Les bioplastiques sont souvent présentés comme étant respectueux de l'environnement, mais sont-ils à la hauteur du battage médiatique?

Le monde a produit plus de neuf milliards de tonnes de plastique depuis les années 1950. 165 millions de tonnes ont saccagé notre océan, avec près de 9 millions de tonnes supplémentaires entrant dans les océans chaque année. Étant donné que seulement 9 % environ du plastique est recyclé, une grande partie du reste pollue l'environnement ou se trouve dans des décharges, où cela peut prendre jusqu'à 500 ans pour se décomposer tout en lessivant des produits chimiques toxiques dans le sol.

Le plastique traditionnel est fabriqué à partir de matières premières à base de pétrole. Certains disent que les bioplastiques, fabriqués à partir de 20% ou plus de matériaux renouvelables, pourraient être la solution à la pollution plastique. Les avantages souvent cités du bioplastique sont une utilisation réduite des ressources en combustibles fossiles, une empreinte carbone réduite, et une décomposition plus rapide. Le bioplastique est également moins toxique et ne contient pas de bisphénol A (BPA), un perturbateur hormonal que l'on retrouve souvent dans les plastiques traditionnels.

Kartik Chandran, professeur au Département de génie de la terre et de l'environnement de l'Université Columbia qui travaille sur les bioplastiques, estime que par rapport aux plastiques traditionnels, "les bioplastiques sont une amélioration significative."

Cependant, il s'avère que les bioplastiques ne sont pas encore la solution miracle à notre problème de plastique.

Dans quelle mesure les bioplastiques sont-ils biodégradables ?

Comme il y a souvent confusion quand on parle de bioplastiques, clarifions d'abord certains termes.

• Dégradable - Tout le plastique est dégradable, même le plastique traditionnel, mais ce n'est pas parce qu'il peut être décomposé en minuscules fragments ou en poudre que les matériaux reviendront un jour à la nature. Certains additifs aux plastiques traditionnels les font se dégrader plus rapidement. Le plastique photodégradable se décompose plus facilement au soleil; Le plastique oxo-dégradable se désintègre plus rapidement lorsqu'il est exposé à la chaleur et à la lumière.
• Biodégradable - Le plastique biodégradable peut être complètement décomposé en eau, le dioxyde de carbone et le compost par les micro-organismes dans les bonnes conditions. "Biodégradable" implique que la décomposition se produit en quelques semaines ou mois. Les bioplastiques qui ne se biodégradent pas aussi rapidement sont appelés « durables, " et certains bioplastiques fabriqués à partir de biomasse qui ne peuvent pas être facilement décomposés par des micro-organismes sont considérés comme non biodégradables.
• Compostable – Le plastique compostable se biodégradera dans un site de compostage. Les micro-organismes le décomposent en dioxyde de carbone, l'eau, composés inorganiques et biomasse au même taux que les autres matières organiques du tas de compost, ne laissant aucun résidu toxique.

Types de bioplastique

Les bioplastiques sont actuellement utilisés dans les articles jetables comme les emballages, conteneurs, pailles, sacs et bouteilles, et en moquette non jetable, tuyauterie en plastique, coques de téléphone, impression en 3D, isolation automobile et implants médicaux. Le marché mondial des bioplastiques devrait passer de 17 milliards de dollars cette année à près de 44 milliards de dollars en 2022.

Il existe deux principaux types de bioplastiques.

