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Comment vert sont verts plastiques?

Scientific American Aug00

Il est maintenant technologiquement possible de fabriquer des plastiques à l’aide de plantes vertes plutôt que les combustibles fossiles. Mais ces nouveaux plastiques les sauveurs environnementaux chercheurs ont espéré?

Conduire sur une route de gravier poussiéreux dans le centre de l’Iowa, un fermier regarde vers l’horizon des rangées de grandes plantes, feuilles de maïs frissonnant dans la brise aussi loin que l’œil peut voir. Le fermier sourit à lui-même, parce qu’il sait quelque chose sur sa récolte que peu de gens se rendent compte. Non seulement les grains de maïs qui poussent dans les oreilles, mais les granules de plastique se multiplient dans les tiges et les feuilles.

Cette notion idyllique de plastique de plus en plus, réalisable dans un avenir prévisible, semble beaucoup plus attrayant que la fabrication de plastique dans les usines pétrochimiques, qui consomment environ 270 millions de tonnes de pétrole et de gaz chaque année dans le monde entier. Les combustibles fossiles fournissent à la fois la puissance et les matières premières qui transforment le pétrole brut en matières plastiques comme le polystyrène, le polyéthylène et le polypropylène. De cruches de lait et bouteilles de soda à l’habillement et des pièces automobiles, il est difficile d’imaginer la vie quotidienne sans plastique, mais la durabilité de leur production a été de plus remis en question. les réserves mondiales connues de pétrole devraient fonctionner à sec dans environ 80 ans, le gaz naturel dans les années 70 et charbon à 700 ans, mais l’impact économique de leur épuisement pourraient frapper beaucoup plus tôt. Comme les ressources diminuent, les prix vont augmenter – une réalité qui n’a pas échappé à l’attention des décideurs. Le président Bill Clinton a émis un décret en Août 1999 en insistant pour que les chercheurs travaillent à remplacer les ressources fossiles avec du matériel végétal à la fois comme combustible et comme matière première.

Avec ces préoccupations à l’esprit, les ingénieurs biochimiques, y compris les deux d’entre nous, ont été enchantés par la découverte de la façon de cultiver en plastique dans les plantes. Sur la surface, cette percée technologique semblait être la réponse finale à la question de la durabilité, parce que cette matière plastique à base de plantes serait "vert" de deux façons: il serait fait à partir d’une ressource renouvelable, et il finirait par tomber en panne, ou biodégrader, lors de la cession. D’autres types de matières plastiques, également fabriqués à partir de plantes, détiennent appel similaire. Des recherches récentes, cependant, a soulevé des doutes quant à l’utilité de ces approches. D’une part, la biodégradabilité a un coût caché: la décomposition biologique des matières plastiques libère du dioxyde de carbone et de méthane, gaz à effet de serre qui retiennent la chaleur que les efforts internationaux actuellement visent à réduire. Qui plus est, les combustibles fossiles seraient encore nécessaires pour alimenter le processus qui extrait la matière plastique à partir des plantes, une exigence d’énergie que nous avons découvert est beaucoup plus grande qu’on ne l’avait pensé. Avec succès la fabrication de plastiques verts dépend si les chercheurs peuvent surmonter ces obstacles de consommation d’énergie sur le plan économique – et sans créer de charges supplémentaires pour l’environnement.

La fabrication traditionnelle de matières plastiques utilise une quantité étonnamment importante de combustible fossile. Voitures, camions, avions et les centrales électriques représentent plus de 90 pour cent de la production des raffineries de pétrole brut, mais les plastiques consomment la majeure partie du reste, environ 80 millions de tonnes par an dans le États-Unis seulement. À ce jour, les efforts déployés par les industries de la biotechnologie et de l’agriculture pour remplacer les plastiques conventionnels avec des alternatives d’origine végétale ont adopté trois approches principales: la conversion des sucres de plantes en plastique, produisant plastique à l’intérieur des micro-organismes, et de plus en plus de plastique dans le maïs et d’autres cultures.

