On construisit alors des installations de nettoyage des fumées et des stations d’épuration afin de maîtriser la situation. Ces mesures en bout de chaîne étant néanmoins techniquement très complexes et présentant des coûts d’exploitation très élevés, on essaie Présent de produire le moins d’émissions possible à la source.
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Durant les cent premières années d’activité chimique industrielle jusqu’au milieu du 20e siècle, on pensait que les émissions sous forme de rejets dans l’atmosphère, d’eaux usées et de déchets étaient assimilées par l’environnement. L’intérêt portait essentiellement sur les nouveaux colorants, engrais et plastiques. Ce n’est que dans les années 60, lorsque la pollution de l’environnement devint flagrante, qu’on commença à réagir.
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On essaie Présent d’utiliser des matières premières peu coûteuses qui permettent en outre d’aboutir directement et de manière élégante à la molécule cible. Si l’on veille à ce que tous les atomes utilisés se retrouvent si possible dans le produit souhaité, il en résulte des synthèses économiques en termes d’atomes et beaucoup moins de déchets. La vanilline, un arôme et produit intermédiaire important, extraite à peu de frais de la matière première renouvelable qu’est le bois, en constitue un bon exemple.
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Les produits chimiques peuvent être fabriqués à partir de matériaux de base et de voies de synthèse très différents. On utilise pour cela des petits groupes composés de quelques atomes pour ensuite synthétiser, lors de procédés complexes, les molécules telles que des principes actifs pharmaceutiques, des arômes et des matières plastiques. Auparavant, on tenait essentiellement compte de la fonction de la molécule cible et des coûts de fabrication.
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Présent, l’oxyde d’éthylène est fabriqué à partir d’éthène et d’air ou d’oxygène pur. On peut ainsi renoncer au chlore lors de la fabrication, contourner une étape intermédiaire particulièrement toxique et éviter d’importantes quantités de déchets. Les catalyseurs à l’argent rendent cette réaction directe possible. De plus en plus souvent, des systèmes biologiques sont privilégiés pour la fabrication de produits chimiques. On a la plupart du temps recours à l’eau comme solvant, les températures utilisées sont faibles et il est possible de renoncer aux substances toxiques.
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Lorsqu’il s’agissait de créer de nouvelles substances, le danger lié aux produits chimiques utilisés était moins important que les propriétés ou les fonctions souhaitées du produit. Pour fabriquer des détergents et des lessives, des substances tensioactives sont nécessaires. Une partie de ces molécules en forme de chaîne est souvent composée d’oxyde d’éthylène. Pour sa fabrication, on transformait auparavant de l’éthène avec du chlore, substance particulièrement réactive et toxique, et du lait de chaux.
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Etant très toxique, le sulfure de cadmium n’est plus utilisé dans l’industrie en Europe comme pigment pour les peintures depuis les années 80. Pour le remplacer, on utilise le vanadate de Bismuth, qui est atoxique et garantit une meilleure couverture, ainsi que différents pigments organiques jaunes.
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En raison de son extraordinaire brillance, de sa stabilité et de sa résistance, on a longtemps utilisé, en Allemagne, pour le jaune de La Poste du sulfure de cadmium. Ce dernier est néanmoins classé comme très toxique ou plus précisément comme cancérigène, dangereux sur le plan génétique et polluant pour l’eau.
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Présent, les peintures à base de solvants peuvent être remplacées par des peintures à dispersion équivalentes à base d’eau. Ainsi, l’environnement est protégé et le peintre ne court aucun danger.
L’industrie chimique parvient de mieux en mieux à remplacer les solvants par des systèmes plus durables. Des substances telles que le dioxyde de carbone et l’eau à haute température et à forte pression (dans un état supercritique) s’avèrent être, par exemple, d’excellents solvants. C’est ainsi qu’on extrait depuis longtemps la caféine du café.
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Les solvants sont essentiels lors de la fabrication des produits chimiques mais aussi lors de leur utilisation. Sont considérés comme solvants les substances dans lesquelles ont peut dissoudre d’autres substances. Pendant longtemps, les peintures ont été fabriquées sur la base de solvants non aqueux. Souvent, ces solvants sont dangereux et toxiques pour l’Homme et l’environnement.
