James H.Clarka
a Centre d’excellence en chimie verte, Département de chimie, Université de York, York, YO10 5DD, Royaume-Uni. E-mail : [email protected]

Les principes fondamentaux de la chimie verte, y compris sa relation avec la durabilité, seront abordés. Nous examinerons également pourquoi nous avons besoin de la chimie verte et ce qui la rend possible. Enfin, nous examinerons ce qui se passe dans le monde de la chimie verte en termes d’initiatives, d’activités majeures et d’histoires à succès et comment cela influence l’éducation.

1.1 Qu’est-ce que la chimie verte ?

La “chimie verte”, l'”ingénierie verte” et la “durabilité” sont souvent utilisés de manière interchangeable pour décrire le concept de fabrication de processus et de produits qui ont moins d’impact sur l’environnement et qui sont (idéalement) basés sur des ressources renouvelables. Cependant, si l’on examine ces concepts plus en profondeur, il apparaîtra clairement qu’il existe des différences significatives dans leur philosophie, ce qui a un impact sur l’applicabilité des méthodologies et des techniques dans le développement d’une société adaptée à l’environnement.

La chimie verte est assez bien définie par les douze principes d’Anastas et Warner.1 Ces principes se concentrent principalement sur la façon dont on devrait effectuer des réactions chimiques et fabriquer des produits chimiques, et décrivent la synthèse de produits chimiques d’une manière préférable pour l’environnement. Ainsi, des idées spécifiques, telles que l’utilisation d’auxiliaires bénins, notamment de solvants pour les réactions et les séparations, la réduction du nombre d’étapes et le concept d’économie d’atomes, ou l’incorporation de toutes vos matières premières dans votre produit, sont les points centraux de la chimie verte. Les 12 principes ont été rédigés il y a 20 ans et ne reflètent pas entièrement la manière moderne de penser. D’autres questions, telles que la toxicologie et la biodégradabilité, jouent désormais un rôle important dans la chimie verte, dans le cadre d’une attention accrue portée à la sécurité des produits et aux ressources renouvelables. À bien des égards, la chimie verte peut être considérée comme le fondement scientifique de la fabrication écologiquement préférable.

L’ingénierie verte, quant à elle, est la conception, la commercialisation et l’utilisation de processus et de produits qui sont faisables et économiques tout en minimisant la génération de pollution à la source, ainsi que les risques pour la santé humaine et l’environnement.2 L’ingénieur vert utilise les outils de recyclage, d’intensification des processus et d’optimisation de la conception pour maximiser l’efficacité d’un processus et réduire ses charges sur l’environnement. L’ingénierie verte évalue le processus de fabrication en tant que système et cherche à optimiser sa conception. Au sens propre, elle intègre les concepts d’analyse du cycle de vie et d’économie environnementale dans une évaluation appropriée de l’impact global sur l’environnement. L’ingénierie verte nécessite le développement d’un ensemble de métriques qui évaluent de manière appropriée les paramètres environnementaux que nous cherchons à contrôler.

La conception durable regarde encore plus largement pour essayer de comprendre les relations entre le système de fabrication et l’écosystème. La durabilité se concentre sur le triple résultat : l’intégration de l’intégrité écologique, la responsabilité sociétale et la viabilité économique. La durabilité adopte l’approche systémique au niveau le plus large, en considérant la planète comme le système d’intérêt, mais pour optimiser la conception à cette échelle, de nouvelles façons de mesurer les impacts humains sur l’environnement seront nécessaires.

L’industrie chimique et les industries connexes sont maintenant confrontées à un défi aussi difficile que jamais. Le 20e siècle a vu une croissance énorme dans la fabrication de produits chimiques, mais cette croissance a eu un coût. Des processus inefficaces conduisant à des niveaux de pollution inacceptables, des opérations dangereuses entraînant un certain nombre de catastrophes, et un manque de connaissance de la toxicité humaine et environnementale de la plupart des produits chimiques d’usage courant, tout cela a conduit à une croissance exponentielle de la législation sur les produits chimiques. L’industrie doit désormais parvenir à une acceptabilité environnementale et sociale ainsi qu’à une fabrication économiquement viable dans le cadre législatif le plus strict qui soit. La législation récente sur les produits chimiques, telle que REACH, entraîne des changements majeurs dans la chaîne d’approvisionnement des produits chimiques.3 Pourtant, d’une manière ou d’une autre, cela doit être fait de façon à satisfaire les demandes d’une population croissante. La production chimique durable ne peut être réalisée que par une réévaluation de l’ensemble du cycle de vie des produits chimiques, depuis les ressources, la fabrication et la production, jusqu’à l’utilisation du produit et son sort final (figure 1.1).