Cargill, un géant de l’exploitation agricole, et Dow Chemical, une entreprise chimique supérieure, ont uni leurs forces il y a trois ans pour développer la première approche, qui transforme le sucre de maïs et d’autres plantes dans un plastique appelé polylactide (PLA). Microorganismes transforment le sucre en acide lactique, et une autre étape relie chimiquement les molécules d’acide lactique dans les chaînes de plastique avec des attributs similaires au polyéthylène téréphtalate (PET), un plastique pétrochimique utilisé dans les bouteilles de soda et de fibres de vêtements.

La recherche de nouveaux produits à base de sucre de maïs a été un prolongement naturel des activités de Cargill dans l’industrie du maïs de mouture humide existant, qui convertit les grains de maïs à des produits tels que le sirop à haute teneur en fructose, acide citrique, huile végétale, le bioéthanol et les aliments pour animaux. En 1999, cette industrie a traité près de 39 millions de tonnes de maïs – environ 15 pour cent de la totalité de la récolte américaine pour cette année. En effet, Cargill Dow a lancé plus tôt cette année un effort de 300 millions $ pour commencer la production de masse de son nouveau plastique, NatureWorksTM PLA, d’ici la fin de l’année 2001 [voir entretien Gruber].

PRODUCTION ET ÉNERGIE REVENDICATIONS

D’autres sociétés, y compris Imperial Chemical Industries, ont développé des moyens de produire un second plastique, appelé polyhydroxyalcanoate (PHA). Comme PLA, PHA est fabriqué à partir de sucre de la plante et est biodégradable. Dans le cas de PHA, cependant, la bactérie Ralstonia eutropha transforme le sucre directement dans le plastique. PLA nécessite une étape chimique à l’extérieur de l’organisme pour synthétiser le plastique, mais PHA accumule naturellement à l’intérieur des micro-organismes sous forme de granulés qui peuvent constituer jusqu’à 90 pour cent de la masse d’une seule cellule.

En réponse à la crise du pétrole des années 1970, Imperial Chemical Industries a créé un procédé de fermentation à l’échelle industrielle dans laquelle les micro-organismes transformés activement le sucre de la plante en plusieurs tonnes de PHA par an. D’autres entreprises moulées la matière plastique dans des produits commerciaux tels que les rasoirs biodégradables et des bouteilles de shampooing et les ont vendus sur les marchés de niche, mais ce plastique est avéré coûter beaucoup plus que ses homologues à base de combustibles fossiles et a offert aucun avantage de performance autres que biodégradabilité. Monsanto a acheté le processus et les brevets associés en 1995, mais la rentabilité est restée insaisissable.

De nombreux groupes d’entreprises et universitaires, y compris Monsanto, ont depuis canalisé leurs efforts pour produire PHA dans la troisième approche: de plus en plus la matière plastique dans les plantes. Modification de la composition génétique d’une culture agricole afin qu’il puisse synthétiser en plastique comme il a grandi éliminerait le processus de fermentation tout à fait. Au lieu de cultiver la culture, la récolte, il, le traitement des plantes pour produire le sucre et la fermentation du sucre pour le convertir en plastique, on peut produire le plastique directement dans l’installation. De nombreux chercheurs vu cette approche la plus efficace – solution pour la fabrication de plastique à partir d’une ressource renouvelable – et la plus élégante. De nombreux groupes ont été (et sont encore) dans la poursuite de cet objectif.

Au milieu des années 1980, l’un d’entre nous (Slater) faisait partie d’un groupe qui a isolé les gènes qui permettent aux bactéries de fabriquer du plastique. Les enquêteurs ont prédit que l’insertion de ces enzymes dans une plante pousserait la conversion de l’acétyl-coenzyme A – un composé qui se forme naturellement que la plante convertit la lumière du soleil en énergie – dans un type de plastique. En 1992, une collaboration de scientifiques de l’Université d’État du Michigan et de l’Université James Madison premier accompli cette tâche. Les chercheurs ont génétiquement l’Arabidopsis thaliana plante pour produire un type fragile de PHA. Deux ans plus tard Monsanto a commencé à travailler pour produire un PHA plus souple à l’intérieur d’une plante agricole commune: le maïs.

