Transformer les déchets en bioplastique
En tant que plastique biodégradable, l'acide polylactique est de plus en plus présent dans les emballages et les produits à usage unique. Pour répondre à la demande croissante, des chercheurs de l'ETH ont développé un procédé permettant de produire de l'acide lactique à partir d'un déchet de l'industrie des biocarburants.
Les déchets plastiques sont l'un des plus grands problèmes environnementaux de notre époque. La plupart des plastiques ne sont pas dégradables, mais se décomposent en fragments de plus en plus petits. De plus, la plupart des plastiques sont composés de pétrole, une matière première en voie de disparition. Mais il existe des alternatives prometteuses, par exemple l'acide polylactique (PLA pour polylactic acid en anglais) : Ce polymère à base d'acide lactique est biodégradable et repose sur une matière première renouvelable. On trouve déjà beaucoup de PLA dans les gobelets jetables, les sacs en plastique et les emballages. La demande de ce bioplastique ne cesse d'augmenter et les experts prévoient un besoin de jusqu'à une mégatonne de PLA par an d'ici 2020.
Les groupes de recherche des professeurs de l'ETH Konrad Hungerbühler et Javier Pérez-Ramírez de l'Institut de génie chimique et biologique présentent aujourd'hui un nouveau procédé pour produire de l'acide lactique. Leur méthode est plus productive, plus rentable et plus respectueuse du climat que la fermentation, par laquelle l'acide lactique est habituellement obtenu. Le plus grand avantage est que le nouveau processus part d'un déchet : le glycérol.
Déchets de l'industrie du biodiesel
La glycérine est un sous-produit de la production de biocarburants de première génération. En tant que telle, elle n'est pas pure, mais contient des traces de cendres et de méthanol. "Personne ne sait ce qu'il faut faire de cette quantité de glycérine", explique Merten Morales, doctorant dans le groupe Techniques de sécurité et d'environnement du professeur Hungerbühler de l'ETH. Et les quantités produites sont de plus en plus importantes : Les estimations prévoient une augmentation de trois mégatonnes en 2014 à plus de quatre mégatonnes en 2020. En raison des impuretés, cette glycérine ne peut pas être utilisée dans l'industrie chimique ou pharmaceutique. De plus, elle brûle très mal et ne convient donc pas pour la production d'énergie. "Normalement, elle devrait être traitée et retraitée comme une eau usée. Mais pour économiser de l'argent et parce qu'il n'est pas très toxique, certaines entreprises le déversent dans les rivières ou l'utilisent pour nourrir le bétail d'élevage", explique Morales. Il y a toutefois des inquiétudes quant aux effets de la glycérine contaminée sur les animaux.
Le fait que la nouvelle méthode parte d'un déchet est l'un des avantages qui la rend plus écologique que les procédés conventionnels. Elle repose sur deux étapes : Lors de la première, des enzymes transforment le glycérol en un produit intermédiaire, la dihydroxyacétone. Ensuite, un catalyseur hétérogène fait avancer la réaction pour produire de l'acide lactique.
Catalyseur haute performance
Les chercheurs du groupe d'ingénierie de la catalyse du professeur Pérez-Ramírez de l'ETH ont réussi à optimiser le catalyseur de manière à ce qu'il présente une grande réactivité et une longue durée de vie. Il est composé d'un minéral microporeux, une zéolite, dont la structure favorise les réactions chimiques dans les micro-espaces des pores. Grâce à leur étroite collaboration, les deux groupes de recherche ont pu améliorer la catalyse étape par étape et vérifier en parallèle l'écobilan respectif de l'ensemble du procédé. "Sans cette analyse et la comparaison du bilan écologique avec le procédé conventionnel, nous aurions peut-être été satisfaits de la première version du catalyseur. Mais celle-ci s'est même révélée moins écologique que la fermentation", explique Pierre Dapsens, doctorant dans le groupe Pérez-Ramírez. En améliorant différents aspects de la conception du catalyseur, les chercheurs ont finalement réussi à surpasser le processus de fermentation, tant du point de vue écologique qu'économique.
Les processus industriels sont souvent rendus "durables" par le simple fait de passer à une matière première renouvelable, explique Cecilia Mondelli, collaboratrice scientifique dans le groupe d'ingénierie de la catalyse et également impliquée dans l'étude. "Mais si l'on prend en compte l'ensemble du processus - de la source de la matière première au produit fini, y compris les voies d'élimination - les procédés prétendument durables ne semblent pas nécessairement plus durables que les procédés conventionnels."
Un tiers de CO en moins2
Si l'on tient compte de la productivité accrue et de l'énergie que le nouveau procédé permet d'économiser en recyclant un déchet, les émissions de CO2-2de 30 % par rapport à la fermentation. Pour chaque kilogramme d'acide lactique produit, le nouveau procédé génère 6 kilogrammes de CO2 par rapport à 7,5 kilogrammes pour la méthode conventionnelle. De plus, le procédé coûte globalement moins cher, ce qui permet un profit 17 fois plus important, comme l'ont calculé les chercheurs. "Nous sommes partis d'hypothèses plutôt conservatrices", explique Morales. "Nous avons supposé que la qualité de la glycérine était relativement élevée. Mais le procédé fonctionne aussi avec de la glycérine plus impure, ce qui serait encore plus rentable." Ainsi, les fabricants pourraient même améliorer leurs marges.
"Même si les plus grands producteurs de bioplastiques sont aujourd'hui basés aux États-Unis, le procédé est relativement simple et peut être utilisé dans d'autres pays, partout où du biodiesel - et de la glycérine comme sous-produit - est produit", explique Dapsens.
Référence bibliographique
Morales M, Dapsens PY, Giovinazzo I, Witte J, Mondelli C, Papadokonstantakis S, Hungerbühler K, Pérez-Ramírez J : Évaluation environnementale et économique de la production d'acide lactique à partir de glycérol en utilisant la biocatalyse et la chimiocatalyse en cascade. Energy & Environmental Science, 5 novembre 2014, doi : page externe10.1039/C4EE03352C