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Le recyclage enzymatique du PET

CV Malgré une production industrielle récente, les plastiques ont envahi notre quotidien, entrainant une prise de
conscience collective sur la nécessité de considérer leur fin de vie comme un enjeu environnemental et sociétal.
Cet article s’intéresse plus particulièrement au polyéthylène téréphtalate (PET) pour évoquer ses méthodologies
de recyclage. Une attention particulière est portée sur la technologie de recyclage enzymatique révolutionnaire
co­développée par Carbios et le Toulouse Biotechnology Institute, car elle permet son recyclage ad infinitum,
contrairement au procédé thermomécanique usuel.
Mots­clés Plastique, PET, recyclage, ingénierie enzymatique, procédé.

Résumé Recyclage enzymatique du PET Alors

qu'ils sont apparus récemment, les plastiques se sont ancrés dans notre quotidien, suscitant une prise de conscience collective de
la nécessité de considérer leur fin de vie comme un enjeu environnemental et sociétal. Cet article se concentre particulièrement sur
le polyéthylène téréphtalate (PET) et ses méthodologies de recyclage. Une attention particulière est portée à la technologie
révolutionnaire de recyclage enzymatique mise en œuvre par Carbios et l'Institut de Biotechnologie de Toulouse, car elle permet un
recyclage du PET à l'infini, contrairement au procédé thermomécanique habituel.
Mots clés Plastiques, PET, recyclage, génie enzymatique, procédé.

Les plastiques : classification, usage et production Dans le contexte actuel d’environnement durable et au regard
des pollutions que ces matières engendrent, deux aspects
Le terme plastique désigne un polymère synthétique, à l’instar sont particulièrement considérés lorsqu’un plastique est
des polymères naturels (cellulose, protéine, ADN), qui peut évoqué : l’origine des monomères, biosourcés ou issus du
être moulé ou soufflé pour former un objet ou un film. Le carbone fossile, et la gestion de sa fin de vie [6].
premier plastique synthétique, la Bakélite, fut introduit en 1907
et aujourd’hui, il existe une diversité de polymères plastiques Focus sur le PET
[1]. La liaison chimique entre monomères constitu tifs, la
masse moléculaire et le degré de polymérisation, ainsi que le Le PET apparait au sortir de la Seconde Guerre mondiale
procédé de fabrication vont régir différentes caractéris tiques pour la fabrication de fibres visant à remplacer le coton [7].
mécaniques et chimiques de ces polymères telles que par C’est un polyester thermoplastique semi­aromatique et semi­
exemple leur organisation en microstructures (polymères cristallin constitué de deux monomères régulièrement alternés
cristallin, semi­cristallin ou amorphe), leur résistance, leur – AT (acide téréphtalique) et EG (éthylène glycol). S’il existe
comportement à la chaleur ou encore leur transparence, et du PET partiellement biosourcé, sa production (200 kt en
ainsi leurs applications et les solutions envisageables pour 2019 [4]) est anecdotique par rapport au PET conventionnel
traiter leur fin de vie. produit par polycondensation de monomères issus de la
En 2017, 438 millions de tonnes (Mt) de plastiques étaient pétrochimie (82 Mt/an) [8]. Il est utilisé principalement dans
produites, réparties en 348 Mt de résines, 62 Mt de fibres et les domaines du textile (54 %, le polyester représentant 80 %
27 Mt d’additifs [2]. En 2019, 40 % de la demande européenne des fibres synthétiques avec une production de 44 Mt/an) et
en résines était destinée à la fabrication d’emballages, et les de l’emballage [8].
PP (polypropylène), PE (polyéthylène), PVC (chlorure de poly
vinyl), PS (polystyrène) et PET (polyéthylène téréphtalate)
Les solutions de recyclage du PET :
représentaient 80 % de cette demande, toutes applications
confondues [3].
un enjeu collectif et des solutions diverses
La décomposition du PET en milieu marin est estimée à plus
de cent ans [9] ; il est donc particulièrement important de gérer
Les plastiques et leur devenir
au mieux sa fin de vie. Bien que les emballages en PET soient
En 2017, 328 Mt de plastiques finissaient en déchets [2]. Or collectés à hauteur de 70 % en Europe, à peine 10 % des
moins de 1 % sont biodégradables [4] et les plastiques dits bouteilles sont réellement recyclées en nouvelles bouteilles
inertes, tels que PP et PE, sont dégradés à l’échelle de [10]. En effet, le procédé de recyclage thermomécanique
centaines d’années. En Europe, 47 % des déchets plastiques utilisé actuellement ne permet de recycler qu’une faible
de type résine ont pu être collectés et seulement 32,5 % fraction de PET, car il souffre des problèmes de pollution des
recyclés en 2018, contre 42,6 % incinérés et 24,9 % mis en déchets intrants, ce qui implique des étapes de tri drastiques
décharge [3]. Ce sont donc encore des millions de tonnes de en amont [11].
plastiques qui s’accumulent dans notre environnement. Par ailleurs, l’étape de fusion du PET mise en œuvre dans ce
L’impact du plastique sur la santé et les écosystèmes est un procédé thermomécanique engendre une dégradation des
problème sanitaire largement débattu, en termes de maintien propriétés du plastique, et ce PET recyclé doit donc être
de la biodiversité à l’échelle mondiale, mais est également mélangé à du PET vierge pour obtenir un PET de qualité suffi
une menace pour les activités économiques qui en dépendent [5].sante pour l’application primaire [12]. Ce PET recyclé est donc