Alors que la production de plastique ne serait pas en concurrence avec la production alimentaire, les chercheurs ont ciblé une partie de la plante de maïs qui ne sont pas généralement récoltées – les feuilles et la tige, ainsi appelé Stover. Growing plastique stover serait encore permettre aux agriculteurs de récolter le grain de maïs avec une traditionnelle combiner; ils pourraient peigner les champs une deuxième fois pour enlever les tiges et les feuilles de plastique contenant. Contrairement à la production de PLA et PHA fait par fermentation, qui sont en concurrence théoriquement pour les terres utilisées pour cultiver des plantes à d’autres fins, de plus en plus PHA dans la canne de maïs permettrait à la fois le grain et le plastique pour être récolté dans le même domaine. (L’utilisation de plantes qui peuvent se développer dans des milieux marginaux, comme le panic, serait également éviter la concurrence entre la production de plastique et d’autres besoins de la terre.)

Le problème: l’énergie et les émissions

Les chercheurs ont fait des progrès technologiques importants vers l’augmentation de la quantité de plastique dans l’usine et de modifier la composition de la matière plastique pour lui donner des propriétés utiles. Bien que ces résultats sont encourageants vus individuellement, obtenir à la fois une composition utile et haute teneur en plastique dans la plante se révèle être difficile. Les chloroplastes des feuilles ont jusqu’à présent se sont révélés être le meilleur emplacement pour la production de plastique. Mais le chloroplaste est l’organite vert qui capte la lumière, et de fortes concentrations de plastique pourrait ainsi inhiber la photosynthèse et de réduire les rendements céréaliers.

Les défis de séparer le plastique de la plante, aussi, sont redoutables. Les chercheurs de Monsanto à l’origine vu l’installation d’extraction en tant que complément à une usine de maïs de traitement existant. Mais quand ils ont conçu une installation théorique, ils ont déterminé que l’extraction et la collecte de la matière plastique nécessiterait de grandes quantités de solvant, ce qui aurait à récupérer après l’utilisation. Cette infrastructure de traitement rivalisait usines pétrochimiques plastiques existantes en grandeur et a dépassé la taille de l’usine de maïs d’origine.

Compte tenu du temps et des fonds suffisants, les chercheurs pourraient surmonter ces obstacles techniques. Tous les deux, en fait, avaient prévu pour le développement de plastiques biodégradables pour combler les prochaines années de nos programmes de recherche. Mais une plus grande préoccupation nous a fait demander si ces solutions méritent d’être poursuivis. Quand on a calculé l’énergie et les matières premières nécessaires à chaque étape de la PHA en croissance dans les plantes – la récolte et le séchage de la paille de maïs, l’extraction de PHA à partir de la canne, la purification de la matière plastique, la séparation et le recyclage du solvant, et le mélange de la matière plastique pour produire un résine – nous avons découvert que cette approche serait consommer encore plus de ressources fossiles que la plupart des routes de fabrication pétrochimique. [soulignement ajouté ]

Dans notre étude la plus récente, achevée au printemps dernier, nous et nos collègues ont constaté que faire un kilogramme de PHA à partir de plantes de maïs génétiquement modifiés, il faudrait environ 300 pour cent de plus d’énergie que les 29 mégajoules nécessaires pour fabriquer une quantité égale de polyéthylène à base de combustibles fossiles (PE). Pour notre déception, l’avantage d’utiliser le maïs à la place du pétrole comme matière première ne pouvait pas compenser cette demande d’énergie sensiblement plus élevée.

Sur la base des tendances actuelles de la consommation d’énergie dans l’industrie du maïs-traitement, il faudrait 2,65 kilogrammes de combustibles fossiles pour alimenter la production d’un seul kilogramme de PHA. En utilisant les données recueillies par l’Association européenne des producteurs de matières plastiques pour les 36 usines de plastique européennes, nous avons estimé que l’un kilogramme de polyéthylène, en revanche, nécessite environ 2,2 kilogrammes de pétrole et de gaz naturel, près de la moitié se retrouve dans le produit final. Cela signifie que seulement 60 pour cent du total – ou 1,3 kilogrammes – est brûlé pour produire de l’énergie.

