Plastique, naturellement Understand article

Traduction Olga Martins de Brito. Il sert à s’asseoir, à porter, et à cuisiner: le plastique est partout. D’autre part, cette abondance et cette versatilité du plastique rendent sa production et son élimination très difficiles. David Bradley explique comment les chercheurs de…

Professeur Webb
Image reproduite avec
l’aimable autorisation de David
Bradley

Le jouet bon marché trouvé dans la boîte de céréales est un cliché fréquent du petit-déjeuner. D’autre part, l’élimination de millions de tonnes de déchet en plastique par an est un problème croissant qui requiert une discussion bien plus sérieuse qu’une simple conversation pendant le petit-déjeuner. La recherche effectuée par Colin Webb et ses collègues Ruohang Wang et Apostolis Koutinas du Satake Centre for Grain Process Engineering à l’Université de Manchester promet fournir une solution fantastique pour le problème de l’élimination du plastique et ouvre de nouvelles portes pour une production soutenable.

Avec l’aide du Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC)w1, les chercheurs combinent ingénierie processuelle, biotechnologie et chimie des céréales pour développer une technique innovatrice et hautement efficiente qui permet de convertir les grains de céréale en bioplastiques biodégradables. Ils sont aussi en train d’élaborer des techniques processuelles qui permettraient d’extraire le son du grain – à travers une technique dénommée de pearling – qui sera utilisée couramment pour extraire les composants utiles d’un grand nombre de céréales. Ces composants pourront être utilises comme précurseurs d’un grand nombre de matériaux.

Ces précurseurs pourront comprendre les sucres à chaîne courte (utilisés pour la fermentation), arabinoxylans (pour les applications médicales), l’antioxydant acide ferrulique (un précurseur pour le composés aromatiques, comme la vanilline) et des aliments fonctionnels.

En utilisant la technique du
‘pearling’, les chercheurs
écorcent les couches plus
externes des grains et les
moulent en farine, produisant
un matériel de départ riche
en nutriments et enzymes
qui permettent de nourrir les
microorganismes
producteurs de plastique

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Bradley

Eviter les décharges

Les plastiques ont révolutionné la vie moderne en fournissant des produits tels que les collants en nylon, les sucettes en PVC et même les préservatifs hypoallergéniques en latex. Le plastique est un produit pétrochimique et annuellement un demi milliard de tonnes en est produit à partir de composés hydrocarbonés fossilisés. En plus, les plastiques sont souvent utilisés une seule fois et puis sont jetés, ce qui augmente sérieusement le problème environnemental parce que les produits pétrochimiques ne se dégradent pas naturellement. Le plastique peut être éliminé par incinération, toutefois sa combustion produit des agents polluants.

Les plastiques peuvent être recyclés, néanmoins le recyclage de plastique nécessite que celui-ci soit précédemment nettoyé, trié et que l’on trouve des applications pour produire des matériaux de qualité inférieure. Malheureusement, les décharges sont actuellement la méthode la plus rapide et la moins chère pour l’élimination des déchets. En plus, 40% du plastique produit arrive directement dans les décharges qui se remplissent rapidement. « Les problèmes environnementaux, la demande croissante d’énergie, les discussions politiques et l’épuisement à moyen terme du pétrole a créé le besoin de développer de nouvelles technologies soutenables qui ont comme point de départ les matières premières renouvelables » dit Colin. Colin et ses collègues espèrent de résoudre le problème du plastique à travers le développement de ressources alternatives pour l’industrie du plastique. Pour accomplir cette mission, ils se basent sur le remplacement du pétrole (une ressource limitée) par des grains de céréales (une ressource renouvelable). « La sélection des matières premières appropriées dépend des facteurs infrastructurels, économiques et technologiques, comme disponibilité, main-d’œuvre compétente, technologie pour le prétraitement, coûts et transport », explique Apostolis. « Les céréales sont les matières premières renouvelables qui actuellement répondent à la plupart des besoins. » Les grains de céréales sont suffisamment nutritifs pour soutenir des microorganismes, comme le champignon Aspergillus Awamori. Le développement d’une méthode qui permet de raffiner le grain en stock nutritif suivi par la fermentation microbienne pourrait permettre de produire des biocombustibles, des composés chimiques et des bioplastiques (plastiques dérivés de sources végétales et non du pétrole).