L’ACTUALITÉ CHIMIQUE N° 473­474 94 Mai­Juin 2022

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Figure 1 ­ Flux de matière PET : encore trop peu de déchets PET valorisés en boucle fermée.

principalement destiné à des applications secondaires, telles été décrites comme présentant des capacités d’hydrolyse du
que le textile, lui­même très mal voire non recyclé (80 % des PET, avec des performances malgré tout limitées ne permet
fibres sont incinérées ou mises en décharge). Finalement, tant pas de laisser entrevoir un procédé industriel [16], et ce
certains produits en PET ne peuvent pas être recyclés par cette malgré un effort permanent pour développer des méthodolo
technique (fibres, PET coloré, opaque ou multicouche). C’est gies expérimentales ou informatiques permettant de décou vrir
donc en réalité un recyclage en boucle ouverte, qui ne résout de nouvelles PETases [17­18] ou de les optimiser [19]. Ces
pas sa fin de vie ultime. enzymes appartiennent à la classe des a/b hydrolases : lipases,
Alors qu’en 2014, le recyclage par voie chimique du PET avait estérases et cutinases (EC 3.1), mais leur mode d’action est
été estimé économiquement viable pour un débit minimum de encore peu compris et la nature du substrat joue un rôle clé
150 kt par an, et ainsi plutôt envisagé pour du « up­cycling » en (taille, forme, épaisseur et cristallinité).
produits de haute valeur ajoutée [13­14], deux projets industriels En avril 2020, TBI et Carbios font la couverture de la revue
de recyclage de PET par voie chimique ont récemment été Nature pour leur travaux [20]. En alliant les sciences de la vie
annoncés par les sociétés Loop Industries et Eastman. et les sciences des matériaux, les auteurs développent un
procédé de recyclage enzymatique du PET reconnu comme la
Enfin, des procédés de transformation du déchet plastique, en technologie enzymatique de plus haut TRL (« technology
carburant (pyrolyse ou gazéification) ou en énergie (inciné readiness level » 5) [21]. Ils proposent une solution de premier
ration), permettent de le valoriser sans pour autant permettre plan pour aller vers une économie circulaire du PET : l’enzyme
son recyclage à proprement parler. permet de dépolymériser 90 % d’une suspension à 200 g/L de
La figure 1 présente une vision globale des flux de matières déchets de PET colorés en AT et EG en moins de 10 h avec
PET. une productivité jamais égalée (16,7 g d’AT.L­1.h­1).
Complémentaire à toutes ces technologies, le recyclage Les monomères EG et AT peuvent ensuite être purifiés puis
enzymatique présente de nombreux avantages, la spécificité utilisés pour produire du PET et fabriquer de nouvelles bouteilles
de l’enzyme permettant : ­ de s’affranchir d’un tri drastique en de qualité alimentaire [22], dont les propriétés sont identiques
amont ; ­ de traiter toutes sortes de déchets PET (résines à celles produites par polymérisation de monomères issus de
claires, colorées, opaques, complexes, matières textiles, la pétrochimie, démontrant ainsi la circularité du procédé
fibres...) ; ­ une conduite en conditions douces de température (figure 2).
et pression, en milieu aqueux ; ­ un retour aux monomères, Mais comment y sont­ils arrivés ? Ils ont su répondre à des
synonyme donc de recyclage à l’infini pour limiter le recours au phénomènes antinomiques…
carbone fossile. Le PET est caractérisé par une température de transition
vitreuse (Tg) avoisinant 75 °C, proche de celle où les zones
En 2012, la société française Carbios, pionnière dans le monde amorphes deviennent mobiles et donc accessibles. Les
de la bioplasturgie, vient proposer aux chercheurs du Toulouse PETases dépolymérisent principalement les PET de faible
Biotechnology Institute (TBI) de relever ensemble ce défi en cristallinité par action sur ces zones amorphes [23]. Malgré
montant le projet ThanaplastTM, financé par BPI France entre tout, l’incubation prolongée du PET à une température voisine
2012 et 2017, et suivi par le projet Circular Economy PET de la Tg va induire un réarrangement des fractions amorphes
financé par l’Ademe entre 2018 et 2021. vers une architecture plus ordonnée, cristalline, limitant alors la
dépolymérisation enzymatique. Ce phénomène de recristal
lisation peut donc être considéré comme une réaction compé
Le recyclage enzymatique avec Carbios et TBI
titive à la cinétique d’hydrolyse enzymatique.
La première enzyme permettant de dépolymériser du PET fut Grâce à cette connaissance de la matière, Carbios a pu établir
identifiée en 2005 [15]. Depuis, de nombreuses enzymes ont le cahier des charges pour son procédé [24] : substrat de faible