Compte tenu de cette comparaison, il est impossible de prétendre que le plastique cultivé en maïs et extrait avec de l’énergie à partir de combustibles fossiles serait de conserver les ressources fossiles. Ce qui est gagné en substituant la ressource renouvelable pour une finie est perdue dans l’exigence supplémentaire pour l’énergie. Dans une étude antérieure, l’un d’entre nous (Gerngross) ont découvert que la production d’un kilogramme de PHA par fermentation microbienne nécessite une quantité similaire – 2,39 kg – des combustibles fossiles. Ces réalisations décourageants font partie de la raison pour laquelle Monsanto, le leader technologique dans le domaine de la PHA d’origine végétale, a annoncé la fin de l’année dernière qu’il mettrait fin au développement de ces systèmes en plastique de production.

La seule matière plastique à base de plantes qui est actuellement commercialisé est PLA de Cargill Dow. Alimenter ce processus nécessite 20 à 50 pour cent moins de ressources fossiles que ne le fait la fabrication de plastiques à partir de pétrole, mais il est encore beaucoup plus d’énergie que la plupart des procédés pétrochimiques sont. responsables de la société prévoient éventuellement réduire les besoins en énergie. Le processus n’a pas encore de tirer profit des décennies de travail qui ont bénéficié de l’industrie pétrochimique. Développer des sources alternatives de plantes sucrières qui nécessitent moins d’énergie à traiter, comme le blé et la betterave, est un moyen d’atténuer l’utilisation des combustibles fossiles. . En attendant, les scientifiques de l’estimation Cargill Dow que la première usine de fabrication PLA, en cours de construction à Blair, Neb dépenseront au plus 56 mégajoules d’énergie pour chaque kilogramme de plastique – 50 pour cent de plus que ce qui est nécessaire pour le PET, mais 40 pour cent moins pour le nylon, un autre de ses concurrents pétrochimiques de PLA.

L’énergie nécessaire à la production de matières plastiques dérivées de plantes donne lieu à une seconde, voire plus, les préoccupations environnementales. l’huile fossile est la principale ressource pour la production de plastique conventionnel, mais en faisant en plastique à partir de plantes dépend principalement du charbon et du gaz naturel, qui sont utilisés pour alimenter les industries de maïs-agriculture et le maïs-traitement. Un quelconque des procédés à base de plantes, par conséquent, impliquent le passage d’un combustible moins abondant (huile) à une plus abondant (charbon). Certains experts font valoir que ce commutateur est une étape vers la durabilité. Manquant dans cette logique, cependant, est le fait que tous les combustibles fossiles utilisés pour fabriquer des plastiques à partir de matières premières renouvelables (maïs) doivent être brûlés pour produire de l’énergie, alors que les procédés pétrochimiques intègrent une partie importante de la ressource fossile dans le produit final.

La combustion des combustibles fossiles plus exacerbe un problème de climat mondial établi par l’augmentation des émissions de GES, tels que le dioxyde de carbone [voir "Est-Global Warming Nocif pour la santé?" par Paul R. Epstein]. Naturellement, d’autres émissions associées à l’énergie fossile, tels que le dioxyde de soufre, sont également susceptibles d’augmenter. Ce gaz contribue aux pluies acides et doit être considérée avec inquiétude. Qui plus est, un processus de fabrication qui augmente ces émissions est en opposition directe au Protocole de Kyoto, un effort international dirigé par les Nations Unies pour améliorer la qualité de l’air et réduire le réchauffement climatique en réduisant le dioxyde de carbone et d’autres gaz dans l’atmosphère.

