Une équipe de recherche met au point un procédé de fabrication de nylon biosourcé
Les électrons et les microbes sont le facteur décisif de cette évolution.
Jusqu'à présent, le nylon était produit à partir de matières premières à base de pétrole. Cette méthode est toutefois très nocive pour l'environnement, car elle nécessite l'utilisation de ressources fossiles non renouvelables, une grande quantité d'énergie et l'émission d'oxyde nitreux nocif pour le climat lors de la production. Une équipe de chercheurs du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale (UFZ) et de l'université de Leipzig a mis au point un procédé permettant de produire de l'acide adipique, l'un des deux éléments constitutifs du nylon, à partir du phénol, par synthèse électrochimique et à l'aide de micro-organismes. L'équipe a également montré que le phénol peut être remplacé par des déchets de l'industrie du bois. Ces matériaux pourraient ensuite être utilisés pour produire du nylon d'origine biologique. Les travaux de recherche ont été publiés dans la revue Green Chemistry.
Qu'il s'agisse de T-shirts, de bas, de chemises, de cordes ou de composants de parachutes et de pneus de voiture, les polyamides sont utilisés partout en tant que fibres synthétiques. À la fin des années 1930, le nom Nylon a été inventé pour désigner ces polyamides synthétiques. Le Nylon-6 et le Nylon-6.6 sont deux polyamides qui représentent environ 95 % du marché mondial du nylon. Jusqu'à présent, ils étaient produits à partir de matières premières d'origine fossile. Or, ce processus pétrochimique est néfaste pour l'environnement car il émet environ 10 % du protoxyde d'azote (gaz hilarant) nocif pour le climat au niveau mondial et nécessite une grande quantité d'énergie. "Notre objectif est de rendre l'ensemble de la chaîne de production du nylon respectueuse de l'environnement. C'est possible si nous utilisons des déchets biologiques comme matière première et si nous rendons le processus de synthèse durable", explique le Dr Falk Harnisch, chef du groupe de travail sur l'électrobiotechnologie au Centre Helmholtz pour la recherche environnementale (UFZ).
Les chercheurs de Leipzig dirigés par Falk Harnisch et le Dr Rohan Karande (Université de Leipzig/Centre de recherche et de transfert pour la matière bioactive b-ACTmatter) ont décrit comment cela peut être réalisé dans un article publié dans Green Chemistry. Le nylon, par exemple, est composé d'environ 50 % d'acide adipique, qui est jusqu'à présent extrait industriellement du pétrole. Dans une première étape, le phénol est transformé en cyclohexanol, qui est ensuite converti en acide adipique. Ce processus à forte consommation d'énergie nécessite des températures élevées, une forte pression de gaz et une grande quantité de solvants organiques. Il libère également beaucoup d'oxyde nitreux et de dioxyde de carbone. Les chercheurs ont maintenant mis au point un procédé permettant de convertir le phénol en cyclohexanol à l'aide d'un processus électrochimique. "La transformation chimique sous-jacente est la même que dans les processus établis. Toutefois, la synthèse électrochimique remplace l'hydrogène gazeux par de l'énergie électrique, dans une solution aqueuse, et ne nécessite que la pression et la température ambiantes", explique M. Harnisch. Pour que cette réaction se déroule aussi rapidement et efficacement que possible, un catalyseur approprié est nécessaire. Celui-ci maximisera le rendement des électrons nécessaires à la réaction et l'efficacité de la conversion du phénol en cyclohexanol. Lors d'expériences en laboratoire, les meilleurs rendements (près de 70 % d'électrons et un peu plus de 70 % de cyclohexanol) ont été obtenus avec un catalyseur au rhodium à base de carbone. "Le temps de réaction relativement court, le rendement et l'utilisation efficace de l'énergie ainsi que les synergies avec le système biologique rendent ce procédé intéressant pour la production combinée d'acide adipique", explique le Dr Micjel Chávez Morejón, chimiste à l'UFZ et premier auteur de l'étude. Katja Bühler et Bruno Bühler ont découvert comment la bactérie Pseudomonas taiwanensis peut convertir le cyclohexanol en acide adipique dans une deuxième étape. "Jusqu'à présent, il n'était pas possible de convertir microbiologiquement le phénol en cyclohexanol. Nous avons comblé cette lacune grâce à la réaction électrochimique", explique le Dr Rohan Karande, qui poursuit actuellement ses travaux en collaboration avec l'UFZ de l'université de Leipzig.
Les chercheurs de Leipzig ont réussi à combler une autre lacune dans la production écologique de nylon en développant une alternative au phénol produit à partir de matières premières fossiles. Pour ce faire, ils ont utilisé des monomères tels que le syringol, le catéchol et le gaïacol, qui sont tous des produits de dégradation de la lignine, un déchet de l'industrie du bois. "Pour ces substances modèles, nous avons pu montrer qu'ensemble, nous pouvons aller jusqu'à l'acide adipique", explique M. Harnisch. Rohan Karande ajoute : "Environ 4,5 millions de tonnes d'acide adipique sont produites dans le monde. Si nous utilisions les déchets de l'industrie du bois à cette fin, cela aurait un effet considérable sur le marché mondial".
Cependant, il reste encore un long chemin à parcourir avant que le nylon à base de lignine ne soit prêt pour le marché. Par exemple, les scientifiques ont jusqu'à présent obtenu un rendement de 57 % pour l'ensemble du processus de 22 heures (c'est-à-dire à partir des monomères des résidus de lignine au moyen d'étapes de réaction microbienne et électrochimique jusqu'à l'acide adipique). "C'est un très bon rendement", déclare Micjel Chávez Morejón. Les résultats sont encore basés sur des tests de laboratoire à l'échelle du millilitre. Les conditions préalables à la mise à l'échelle du procédé doivent être réunies au cours des deux prochaines années. Ce transfert de technologie nécessite non seulement une meilleure compréhension de l'ensemble du processus, mais aussi, entre autres, l'utilisation de véritables mélanges de lignine au lieu de mélanges modèles (comme c'est le cas jusqu'à présent) et l'amélioration des réacteurs électrochimiques. Harnisch et Karande sont d'accord : "Le processus pour le nylon à base de lignine illustre le grand potentiel des processus électrochimiques et microbiens, car une chaîne de processus optimale peut être mise en place grâce à la manière intelligente dont les différents composants sont combinés.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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