1.2 Moteurs de changement

1.2.1 Législation

La pression sur la fabrication de produits chimiques, notamment législative mais aussi de la part des clients, continue d’être appliquée et conduit généralement à une fabrication plus propre et plus sûre. Les risques d’une nouvelle catastrophe comme celle de Bhopal sont plus faibles, du moins dans la plupart des régions du monde (par exemple, en raison des pénalités et des restrictions sur le stockage des substances dangereuses), bien qu’il y ait encore une fabrication considérable dans des régions moins contrôlées et donc plus risquées.4 Le contrôle de la pollution et les pénalités sévères qui peuvent être imposées ont découragé les émissions importantes des usines dans la plupart des endroits.

REACH est la législation la plus discutée qui affecte les produits chimiques.3 Cette législation et d’autres législations chimiques affectent directement la fabrication de produits chimiques et connexes par la disponibilité restreinte d’un nombre croissant de produits chimiques courants. Alors que les substances très dangereuses telles que les composés organomercure et plomb font l’objet d’un examen rigoureux depuis de nombreuses années, les nouvelles restrictions sur l’utilisation d’autres substances telles que les chromates et les composés de cobalt peuvent avoir un impact considérable sur certains produits chimiques industriels, notamment les oxydations. Alors que REACH progresse lentement (il faudra attendre la prochaine décennie pour que tous les produits chimiques soumis à REACH aient été testés), des listes officieuses de substances à substituer sont apparues. La plus importante d’entre elles est probablement la liste dite SIN (“substitute it now”).5 Plusieurs centaines de produits chimiques figurent sur cette liste et elle influence certains utilisateurs finaux qui ne veulent pas que leurs produits contiennent des produits chimiques figurant sur ces “listes rouges” accessibles au public.

L’impact le plus important concernera peut-être l’utilisation des solvants, car nombre des solvants organiques les plus courants sont menacés par REACH : il s’agit notamment de la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), du diméthylformamide (DMF) et du diméthylacétamide (DMAc).6 (Pour plus d’informations sur les guides de substitution de solvants, voir le chapitre 2, “Tools for Facilitating more Sustainable Medicinal Chemistry”, par Helen Sneddon et le chapitre 3 de James Sherwood sur la sélection de solvants renouvelables). L’industrie électronique a également fait l’objet d’une législation chimique visant à remplacer les substances particulièrement dangereuses. La directive RoHS (restriction sur les substances dangereuses) cible certains produits chimiques, notamment le plomb, le mercure, les chromates de cadmium et les retardateurs de flamme polybromés.7

1.2.2 Durabilité élémentaire

En plus des substances qui deviennent restreintes ou indisponibles en raison de changements dans la législation, elles peuvent également être en danger en raison de problèmes d’approvisionnement. Les éléments utilisés par l’industrie chimique, tant dans les étapes de fabrication (par exemple comme catalyseurs) que dans les produits eux-mêmes, comprennent les composés organohalogénés et de nombreux composés organiques contenant des hétéroatomes, tels que le phosphore, le soufre et le bore. Ils sont extraits de minerais vierges et d’autres sources naturelles qui, comme le pétrole, sont limitées et nécessitent une grande quantité d’énergie pour leur extraction. Si le carbone renouvelable est un sujet brûlant depuis une dizaine d’années (voir la section suivante), ce n’est qu’au cours des deux dernières années que l’attention s’est élargie à d’autres éléments critiques, dont le phosphore et de nombreux métaux (voir le chapitre 5 sur la durabilité élémentaire par Andrew Hunt). Certains des éléments préoccupants sont énumérés dans le tableau 1.1. De nombreux éléments sont désormais considérés comme menacés en termes de taux d’utilisation prévus et de réserves connues.8

Certains peuvent s’épuiser dans les 10 ans (par ex.l’indium et le germanium). Bien que de nouvelles réserves soient découvertes, comme pour le pétrole, elles sont souvent de qualité relativement médiocre et ont un coût économique et environnemental élevé. Il est ironique que certaines pénuries (par exemple le lithium et certaines terres rares) soient le résultat de l’augmentation des taux d’utilisation des technologies à faible émission de carbone. Si nous avons certainement besoin de technologies à faible émission de carbone fossile, nous devons les introduire en gardant les yeux grands ouverts sur les problèmes qui en découlent, comme l’utilisation élevée d’autres éléments critiques9.