Les conclusions de nos analyses étaient inévitables. L’avantage environnemental de plastique de plus en plus dans les plantes est éclipsé par les augmentations injustifiées des émissions de la consommation d’énergie et de gaz. PLA semble être la seule matière plastique à base de plantes qui a une chance de devenir concurrentiel à cet égard. Bien que peut-être pas aussi élégante solution que de faire PHA dans les plantes, il profite des principaux facteurs contribuant à un processus efficace: de faibles besoins énergétiques et des rendements de conversion élevés (près de 80 pour cent de chaque kilogramme de sucre végétal utilisé finit dans le produit en plastique finale ). Mais malgré les avantages de PLA par rapport aux autres matières plastiques à base de plantes, sa production va inévitablement émettre plus de gaz à effet de serre que ne le font beaucoup de ses homologues pétrochimiques.

Comme dégrisant que nos premières analyses étaient, nous ne supposons immédiatement que ces technologies à base de plantes ont été condamnés pour toujours. Nous avons imaginé que la combustion du matériel végétal, ou de la biomasse, pourrait compenser les besoins énergétiques supplémentaires. Les émissions produites de cette façon peuvent être considérés plus favorablement que le dioxyde de carbone libéré par la combustion du carbone fossile, qui a été pris au piège sous terre pendant des millions d’années. Brûler le carbone contenu dans les tiges de maïs et d’autres plantes ne pas augmenter le dioxyde de carbone net dans l’atmosphère, parce que de nouvelles plantes qui poussent au printemps suivant serait, en théorie, d’absorber une quantité égale de gaz. (Pour la même raison, les matières plastiques à base de plantes ne font pas augmenter les niveaux de dioxyde de carbone quand ils sont incinérés après usage.)

Nous et d’autres chercheurs raisonné que l’utilisation de la biomasse renouvelable comme source d’énergie primaire dans l’industrie du maïs-traitement se détacherait de la production de matières plastiques à partir de ressources fossiles, mais un tel changement nécessiterait la course de haies certains obstacles technologiques subsistent et la construction d’une infrastructure entièrement nouvelle génération électrique . La question suivante était, "Est-ce que jamais se produire?" En effet, les modes de production d’énergie dans les Etats de maïs-agriculture montrent la tendance exactement inverse. La plupart de ces Etats ont attiré une quantité disproportionnée de leur énergie électrique à partir du charbon – 86 pour cent dans l’Iowa, par exemple, et 98 pour cent dans l’Indiana – par rapport à une moyenne nationale d’environ 56 pour cent en 1998. (D’autres Etats tirent plus de leur énergie provenant de sources comme le gaz naturel, le pétrole et les générateurs hydroélectriques.)

Les deux Monsanto et Cargill Dow se sont penchés sur les stratégies pour dériver l’énergie à partir de biomasse. Dans son analyse théorique, Monsanto a brûlé toutes les tiges de maïs qui reste après l’extraction de la matière plastique pour produire de l’électricité et de la vapeur. Dans ce scénario, l’électricité dérivé de la biomasse était plus que suffisante pour l’extraction de puissance de PHA. L’excès d’énergie pourrait être exporté à partir de l’installation PHA-extraction pour remplacer une partie du combustible fossile brûlé dans une installation d’alimentation électrique à proximité, réduisant ainsi les émissions globales de gaz à effet de serre tout en produisant un plastique précieux.

Fait intéressant, il a été de commutation à une source d’énergie à base de plantes – ne pas utiliser les plantes comme matière première – qui a généré le bénéfice environnemental primaire. Une fois que nous avons examiné la production de matières plastiques et de la production d’énergie séparément, nous avons vu qu’un régime rationnel dicterait l’utilisation des énergies renouvelables sur l’énergie fossile pour de nombreux procédés industriels, quelle que soit l’approche de la fabrication des plastiques. En d’autres termes, pourquoi vous soucier de fournir de l’énergie à un processus qui nécessite intrinsèquement plus d’énergie quand nous avons la possibilité de faire des plastiques conventionnels avec beaucoup moins d’énergie et donc moins d’émissions de gaz à effet de serre? Il semble que les émissions et l’épuisement des ressources fossiles seraient atténuées en continuant à fabriquer des plastiques à partir d’huile tout en substituant la biomasse renouvelable comme combustible.