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De nos jours, les installations chimiques sont le mieux isolées possible, ce qui permet d’économiser de l’énergie et donc de l’argent. Les mesures visant à augmenter l’efficacité énergétique vont néanmoins bien plus loin. A l’image d’un randonneur qui découvre un nouveau col lui permettant de traverser les alpes avec plus de facilité, il est souvent possible de trouver de nouvelles voies de synthèse, plus créatives. On utilise Présent déjà des microorganismes qui se servent de l’énergie solaire pour produire des produits chimiques.
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Pour des raisons de rentabilité, il est toujours intéressant d’augmenter la vitesse des réactions chimiques. Le plus souvent, cela implique néanmoins des températures plus élevées. En chimie, une règle générale s’applique: la vitesse des réactions chimiques double lorsqu’on augmente de dix degrés environ la température du mélange réactionnel. Des températures plus élevées entraînent cependant une augmentation de la consommation d’énergie.
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C’est à la fin du 20e siècle qu’on réalisa que les matières premières fossiles étaient épuisables. L’utilisation des matières premières renouvelables dans l’industrie chimique marqua le début d’une nouvelle ère. Grâce aux procédés biologiques et chimiques, de nouvelles substances et matériaux sont désormais disponibles.
L’acide polylactique, un bioplastique à usages divers, constitue un matériau particulièrement intéressant. L’utilisation économique de structures biologiques comme celle du bois ou la fabrication de carburants à partir de déchets biodégradables dans des bioraffineries sont également attrayantes.
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Après la 2nde Guerre mondiale, le pétrole – suivi du gaz naturel – a vite remplacé le charbon comme matière première pour la fabrication de produits chimiques. Si seulement 10% environ des matières premières fossiles si riches en énergie sont utilisées en chimie, la gamme de produits chimiques qui en résultent est immensément grande et s’étend des colorants aux produits pharmaceutiques en passant par les engrais, les produits phytosanitaires et les matières plastiques.
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De nos jours, le phénol est certes toujours fabriqué à partir de benzène mais le procédé catalytique moderne ne nécessite plus que du propène et de l’oxygène de l’air. Outre le phénol, on fabrique aussi simultanément de l’acétone, qui contribue de manière décisive à la rentabilité du procédé. Ainsi, la synthèse ne contient pas de déviations inutiles et on évite de produire de grandes quantités de déchets. Les procédés catalytiques sélectifs, en particulier, permettent souvent d’emprunter des voies de réaction directes.
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Le phénol constituait l’un des produits de départ pour la fabrication de Bakélite, le premier plastique important. A l’origine, le phénol était fabriqué en plusieurs étapes, lors d’un procédé très complexe à partir de benzène. Dans la chimie des produits naturels ou la chimie médicinale, il est même souvent nécessaire d’appliquer des stratégies de synthèse encore beaucoup plus compliquées pour parvenir à synthétiser la molécule souhaitée. Pour cela, il faut parfois protéger certaines parties d’une molécule avant de pouvoir en modifier une autre partie.
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Acrylic acid is currently made catalytically in two steps, involving propene and atmospheric oxygen. The use of catalysts first enabled this direct reaction path, which saves a great deal of energy and raw materials. A possible future method is based on lactic acid, derived from milk or whey, which requires further dehydration to acrylic acid. Ideally, an enzyme, as an efficient biocatalyst, should be found for this purpose.
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Acrylic acid, an essential basic chemical, is also used for the manufacture of absorbent material (polyacrylates or so-called superabsorbers) for baby nappies. The first industrial manufacture of acrylic acid was very costly in terms of energy, and was based on the extremely hazardous hydrocarbon propene as a starting material, and very toxic intermediates. Although propene is easily obtainable from light petroleum or natural gas, both are finite fossil fuels.