Le PLA (acide polyactique) est généralement fabriqué à partir des sucres de l'amidon de maïs, manioc ou canne à sucre. Il est biodégradable, neutre en carbone et comestible. Pour transformer le maïs en plastique, les grains de maïs sont immergés dans du dioxyde de soufre et de l'eau chaude, où ses composants se décomposent en amidon, protéine, et fibre. Les grains sont ensuite broyés et l'huile de maïs est séparée de l'amidon. L'amidon est composé de longues chaînes de molécules de carbone, similaire aux chaînes de carbone du plastique provenant des combustibles fossiles. Certains acides citriques sont mélangés pour former un polymère à longue chaîne (une grosse molécule constituée de répétitions d'unités plus petites) qui est la pierre angulaire du plastique. Le PLA peut ressembler et se comporter comme du polyéthylène (utilisé dans les films plastiques, emballages et bouteilles), polystyrène (styromousse et couverts en plastique) ou polypropylène (emballage, pièces automobiles, textiles). NatureWorks, basée au Minnesota, est l'une des plus grandes entreprises produisant du PLA sous la marque Ingeo.

Le PHA (polyhydroxyalcanoate) est fabriqué par des micro-organismes, parfois génétiquement modifiés, qui produisent du plastique à partir de matières organiques. Les microbes sont privés de nutriments comme l'azote, l'oxygène et le phosphore, mais compte tenu des niveaux élevés de carbone. Ils produisent du PHA en tant que réserves de carbone, qu'ils stockent dans des granules jusqu'à ce qu'ils aient plus d'autres nutriments dont ils ont besoin pour se développer et se reproduire. Les entreprises peuvent ensuite récolter le PHA fabriqué par des microbes, qui a une structure chimique similaire à celle des plastiques traditionnels. Parce qu'il est biodégradable et n'endommagera pas les tissus vivants, Le PHA est souvent utilisé pour des applications médicales telles que les sutures, élingues, plaques osseuses et substituts cutanés; il est également utilisé pour les emballages alimentaires à usage unique.

Les effets secondaires de la production de bioplastiques

Alors que les bioplastiques sont généralement considérés comme plus respectueux de l'environnement que les plastiques traditionnels, une étude de 2010 de l'Université de Pittsburgh a révélé que ce n'était pas nécessairement vrai lorsque les cycles de vie des matériaux étaient pris en considération.

L'étude a comparé sept plastiques traditionnels, quatre bioplastiques et un fabriqué à partir de combustibles fossiles et de sources renouvelables. Les chercheurs ont déterminé que la production de bioplastiques entraînait une plus grande quantité de polluants, en raison des engrais et des pesticides utilisés dans la croissance des cultures et du traitement chimique nécessaire pour transformer la matière organique en plastique. Les bioplastiques ont également contribué davantage à l'appauvrissement de la couche d'ozone que les plastiques traditionnels, et nécessitait une utilisation extensive des terres. B-PET, le plastique hybride, s'est avérée avoir le potentiel le plus élevé d'effets toxiques sur les écosystèmes et les plus cancérigènes, et a obtenu la pire note dans l'analyse du cycle de vie car elle combinait les impacts négatifs de l'agriculture et de la transformation chimique.

Les bioplastiques produisent beaucoup moins d'émissions de gaz à effet de serre que les plastiques traditionnels au cours de leur durée de vie. Il n'y a pas d'augmentation nette de dioxyde de carbone lorsqu'ils se décomposent, car les plantes à partir desquelles les bioplastiques sont fabriqués ont absorbé la même quantité de dioxyde de carbone au fur et à mesure de leur croissance. Une étude de 2017 a déterminé que le passage du plastique traditionnel au PLA à base de maïs réduirait les émissions de gaz à effet de serre des États-Unis de 25 %. L'étude a également conclu que si les plastiques traditionnels étaient produits à l'aide de sources d'énergie renouvelables, les émissions de gaz à effet de serre pourraient être réduites de 50 à 75 pour cent; cependant, les bioplastiques qui pourraient à l'avenir être produits avec des énergies renouvelables se sont révélés les plus prometteurs pour réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre.

D'autres problèmes

Bien que la biodégradabilité des bioplastiques soit un avantage, la plupart ont besoin d'installations de compostage industriel à haute température pour se dégrader et très peu de villes disposent des infrastructures nécessaires pour y faire face. Par conséquent, les bioplastiques finissent souvent dans des décharges où, privé d'oxygène, ils peuvent dégager du méthane, un gaz à effet de serre 23 fois plus puissant que le dioxyde de carbone.

