à se dégrader dans l'eau après plusieurs mois, une période qui dépasserait la durée de vie utile de la plupart des produits à usage unique. Le poly (succinate de polypropylène) se décompose en propylène glycol et en acide succinique, des matériaux non toxiques qui sont encore réduits en CO₂ et de l'eau lorsqu'elle est ingérée par des microbes.

«Si vous deviez manger des produits de dégradation du polymère, ceux-ci seraient ceux que vous voulez», dit Coates.

Il est peu probable que le poly (succinate polypropylène) ne sera jamais coûter moins sur une base de livre-pour-livre que le polyéthylène classique, mais sa structure cristalline unique, donne à penser qu'il pourrait faire mieux que son homologue de pétrole. Si oui, les fabricants de bioplastiques peuvent un jour être en mesure de rivaliser avec l'industrie des plastiques d'aujourd'hui en faisant des choses comme les bouteilles de lait avec beaucoup moins de matière que les plastiques à base de pétrole.

Bataille en montée

Court de balayer les règlements gouvernementaux qui mettent un prix sur le carbone ou nécessitent tous les plastiques se biodégrader, bioplastiques devront trouver des moyens de supplanter les plastiques conventionnels si elles vont jamais remplir plus des applications de niche.

Il est une bataille difficile - mais qu'un autre produit une fois niche, le panneau solaire, est de plus en plus gagner.

Dans l'énergie solaire 2007 constitué moins de 0.1 pour cent de la production d'électricité aux États-Unis. Grâce à l'ingéniosité et à l'innovation, le prix des modules photovoltaïques a chuté de US $ 4 par watt à US $ 0.50 par watt, faisant de l'énergie solaire la source d'électricité à la croissance la plus rapide du pays.

Pourrait ceux qui travaillent sur les bioplastiques voir un changement de la mer semblable? En fin de compte, beaucoup de choses vont probablement monter non seulement sur la façon dont leurs produits se décomposent, mais sur combien ils peuvent briser l'avantage concurrentiel de plastique conventionnel.

A propos de l'auteur

Phil McKenna est un écrivain indépendant intéressé par la convergence d'individus fascinants et d'idées intrigantes. Il écrit principalement sur l'énergie et l'environnement en mettant l'accent sur les personnes derrière les nouvelles. Son travail apparaît dans La New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER et NOVA, où il est un éditeur contribuant.

Cet article a paru sur Ensia

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