Une façon dont les chercheurs répondent à la criticité de certains éléments est par une utilisation beaucoup plus intelligente de ces éléments, c’est-à-dire une meilleure conception et un meilleur recyclage des catalyseurs (discuté au chapitre 11), et par le développement de catalyseurs qui évitent l’utilisation d’éléments critiques en se concentrant sur l’utilisation de métaux de base plus abondants (chapitre 16).

1.2.3 Ressources renouvelables

La fabrication de produits chimiques dépend des ressources. Le pétrole a dominé l’industrie en tant que matière première de carbone, à quelques exceptions près, notamment un petit pourcentage de composés dérivés naturellement (par exemple, pour une utilisation dans les produits de soins personnels et les produits pharmaceutiques) et les produits chimiques dérivés du charbon en Afrique du Sud (développés pour surmonter les barrières commerciales introduites à l’époque de l’apartheid).

Il y a une pression croissante, en particulier de la part des consommateurs, sur les fabricants pour qu’ils produisent des produits chimiques bio-dérivés en remplacement des ressources fossiles et des substances maintenant considérées comme dangereuses pour nous ou pour l’environnement. L’évolution vers des produits biosourcés est considérée comme présentant un certain nombre d’avantages :10 Utilisation de ressources renouvelables et consommables Moins de dépendance à l égard de ressources fossiles limitées et de plus en plus coûteuses Potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre (neutralité carbone/faible impact carbone) Potentiel de production industrielle durable Amélioration potentielle de la santé des communautés Soutien au développement rural Compétitivité industrielle accrue grâce à des produits éco-efficaces innovants Potentiel de transfert vers d autres régions du monde, y compris le transfert de technologies appropriées découvertes et éprouvées dans l UE

Vijayendran a récemment estimé que d ici 2025, plus de 15 % du marché mondial des produits chimiques, qui représente 3 000 milliards de dollars, sera dérivé de bio-sources.11 Les ingrédients pharmaceutiques actifs (API), les polymères, les cosmétiques, les lubrifiants et les solvants ont également été estimés comme étant les sous-segments les plus importants du secteur chimique par le groupe consultatif ad hoc pour les produits biosourcés.10 Les API en particulier, avec 33,7% des ventes mondiales de produits chimiques, devraient être le segment chimique avec le pourcentage le plus élevé de ventes de produits fabriqués à l’aide de processus biotechnologiques. Alors que nous commençons à nous éloigner des produits pétrochimiques, l’utilisation de la biomasse comme matière première chimique deviendra de plus en plus importante.12

1.3 La biomasse comme matière première chimique

Par biomasse, on entend généralement les bioressources de grand volume et de faible valeur qui peuvent être utilisées comme matières premières pour fabriquer des produits chimiques, des carburants et des matériaux. Pour distinguer la biomasse des ressources fossiles, comme le charbon et le pétrole (eux-mêmes de la biomasse ancienne), il est prudent de se limiter aux ressources qui ont moins de 100-200 ans (ressources qui ont un cycle de vie similaire à celui de l’homme). Ainsi, nous pouvons considérer que la biomasse comprend : Résidus forestiers Arbres à courte rotation Résidus agricoles, y compris les pailles Déchets de transformation des aliments, y compris les coquilles, les pierres, les pelures Herbes et autres biomasses cultivées sur terre et non utilisées pour l’alimentation Résidus marins Macroalgues (algues), microalgues et autres biomasses cultivées dans l’eau et non utilisées pour l’alimentation Autres déchets alimentaires

La quantité totale de cette biomasse disponible n’est pas connue avec précision mais a été précédemment estimée à 50 milliards de tonnes par an, dont 1,3 milliard de tonnes par an de déchets alimentaires13,14.

Nous pouvons classer la biomasse en 3 grandes catégories :12 Glucides (amidon, cellulose et hémicellulose) dont la lignine issue de la biomasse lignocellulosique Triglycérides (huile de soja, de palme, de colza, de tournesol) Résidus organiques mélangés

La biomasse lignocellulosique est constituée de matière végétale sèche contenant de la cellulose, de l’hémicellulose et de la lignine. Elle peut provenir d’une variété de cultures dédiées, telles que le miscanthus, le saule ou le peuplier. Les matières premières peuvent également être obtenues à partir de déchets tels que la paille de riz ou de blé, les résidus forestiers et la pâte à papier de l’industrie papetière. Les déchets alimentaires constituent une autre matière première riche en molécules fonctionnalisées. Bien qu’ils soient biodégradables, ils devraient être valorisés en tant que matière première pour des produits chimiques, des matériaux et des biocarburants renouvelables, ce qui nous conduirait à une réduction des déchets et à une moindre dépendance vis-à-vis des ressources fossiles. L’utilisation des déchets présente l’avantage essentiel d’éviter la concurrence pour les terres agricoles qui pourraient être utilisées pour la production alimentaire, tout en générant de la valeur à partir de résidus qui, autrement, seraient mis au rebut15. Pour ces raisons, la valorisation des déchets est considérée comme une source de plus en plus importante à la fois de produits chimiques et d’énergie.