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Figure 2 ­ Le recyclage enzymatique : une solution révolutionnaire vers une économie circulaire du PET. Tous déchets en PET, fibre et résine, collectés puis prétraités, peuvent être dépolymérisés
par l’enzyme développée conjointement par Carbios et TBI. Les monomères TA et EG issus de ce procédé sont ensuite purifiés pour servir à la synthèse de PET vierge. Ce procédé a permis de
fabriquer les premières bouteilles et fibres en PET 100 % recyclé par voie enzymatique.

cristallinité initiale, conduite de procédé proche de la Tg pour dépolymérisation du PET en moins de 10 h quand l’enzyme
maximiser l’accessibilité à l’enzyme, et enzyme suffisamment originelle est inactivée par cette température tôt dans la réaction
efficace pour rivaliser avec la cinétique de recristallisation du et ne permet de dépolymériser que 50 % d’un réacteur à très
polymère. Grâce à une étape d’amorphisation, la cristalli nité haute teneur en déchets PET (200 g/L).
des déchets PET peut être diminuée. Une étape de micro Ce processus de recyclage enzymatique pourrait réduire
nisation permet ensuite l’obtention d’une poudre fine et maximise l’empreinte carbone du traitement des déchets de PET. En
ainsi la surface accessible [25]. Reste le biocatalyseur effet, en tenant compte de la substitution de la production de
efficace… : une enzyme apte à dépolymériser un maximum de PET vierge, il pourrait permettre une économie de 30 %
PET, à une température aussi proche que possible de la Tg, et d’émissions de CO2 par rapport à une fin de vie en incinération
dans un temps suffisamment faible pour ne pas atteindre une ou mise en décharge (d’après l’analyse préliminaire du cycle de
cristallinité incompatible avec la dépolymérisa tion enzymatique. vie du recyclage du PET effectuée par Carbios en 2021 [22]).
Grâce aux compétences en ingénierie enzymatique et design
moléculaire des chercheurs du TBI et de Carbios, la meilleure
Développement industriel et perspectives
enzyme connue à cette date, la « leaf­branch compost
cutinase » (LCC [26]), a été optimisée. Le mariage réussi entre sciences de la vie et sciences des
Onze acides aminés constituant le site actif de la LCC, identi matériaux, entre recherche publique et privée, a permis de
fiés par « docking » moléculaire d’un substrat modèle, ont été conduire à l’élaboration d’un procédé circulaire de recyclage
changés par les dix­neuf autres existant dans la nature ad infinitum applicable à tous déchets PET. Le procédé décrit
(mutagenèse de saturation) pour évaluer l’efficacité de ces par Tournier et al. valorise les déchets plastiques colorés de
monovariants. Le remplacement d’un F en I en position 243 type résine peu valorisés à l’heure actuelle [20]. L’Oréal, Nestlé
permet de gagner 27,5 % d’activité spécifique et d’un Y en G Waters, PepsiCo et Suntory Beverage & Food Europe ont pu
en position 127 d’augmenter de 2,3 °C la thermorésistance de utiliser le PET issu de ce procédé pour la production de
l’enzyme. D’autre part, l’ajout d’un pont disulfure dans la bouteilles en PET 100 % recyclé par voie enzymatique.
structure de l’enzyme (D238C­S283C) permet également Depuis, cette technologie a été validée pour le recyclage de
d’augmenter de 9,5 °C la thermorésistance de la LCC. La déchets textiles, et une fibre blanche en PET 100 % recyclé par
combinaison de ces mutations positives a permis d’obtenir un voie enzymatique a pu être fabriquée [27]. L’enzyme sera
quadruple variant efficace à 72 °C et d’atteindre 90 % de produite à grande échelle par Novozymes, le leader mondial