Lorsque les bioplastiques ne sont pas jetés correctement, ils peuvent contaminer des lots de plastique recyclé et endommager les infrastructures de recyclage. Si le bioplastique contamine le PET recyclé (polyéthylène téréphtalate, le plastique le plus courant, utilisé pour les bouteilles d'eau et de soda), par exemple, l'ensemble du lot pourrait être rejeté et finir dans une décharge. Des flux de recyclage séparés sont donc nécessaires pour pouvoir éliminer correctement les bioplastiques.

Les terres requises pour les bioplastiques sont en concurrence avec la production alimentaire car les cultures qui produisent des bioplastiques peuvent également être utilisées pour nourrir les gens. La Plastic Pollution Coalition prévoit que pour répondre à la demande mondiale croissante de bioplastiques, plus de 3,4 millions d'acres de terres, une superficie plus grande que la Belgique, les Pays-Bas et le Danemark réunis - seront nécessaires pour faire pousser les cultures d'ici 2019. En outre, le pétrole utilisé pour faire fonctionner les machines agricoles produit des émissions de gaz à effet de serre.

Les bioplastiques sont également relativement chers; Le PLA peut être 20 à 50 % plus coûteux que des matériaux comparables en raison du processus complexe utilisé pour convertir le maïs ou la canne à sucre en éléments constitutifs du PLA. Cependant, les prix baissent à mesure que les chercheurs et les entreprises développent des stratégies plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement pour produire des bioplastiques.

Des eaux usées au bioplastique

Les étudiants de Kartik Chandran et Columbia développent des systèmes pour produire du bioplastique biodégradable à partir des eaux usées et des déchets solides. Chandran utilise une communauté microbienne mixte qui se nourrit de carbone sous forme d'acides gras volatils, comme l'acide acétique présent dans le vinaigre.

Son système fonctionne en alimentant les eaux usées dans un bioréacteur. À l'intérieur, des micro-organismes (distincts des bactéries productrices de plastique) transforment le carbone organique des déchets en acides gras volatils. Le flux sortant est ensuite envoyé vers un deuxième bioréacteur où les microbes producteurs de plastique se nourrissent des acides gras volatils. Ces microbes sont continuellement soumis à des phases de festin suivies de phases de famine, au cours de laquelle ils stockent les molécules de carbone sous forme de PHA.

Chandran expérimente des flux de déchets plus concentrés, tels que les déchets alimentaires et les déchets humains solides, pour produire plus efficacement les acides gras volatils. L'objectif de sa recherche est à la fois de maximiser la production de PHA et d'intégrer les déchets dans le processus. « Nous voulons tirer le meilleur parti possible [des deux systèmes], " dit Chandran.

Il pense que son système intégré serait plus rentable que les méthodes actuellement utilisées pour produire du bioplastique qui impliquent l'achat de sucres pour fabriquer du PHA. « Si vous intégrez le traitement des eaux usées ou relevez les défis du gaspillage alimentaire avec la production de bioplastiques, alors c'est assez favorable [économiquement], " a déclaré Chandran. " Parce que si nous devions nous développer et passer en mode commercial, nous serions payés pour éliminer les déchets alimentaires et ensuite nous serions payés pour fabriquer des bioplastiques également. » Chandran espère boucler la boucle afin que, un jour, les déchets serviront régulièrement de ressource pouvant être convertie en produits utiles comme le bioplastique.

Autres alternatives prometteuses

Full Cycle Bioplastics en Californie produit également du PHA à partir de déchets organiques tels que les déchets alimentaires, les résidus de récolte tels que les tiges et les feuilles non comestibles, déchets de jardin, et du papier ou du carton non recyclé. Utilisé pour faire des sacs, conteneurs, coutellerie, bouteilles d'eau et de shampoing, ce bioplastique est compostable, marine dégradable (ce qui signifie que s'il finit dans l'océan, il peut servir de nourriture pour poissons ou bactéries) et n'a pas d'effets toxiques. Full Cycle peut traiter le PHA en fin de vie, et l'utiliser pour refaire du plastique vierge.