En plus des molécules fonctionnelles extractibles que l’on trouve dans la biomasse, nous pouvons également fabriquer d’autres molécules fonctionnelles utiles ou “molécules plateformes”, telles que l’acide succinique, l’acide lactique et la lévoglucosénone, par traitement biochimique ou thermochimique des composants cellulosiques en vrac de nombreux types de biomasse. Une bioraffinerie est analogue à la pétro-raffinerie actuelle dans le sens où elle produit de l’énergie et des produits chimiques. Les différences majeures résident dans la matière première qu’elle utilisera, allant de la biomasse aux déchets (figure 1.2).

On peut considérer que les bioraffineries appartiennent à trois types. Les bioraffineries de type 1 se concentrent sur la conversion d’une seule matière première, en utilisant un seul procédé et en ciblant un seul produit. Une usine de production de biodiesel en serait un bon exemple : le colza ou le tournesol est utilisé pour l’extraction de l’huile, qui est ensuite transestérifiée pour produire des esters méthyliques d’acides gras ou du biodiesel à l’aide de méthanol et d’un catalyseur.

Les bioraffineries de type 2 diffèrent du premier type par le nombre de produits. Un exemple typique est la production d’amidon, d’éthanol et d’acide lactique ainsi que de sirop de fructose élevé, de sirop de maïs, d’huile de maïs et de farine de maïs à partir d’opérations de broyage humide du maïs. Un exemple plus récent qui a été suggéré est l’utilisation des déchets d’agrumes, tels que la peau d’orange (figure 1.3).16

Les bioraffineries de type 3 permettent de combiner un plus grand nombre de technologies. Elles permettent également un plus grand nombre de produits générant deux ou plusieurs produits biosourcés et le résidu est utilisé pour produire de l’énergie (soit du carburant, de l’électricité et/ou de la chaleur). Les bioraffineries de cultures entières, qui utilisent plusieurs sous-produits agricoles provenant de la même culture, en sont un exemple. Les bioraffineries de type 3 sont généralement celles qui visent la production de produits chimiques et de carburants.

Au fur et à mesure que le concept de bioraffinerie est développé, il est impératif d’utiliser des technologies propres, afin de s’assurer que son ou ses résultats sont réellement durables. La tâche 42 de l’AIE sur la bioénergie définit le bioraffinage comme “la transformation durable de la biomasse en un éventail de produits biosourcés (denrées alimentaires, aliments pour animaux, produits chimiques et/ou matériaux) et de bioénergie (biocarburants, électricité et/ou chaleur).17 À l’avenir, diverses bioraffineries verront le jour sur le plan commercial, tirant parti d’une technologie flexible, aidant le concept de bioraffinerie à traiter la biomasse disponible localement dans un cycle intégré carburant-chimie-matière-énergie, améliorant la qualité de vie de la population locale et diminuant l’impact environnemental régi par les trois dimensions de la durabilité : protection de l’environnement, progrès social et développement économique12.

La chimie verte contribue à la révolution des énergies renouvelables, en montrant la voie vers la substitution des matières premières fossiles et vers une approche d’économie plus circulaire dans l’utilisation des ressources. Les trois étapes fondamentales du cycle de vie d’un produit ne suffisent plus : il faut désormais ajouter une étape qui restitue les ressources de l’article usagé à une production utile. En principe, cette étape pourrait faire partie du cycle naturel du carbone pour les matières organiques, de sorte qu’il suffit de s’assurer que les articles sont collectés (meilleure infrastructure) et qu’ils sont (rapidement) biodégradables. La limite est que la nature a tendance à transférer la plus grande partie de son carbone sous forme de dioxyde de carbone et d’autres molécules simples, qui nécessitent ensuite un effort pour se constituer (en effectuant des réactions chimiques, etc. qui consomment des ressources et génèrent leurs propres déchets). Dans le cas des ressources inorganiques, nous ne pouvons compter sur aucune sorte de cycle naturel pour la plupart des éléments. Notre approche linéaire actuelle, qui consiste à extraire des minerais, à les transformer en métaux, à utiliser ces métaux dans la fabrication d’articles complexes, puis à les jeter dans des décharges, ne peut pas nous rendre les ressources de manière utile. Nous devons plutôt mettre en place nos propres systèmes de ressources inorganiques en circuit fermé, dans lesquels les ressources, généralement des métaux, sont récupérées dans les articles originaux dans lesquels elles sont utilisées, et sous une forme qui peut être facilement utilisée pour la même application ou une autre. Cela nécessitera des changements fondamentaux dans la conception des articles permettant un désassemblage facile au niveau des ressources – parfois appelé “benign by design”.