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de la production d’enzymes. Le procédé est optimisé dans le [16] R. Gao, H. Pan, J. Lian, Progrès récents dans la découverte, la caractérisation et l'ingénierie des

démonstrateur de Carbios, inauguré à Clermont­Ferrand le hydrolases de poly(éthylène téréphtalate) (PET), Enzyme Microb. Technol., 2021, 150, DOI : 10.1016/

29 septembre 2021, où un réacteur de 20 m3 permet de j.enzmictec.2021.109868.

[17] D. Danso, et al., Nouvelles connaissances sur la fonction et la distribution mondiale des bactéries
traiter deux tonnes de PET par cycle, soit l’équivalent de
100 000 bouteilles ou 20 000 t­shirts. et des enzymes dégradant le polyéthylène téréphtalate (PET) dans les métagénomes marins et
terrestres, Appl. Environ. Microbiol., 2018, 84, https://doi.org/10.1128/AEM.02773­17 [18] I. Karunatilleka,
Carbios projette la création en France, à Longlaville, d’une L. Jaroszewski, A. Godzik, Novel putative polyethylene terephthalate (PET) plastic degrading enzymes
unité industrielle qui permettra de traiter 50 000 tonnes de from the environment métagénome, Proteins Struct. Fonct.
déchets PET par an via ce procédé à l’orée 2025 [28]. Bioinform., 2022, 90, p. 504­511.
[19] B. Zhu, D. Wang, N. Wei, Découverte et ingénierie d'enzymes pour le recyclage durable du
plastique, Trends Biotechnol., 2022, 40, p. 22­37.
[1] M. Fontanille, Y. Gnanou, Chimie et physico­chimie des polymères, Dunod, 2014.
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[2] R. Geyer, Production, utilisation et devenir des polymères synthétiques, dans Déchets plastiques et recyclage.
plastique, Nature, 2020, 580, p. 216­219.
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[21] JCS Sales, AG Santos, AM de Castro, MAZ Coelho, Un point de vue critique sur le niveau de
13­32.
maturité technologique (TRL) de la biodégradation microbienne des plastiques, World J. Microbiol.
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[22] De grandes marques mondiales présentent leurs premières bouteilles issues d’un procédé de
­WEB­2020_versionJun21_final­1.pdf [4] Bioplastique européen, Faits et chiffres 2019, 2019, https://
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[8] A. Singh et al., Analyse de l'impact technico­économique, du cycle de vie et socio­économique du
[26] S. Sulaiman et al., Isolement d'un nouvel homologue de la cutinase avec une activité de dégradation du
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valide la dernière étape technique du projet CE­PET 1 cofinancé par l’Ademe, 2022, www.carbios.com/
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1
Toulouse Biotechnology Institute (TBI), Université de Toulouse, CNRS, INRAE, INSA, Toulouse.
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téréphtalate, Front. Bioeng. Biotechnol., 2021, 9, https://doi.org/10.3389/ fbioe.2021.656465
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Rapid Commun., 2005, 26, p. 1400­405.

L’ACTUALITÉ CHIMIQUE N° 473­474 97 Mai­Juin 2022