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Etant donné les connaissances actuelles sur la dégradation biologique des tensioactifs, seules les substances facilement biodégradables sont incorporées de nos jours en Europe dans les lessives et détergents. Dans le cas des alkylbenzènesulfonates, il suffit par exemple de modifier une partie de leur structure. Outre la biodégradabilité, on tient compte également dans le domaine des tensioactifs de leur base en termes de matières premières. Les matières premières renouvelables telles que les acides gras naturels provenant de l’huile de colza ou de l’huile de palme remplacent donc de plus en plus les matières premières fossiles.
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Les lessives tous textiles et les détergents ménagers contiennent des substances tensioactives (tensides) qui facilitent l’élimination de la saleté présente dans les fibres textiles ou sur les surfaces. Autrefois, on utilisait pour cela entre autres des alkylbenzènesulfonates. Dans les années 60, on constata néanmoins que ces substances n’étaient que très difficilement biodégradables.
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En 2002, l’autorité américaine en charge de l’autorisation de mise sur le marché des médicaments (FDA) a lancé une initiative visant à introduire des contrôles en temps réels (PAT) dans la production pharmaceutique. Cette mesure a des répercussions sur l’ensemble de l’industrie chimique et pharmaceutique. Le développement de la technologie informatique et de la technologie laser notamment, mais aussi la miniaturisation croissante ont permis de réaliser de gros progrès. On peut partir du principe que finalement, tous les procédés chimiques pourront à tout moment être surveillés en temps réel au niveau moléculaire et donc être mieux gérés.
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Dans la production chimique, on analyse la qualité des produits intermédiaires et des produits finis en prélevant des échantillons. Ces analyses demandent souvent beaucoup de temps mais sont essentielles pour déterminer par exemple l’avancement de la réaction. Celui-ci est décisif non seulement pour la durée mais aussi pour la qualité d’une réaction et donc pour sa rentabilité. Pour obtenir continuellement et pas seulement ponctuellement des informations sur les procédés de fabrication, on a commencé très vite à développer des analyses en temps réel.
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Grâce à une meilleure compréhension des processus et à des méthodes d’analyse des risques, il est Présent possible de mieux évaluer et donc de réduire les dangers liés aux procédés chimiques. On a, par exemple, appris que la modification de l’ordre des séquences réactionnelles permettait d’éliminer complètement certains dangers. En réalisant une réaction de manière continue, il est possible de fabriquer, dans des systèmes de microréacteurs, de grandes quantités de produit avec des appareils de très petit volume, sans les dangers liés aux gros volumes qui sont habituellement nécessaires.
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Dans le passé, les procédés chimiques étaient réalisés avec la prudence nécessaire pour fabriquer les produits souhaités de manière sûre. Malheureusement, des incidents imprévus survenaient régulièrement. Les dangers provenant des produits chimiques tels que leur toxicité, leur inflammabilité ou leur décomposabilité ont parfois provoqué de gros dégâts.
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La chimie verte
De María de Lourdes Aja Montes, étudiante dans le cursus de master ‹Chemistry for the Life Sciences› MScLS13
Chemistry plays an important role in everyday life and one of the most vital challenges that chemists have to face is developing the optimal way to produce molecules that can help improve it. However, the definition of optimal has evolved through time: from alchemical times, when the optimal synthesis was finding the right mixture that led to the desired results, through the industrial revolution when there was more focus on cost optimisation. It was not until the early 60’s that a new era of chemistry started, when Rachel Carson recognised the the devastation that certain chemicals were having on local ecosystems in her book Silent Spring [1], broadening with it the scope of what optimal signifies to include the effect of chemicals on the environment. In 1998 Paul Anastas and John Warner published the 12 Principles of Green Chemistry [2], which now serve as a guide-line for chemists to develop syntheses that not only produce the desired product at a competitive price, but also allow the environment to be protected from inherently toxic materials throughout the entire supply chain.
Nowadays multiple examples can be found where less hazardous syntheses have been implemented. This project describes some of these examples in the twelve sections below.
[1] ACS Green Chemistry Institute, History of Green Chemistry,American Chemical Society. 2014.
[2] Twelve Principles of Green Chemistry, Environmental Protection Agency, 2013.
Vers les principes