1.4 Initiatives majeures dans le monde

Comme cela a été discuté, la législation croissante, les ressources limitées et les changements dans l’opinion scientifique et publique signifient qu’il y a un besoin croissant pour les industries et les universités de travailler ensemble vers des pratiques plus vertes et plus durables. Il est vital que nous équipions la prochaine génération de scientifiques avec les connaissances et les compétences nécessaires pour le faire.

Depuis les humbles débuts de quelques groupes de recherche travaillant dans des domaines tels que le remplacement de réactifs dangereux couramment utilisés comme AlCl3 dans les années 1980, en passant par le mouvement de la chimie verte lancé par l’EPA américaine dans les années 1990, il existe maintenant de nombreuses initiatives de chimie verte et durable dans le monde entier. Celles-ci vont des grands centres travaillant dans plusieurs domaines aux programmes et réseaux éducatifs. La chimie verte trouve sa place à divers stades de l’éducation et dans divers pays : les programmes éducatifs les plus reconnaissables sont probablement les cours de maîtrise actuellement en cours dans des pays comme le Royaume-Uni, la France, l’Espagne, le Canada, la Grèce, l’Inde et la Bulgarie.18 La chimie verte est probablement moins bien développée au niveau du premier cycle, mais aux États-Unis, on estime que 13 universités offrent des cours de chimie verte, Berkeley étant particulièrement active, notamment en développant des activités en ligne.11 Un certain nombre de livres et d’autres ressources offrent des pratiques de chimie verte, principalement pour les cours de premier cycle.19

Les centres de chimie verte (pour la plupart basés dans les universités, avec plus d’un universitaire de haut niveau basé dans le centre, et avec une gamme d’activités allant au-delà de la recherche pour inclure, par exemple, l’éducation et la mise en réseau) se répandent avec plusieurs aux États-Unis (notamment UC Berkeley et UMass Boston) et d’autres en Australie (Centre de chimie verte à Monash), en Corée (notamment l’Institut coréen de recherche en technologie chimique), au Mexique (UANL, Monterrey), en Inde (Université de Delhi), au Canada (Green Center Canada) et au Royaume-Uni (Université de York).20

Le Green Chemistry Network (GCN) a récemment lancé un réseau de centres de chimie verte et durable (G2C2) dans le but d’améliorer la communication entre les centres existants et de fournir un guide aux centres émergents, comme au Brésil et en Afrique du Sud21. La première réunion des centres internationaux a eu lieu à Delhi en décembre 2013.22 En outre, l’Institut de chimie verte est très actif dans la promotion de plusieurs initiatives importantes en matière de chimie verte, telles que l’écologisation des processus pharmaceutiques.23,24 Les collaborations entre le monde universitaire et l’industrie sont également essentielles pour développer des technologies et des projets de pointe, tels que le projet de l’IMI “CHEM21 (Méthodes de fabrication chimique pour les industries pharmaceutiques du 21e siècle)”.25 L’objectif de ce projet est de travailler à l’élaboration de méthodologies plus écologiques en développant des alternatives biologiques et chimiques durables aux matériaux finis, tels que les métaux précieux. De nombreux thèmes du projet sont abordés dans les chapitres de cet ouvrage.

1.5 Résumé

La chimie verte, l’ingénierie verte et la conception durable doivent être prises en compte lorsqu’on s’oriente vers des processus plus appropriés à l’environnement. L’évolution de l’opinion publique, la législation et la disponibilité des ressources sont autant de moteurs du changement. La mise en œuvre de REACH et l’élaboration de “listes SIN” de produits chimiques visant à restreindre l’utilisation de nombreux produits chimiques ont des répercussions importantes sur les industries manufacturières. La disponibilité limitée de nombreuses ressources signifie que nous devons développer des systèmes en circuit fermé et évoluer vers une économie circulaire. Le concept de bioraffinerie permet de convertir la biomasse en produits chimiques et en énergie utiles, réduisant ainsi notre dépendance à l’égard des ressources fossiles. Il existe de nombreuses initiatives dans le monde qui cherchent à aider l’innovation dans le domaine de la chimie verte et durable et à former la prochaine génération de scientifiques.