Les chercheurs de
l’Université de Manchester
espèrent que l’utilisation de
microbes producteurs de
plastique permettra de
substituer les composés
hydrocarbonés par des
champs de blé comme source
pour la production d’une
grande partie du plastique

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L’idée a un grand nombre d’avantages, surtout parce qu’elle se base sur l’utilisation d’une ressource renouvelable et parce que son utilisation est neutre du point de vue du carbone. En plus, les produits de la chimie des céréales, incluant les bioplastiques, sont biodégradables, leur putréfaction produit simplement de l’eau et du dioxyde de carbone; au contraire, le produits en polyéthylène et en PVC ont une durée de vie de 10000 ans. En ce qui concerne les avantages socio-économiques, l’utilisation de céréales comme ressource pour l’industrie réduit l’utilisation des ressources de pétrole et aide les agriculteurs à augmenter leurs cultures de céréales.

Actuellement, le bioplastique peut être produit par trois voies alternatives. La première consiste dans la fermentation intracellulaire des ressources dérives du céréale ou d’autres grains. L’application de cette technique requiert l’extraction et la purification du plastique. La seconde méthode consiste dans l’obtention de plantes qui produisent le plastique dans leur intérieur, cette technique requiert la cueillette et la purification du plastique. Finalement, les céréales peuvent produire des précurseurs du plastique à travers la fermentation. Ensuite, ces précurseurs peuvent être transformés pour produire des bioplastiques. Des microorganismes peuvent être modifies génétiquement pour effectuer ce travail.

Microbes intelligents

Les microbes producteurs de plastique utilisent des sucres simples (tel que le glucose) comme source de carbone et des composes d’azote organique (tels que les acides amines et les peptides a chaîne courte) comme source d’azote. Touts ces nutriments sont présents dans les grains de céréales. Les grains contiennent aussi des vitamines et des minéraux essentiels pour la croissance microbienne. Certains grains ont un grand potentiel pour la production des sources chimiques fonctionnelles. Le blé, par exemple, contient aglutinine et lipides, arabinoxylans, acide phytique, vitamines et sucres à chaîne courte. La technique nommée ‘pearling’ consiste dans l’écorçage des couches externes des grains suivi du moulage. La farine produite de cette manière est un matériel de départ riche en nutriments et enzymes essentielles pour nourrir les microorganismes qui produisent le bioplastique. « Cette stratégie de raffinerie produit les ressources essentielles pour la fermentation microbienne qui produit le bioplastique et autres matériaux chimiques », dit Colin.

Actuellement les polymères
biodégradables comme le
PHB (polyhydrobutyrate – sa
structure est représentée ici)
ont un coût de production
très élevé et ne sont pas
adaptés pour un grand
nombre d’applications. Les
chercheurs de l’EPSRC
espèrent trouver une voie
bon marché pour la
production du plastique ‘vert’

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“Les bioplastiques produits par les microbes trouveront un grand nombre d’applications telles que les  emballages pour les produits alimentaires,, qui ne peuvent pas être recyclées.”
Professeur Colin Webb

Il ne sera pas possible de développer des méthodes qui produisent du bioplastique pour toutes les applications, mais les chercheurs espèrent trouver des solutions pour la plus grande partie des exigences. «Le bioplastique produit par les microbes trouvera un grand nombre d’applications comme plastique à une seule utilisation (par exemple les emballages des produits alimentaires) qui ne peut pas être recyclé. Il sera aussi possible de mêler le bioplastique avec d’autres matériaux pour produire des objets résistants à la biodégradation. En plus, le recyclage pourra être utilisé comme base pour la re-production de plastiques a plus longue durée», additionne Colin. Le traitement conventionnel du grain pour la production de sirop de grain de céréales et autres aliments et nourritures animales produit une quantité énorme de déchets liquides et solides, est coûteux et n’utilise pas complètement le potentiel chimique de ces produits naturels. Avec ce nouveau traitement, l’équipe de Manchester essaye d’explorer le potentiel complet de tout le grain de céréale de manière à créer de bioraffineries viables pour la production de bioplastiques et d’autres produits. Leur démarche recherche de nouvelles applications sur le marché.

« Le gluten pourrait être utilisé comme bioplastique avec un grand nombre d’applications potentielles » , dit Apostolis, « tandis que les arabinoxilans pourraient être utilisés pour des applications médicales. Ainsi aucun des produits des céréales ne serait perdu». Colin additionne: « L’industrie qui actuellement produit le plastique devra substituer l’utilisation du pétrole par l’utilisation de biomasses renouvelables. La déplétion éminente des ressources du pétrole accélérera ce processus et les céréales seront les candidats plus probables pour fournir la matière première pour la production de bioplastiques. » Selon Colin, le succès de ce projet dépendra des collaborations entre les partenaires industriels et académiques qui peuvent unir leurs connaissances sur les besoins du marché, la production à l’échelle industrielle, la chimie, la culture des grains de céréales et l’analyse du cycle de vie. Colin commente encore: « Ce projet a été abordé de manière à améliorer l’économie de production des bioplastiques à travers la fermentation microbienne, qui est un des obstacles plus grands de ce procès. » Si ces chercheurs auront du succès, alors le jeu de plastique que vous trouverez dans la boite de céréales sera aussi recyclable que les céréales!