Malheureusement, aucune stratégie ne peut surmonter toutes les contraintes environnementales, techniques et économiques des différentes approches de fabrication. les plastiques conventionnels nécessitent des combustibles fossiles, en tant que matière première; PLA et PHA ne le font pas. plastiques classiques offrent une large gamme de propriétés des matériaux que le PLA et PHA, mais ils ne sont pas biodégradables. Biodégradabilité aide à soulager le problème de l’élimination des déchets solides, mais la dégradation dégage des gaz à effet de serre, compromettant ainsi la qualité de l’air. PLA et PHA par fermentation à base de plantes sont technologiquement plus simple à produire que PHA cultivé en maïs, mais ils sont en concurrence avec d’autres besoins pour les terres agricoles. Et bien que la production de PLA utilise moins de ressources fossiles que ses homologues pétrochimiques, il nécessite encore plus d’énergie et émet donc plus de gaz à effet de serre lors de la fabrication.

Les choix que nous en tant que société ferons dépendent finalement de la façon dont nous accordons la priorité à l’épuisement des ressources fossiles, les émissions de gaz à effet, l’utilisation des terres, l’élimination et de la rentabilité des déchets solides – qui sont tous soumis à leur propre interprétation, les groupes politiques et systèmes de valeurs. Quelle que soit l’approche particulière de la fabrication des plastiques, la consommation d’énergie et les émissions qui en résultent constituent l’impact le plus important sur l’environnement.

À la lumière de ce fait, nous proposons que tout système pour produire des plastiques devrait non seulement réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais devrait également faire un pas au-delà, pour inverser le flux de carbone dans l’atmosphère. Pour atteindre cet objectif, il faudra trouver des moyens de produire en plastique non dégradable des ressources qui absorbent le dioxyde de carbone de l’atmosphère, comme les plantes. Le plastique pourrait alors être enterré après utilisation, qui séquestrent le carbone dans le sol au lieu de le retourner à l’atmosphère. Certains plastiques biodégradables peuvent aussi finir par la séquestration du carbone, parce que les décharges, où de nombreux produits en plastique finissent, ne possèdent généralement pas les conditions appropriées pour initier une dégradation rapide.

En fin de compte, la réduction des niveaux atmosphériques de dioxyde de carbone peut être trop demander de l’industrie des plastiques. Mais un processus de fabrication, et non pas seulement ceux pour les plastiques, bénéficierait de l’utilisation de matières premières renouvelables et les énergies renouvelables. Les changements importants qui seraient nécessaires de l’infrastructure d’alimentation électrique du monde pour faire ce changement pourrait bien être en vaut la peine. Après tout, l’énergie renouvelable est l’ingrédient essentiel dans tout système complet pour la construction d’une économie durable, et en tant que telle, elle reste le principal obstacle à la production de vraiment "vert" les matières plastiques.

Polyhydroxybutyrate, un Biodégradable Thermoplastique, Montage dans les plantes transgéniques. Y. Poirier, D. E. Dennis, K. Klomparins et C. Somerville dans Science, Vol. 256, pages 520-622; Avril 1992.

La biotechnologie peut nous déplacer vers une société durable? Tillman U. Gerngross dans Nature Biotechnology, vol. 17, pages 541-544; Juin 1999.

L’auteur
TILLMAN U. Gerngroß et STEVEN C. SLATER ont chacun travaillé pendant plus de huit ans dans l’industrie et le milieu universitaire pour développer des technologies pour la fabrication de plastiques biodégradables. Les deux chercheurs ont contribué à la compréhension de l’enzymologie et la génétique des bactéries productrices de plastique. Au cours des deux dernières années, ils ont tourné leurs intérêts vers la question plus large de la façon dont la fabrication des plastiques affecte l’environnement. Gerngross est professeur adjoint au Dartmouth College, et Slater est un chercheur principal à Cereon Genomics, une filiale de Monsanto, à Cambridge, Massachusetts.

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