La société a longtemps lutté contre la pollution plastique dérivée du pétrole, et la sensibilisation aux effets néfastes des microplastiques sur les aliments et l'approvisionnement en eau ajoute une pression supplémentaire.
En réponse, les chercheurs ont développé des versions biodégradables des plastiques traditionnels, ou «bioplastiques». Cependant, les bioplastiques actuels sont également confrontés à des défis: les versions actuelles ne sont pas aussi fortes que les plastiques à base de pétrochimie et ne se dégradent que par un système de compostage à haute température.
Entrez des chercheurs de l'Université de Washington à St. Louis, qui ont résolu les deux problèmes d'inspiration de l'humble feuille. Bien avant le plastique, les humains ont enveloppé leurs aliments dans les feuilles, qui se biodégradent facilement en raison d'une structure sous-jacente des parois cellulaires riches en cellulose. Les ingénieurs chimiques de Washu ont décidé d'introduire des nanofibres de cellulose dans la conception des bioplastiques.
« Nous avons créé cette structure multicouche où la cellulose est au milieu et les bioplastiques sont de deux côtés », a déclaré Joshua Yuan, le professeur de Lucy et Stanley Lopata et président de l'énergie, du génie environnemental et chimique à la McKelvey School of Engineering. Yuan est également directeur de la refonte de la refonte du carbone pour le centre de recherche en génie de la bio-fabrication (CURB). « De cette façon, nous avons créé un matériel très fort et qui offre une multifonctionnalité », a-t-il ajouté.
La technologie a émergé de travailler avec deux des bioplastiques de production les plus élevées aujourd'hui. Dans une étude publiée dans Chimie verte Plus tôt cette année, Yuan et ses collègues ont utilisé une variation de leur structure de nanofibres de cellulose inspirée des feuilles pour améliorer la résistance et la biodégradabilité du polyhydroxybutyrate (PHB), un plastique dérivé de l'amidon; Ils ont en outre affiné leur technique d'acide polylactique (PLA), comme détaillé dans un nouvel article qui vient d'être publié dans Communications de la nature.
Le marché des emballages en plastique est une industrie de 23,5 milliards de dollars dominée par le polyéthylène et le polypropylène, des polymères fabriqués à partir de pétrole qui se décomposent en microplastiques nocifs. Le bioplastique optimisé des chercheurs, appelé film en couches, écologique, avancé et multifonctionnel (LEAFF), a transformé l'APL en un matériau d'emballage biodégradable à température ambiante.
De plus, la structure permet d'autres propriétés critiques, telles que la perméabilité à faible teneur en air ou en eau, en aidant à maintenir les aliments stables et une surface imprimable. Cela améliore l'abordabilité des bioplastiques car il évite aux fabricants d'imprimer des étiquettes distinctes pour l'emballage.
« En plus de tout cela, la structure de cellulose sous-jacente de Leaff lui donne une résistance à la traction plus élevée que même les plastiques pétrochimiques comme le polyéthylène et le polypropylène », a expliqué Puneet Dhatt, un doctorat. Étudiant dans le laboratoire de Yuan et premier auteur de l'article.
L'innovation était d'ajouter que la structure cellulosique que les ingénieurs de Washu ont reproduit les fibrilles de cellulose intégrées dans les bioplastiques.
« Cette conception de biomimimerie unique nous permet de répondre aux limites de l'utilisation bioplastique et de surmonter cette barrière technique et de permettre une utilisation bioplastique plus large », a déclaré Yuan.
Économie circulaire prête
Les États-Unis sont de manière unique pour dominer le marché des bioplastiques et établir une «économie circulaire» dans laquelle les déchets sont réutilisés, renvoyés dans les systèmes au lieu de gauche pour polluer l'air et l'eau ou s'asseoir dans des décharges.
Yuan espère que cette technologie pourra évoluer bientôt et cherche des partenaires commerciaux et philanthropiques pour aider à apporter ces processus améliorés à l'industrie. Les concurrents des institutions de recherche asiatiques et européennes s'efforcent également de développer une technologie similaire. Mais les industries américaines ont un avantage en raison du vaste système agricole du pays – et Washu est près du centre de l'industrie agrichémique du pays.
« Les États-Unis sont particulièrement forts dans l'agriculture », a déclaré Yuan. « Nous pouvons fournir la matière première pour la production bioplastique à un prix inférieur par rapport aux autres parties du monde. »
Le yuan « des matières premières » fait référence à des produits chimiques tels que l'acide lactique, l'acétate ou les acides gras comme l'oliate, les produits de maïs ou la fermentation de l'amidon par des microbes qui servent d'usines bioplastiques.
Pseudomonas putida, par exemple, est une souche microbienne largement utilisée dans l'industrie de la fermentation, notamment pour produire une variété de polyhydroxyalkanoates (PHA), y compris PHB.
Les chercheurs en ingénierie de McKelvey ont conçu des moyens de convertir divers déchets, notamment le dioxyde de carbone, la lignine et les déchets alimentaires, en bioplastiques à l'aide de souches telles que P. Putid. Avec une conception bioplastique améliorée, la recherche de Yuan remplit en outre cette boucle, avec une version de PHB et PLA qui pourrait être produite beaucoup plus efficacement et se dégrader en toute sécurité dans l'environnement.
« Les États-Unis ont un problème de déchets et la réutilisation circulaire pourrait grandement contribuer à transformer ces déchets en matériaux utiles », a déclaré Yuan. « Si nous pouvons accélérer notre chaîne d'approvisionnement bioplastique, cela créerait des emplois et de nouveaux marchés », a-t-il déclaré.