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Web References

  • w1 – EPSRC finance la recherche et l’enseignement post-graduation en ingénierie et sciences physiques dans les universités et autres institutions au Royaume-Uni.

Author(s)

David Bradley est un écrivain scientifique professionnel. www.sciencebase.com

Cet article a été publié dans le volume 37 de la revue Newsline, qui publie trimestriellement la meilleure recherche financée par l’EPSRC: www.epsrc.ac.uk


Review

La production de plastique n’est généralement pas incluse dans les leçons de sciences, mais cet article explore un des sujets limite de la science qui expose les problèmes centraux résultants du développement de la société humaine.

Actuellement, la soutenabilité des ressources naturelles et le réchauffement global résultants de l’action humaine constituent les facteurs limitants pour les modèles de développement social. Certains groupes soutiennent les avantages de l’énergie nucléaire et de ressources alternatives d’énergie, mais Bradley démontre ici que les progrès dans la gestion des ressources renouvelables pourrait avoir un effet positif.

Cet article traite de soutenabilité, efficience, réduction de l’utilisation du carbone, ressources naturelles et structure sociale. En plus, il montre comment la spécialisation scientifique (souvent critiquée) permet des progrès dans des petits secteurs de la connaissance qui peuvent se rendre très utiles.

Dans la classe, cet article a une application interdisciplinaire. Les enseignants de science et d’éducation de l’environnement de l’école secondaire peuvent utiliser cet article pour illustrer et travailler avec des concepts base comme la soutenabilité, le cycle du carbone et l’influence humaine, les changements dans la structure de la société et l’importance de l’agriculture et de la conservation du sol.

Quelques activités possibles en relation avec cet article:

  1. Les étudiants peuvent déduire l’index de soutenabilité pour différentes ressources (plastique conventionnel, bioplastique, sol agricole, fertilisants à base d’azote, bois et forêts, pétrole, biocombustibles, et autres) et utiliser cette formule pour discuter les conséquences sur l’environnement.

    S =     NGa x (1 +RCr +RUr) 
                         HUa + Da

    Avec: NGa = quantité de production naturelle (masse/temps)
    RCr = taux de recyclage (sans unité, 0 ò 1)
    RUr = taux de réutilisation (sans unité, 0 à1)
    HUa = quantité utilisée par l’être humain (masse/temps)
    Da = quantité dégradée (masse/temps)
     

  2. Les étudiants peuvent déduire des modèles simples pour le cycle du carbone, en introduisant les effets des bioplastiques et des biocarburants.
  3. L’article parle de l’influence du bioplastique sur la relation entre l’agriculture et l’industrie. Les enseignants peuvent mettre en relation les concepts de biodiversité et diversité sociale avec leur influence sur la stabilité et la survivance des écosystèmes et des sociétés.
  4. Les bioplastiques (et les biocarburants) nécessitent de l’agriculture et du sol. Les enseignants peuvent explorer l’importance de la conservation du sol, de l’érosion et de la contamination.
  5. Les étudiants peuvent calculer le pourcentage ou la quantité de plastique jeté dans leur salle de classe et la production de carbone par le groupe. Ensuite les étudiants peuvent calculer les effets de la substitution du plastique conventionnel par le bioplastique sur la production de carbone.
  6. Les enseignants peuvent aider les élèves à tracer un diagramme de flux des processus impliqués dans la production et l’élimination de divers produits: bouteilles en bioplastique ou pétroplastique, tables en bois ou en métal, diesel ou biocarburants.
  7. Les enseignants peuvent aussi poser des questions indirectes pour discuter l’influence du bioplastique sur nos vies. Quelques exemples : De quelle manière le bioplastique peut sauver les glaciers de l’Antarctique ? Comment les bioplastiques peuvent-ils éviter les changements du niveau de la mer ? Comment les bioplastiques peuvent-ils sauver les oiseaux qui vivent dans les décharges d’ordures de la ville ?

Juan de Dios Centeno Carrillo, Espagne




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