Renmatix, basée en Pennsylvanie, utilise de la biomasse ligneuse, des herbes énergétiques et des résidus de récolte au lieu de cultures vivrières plus coûteuses. Sa technologie sépare les sucres de la biomasse en utilisant de l'eau et de la chaleur au lieu d'acides, solvants ou enzymes dans un environnement relativement propre, processus rapide et peu coûteux. Les sucres et la lignine de la biomasse sont ensuite utilisés comme éléments constitutifs des bioplastiques et autres bioproduits.

À l'Université d'État du Michigan, les scientifiques tentent de réduire les coûts de production du bioplastique grâce à l'utilisation de cyanobactéries, également connu sous le nom d'algues bleu-vert, qui utilisent la lumière du soleil pour produire des composés chimiques par photosynthèse. Au lieu de nourrir leurs bactéries productrices de plastique avec des sucres de maïs ou de canne à sucre, ces scientifiques ont modifié les cyanos pour excréter en permanence le sucre qu'ils produisent naturellement. Les bactéries productrices de plastique consomment alors le sucre produit par les cyanos, qui sont réutilisables.

Des chercheurs de l'Université de Stanford et la start-up californienne Mango Materials transforment le méthane provenant des usines de traitement des eaux usées ou des décharges en bioplastique. Le méthane alimente les bactéries productrices de plastique qui le transforment en PHA, que l'entreprise vend aux producteurs de plastique. Il est utilisé pour les bouchons en plastique, des flacons de shampoing ou des fibres de biopolyester pouvant être associées à des matières naturelles pour les vêtements. Le bioplastique se biodégradera de nouveau en méthane, et s'il atteint l'océan, peut être digéré naturellement par les micro-organismes marins.

Le Center for Sustainable Technologies de l'Université de Bath en Angleterre fabrique du polycarbonate à partir de sucres et de dioxyde de carbone pour une utilisation dans des bouteilles, lentilles et revêtements pour téléphones et DVD. Le plastique polycarbonate traditionnel est fabriqué à partir de BPA (interdit d'être utilisé dans les biberons) et du phosgène chimique toxique. Les chercheurs de Bath ont trouvé un moyen moins coûteux et plus sûr de le faire en ajoutant du dioxyde de carbone aux sucres à température ambiante. Les bactéries du sol peuvent décomposer le bioplastique en dioxyde de carbone et en sucre.

Et puis il y a ceux qui développent des moyens innovants de remplacer complètement le plastique. La société de design japonaise AMAM produit des matériaux d'emballage à base de gélose d'algues rouges marines. Le département américain de l'Agriculture développe un film biodégradable et comestible à partir de la caséine de protéine de lait pour emballer les aliments; il est 500 fois meilleur pour garder les aliments frais qu'un film plastique traditionnel. Et Ecovative, basée à New York, utilise du mycélium, la partie ramifiée végétative d'un champignon, faire des matériaux de champignons, pour les matériaux d'emballage biodégradables, carrelage, jardinières et plus.

À l'heure actuelle, il est difficile de prétendre que les bioplastiques sont plus respectueux de l'environnement que les plastiques traditionnels lorsque tous les aspects de leur cycle de vie sont pris en compte :utilisation des terres, pesticides et herbicides, consommation d'énergie, utilisation de l'eau, émissions de gaz à effet de serre et de méthane, biodégradabilité, recyclabilité et plus encore. Mais alors que les chercheurs du monde entier s'efforcent de développer des variétés plus vertes et des processus de production plus efficaces, Les bioplastiques promettent d'aider à réduire la pollution plastique et à réduire notre empreinte carbone.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de Earth Institute, Université de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.