Les fibres fermentées pourraient permettre de lutter à la fois contre la faim dans le monde et le gaspillage dans l'industrie textile.

Un sous-produit de la fermentation pourrait contribuer à résoudre deux grands défis mondiaux : la faim dans le monde et l’impact environnemental de la mode éphémère. Les levures résiduelles issues du brassage de la bière, du vin ou même de la fabrication de certains produits pharmaceutiques peuvent être réutilisées pour produire des fibres haute performance plus résistantes que les fibres naturelles, avec un impact environnemental considérablement réduit, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de Penn State et publiée aujourd’hui (3 novembre) dans les Actes de l’Académie nationale des sciences . 

La biomasse de levure — composée de protéines, de lipides et de sucres — résidu de la production d'alcool et de produits pharmaceutiques est considérée comme un déchet. Pourtant, Melik Demirel , professeur d'ingénierie Pearce et titulaire de la chaire Huck en matériaux biomimétiques à Penn State, et auteur principal de l'étude, explique que son équipe a compris qu'il était possible de valoriser ce matériau pour fabriquer des fibres grâce à un procédé déjà mis au point. Les chercheurs ont réussi à produire ces fibres à l'échelle pilote — plus de 450 kg — dans une usine en Allemagne, avec une production continue et par lots pendant plus de 100 heures par cycle de filage.  

Les données recueillies lors de cette production ont également servi à réaliser une analyse du cycle de vie, évaluant les besoins et l'impact du produit, de l'obtention du sous-produit de fermentation brut à son élimination, en passant par son coût, et permettant d'évaluer la viabilité économique de la technologie. L'analyse a permis de prévoir le coût, la consommation d'eau, le rendement de production, les émissions de gaz à effet de serre et d'autres paramètres à chaque étape.

En définitive, les chercheurs ont constaté que la production à l'échelle industrielle de cette fibre issue de la fermentation pouvait concurrencer la laine et d'autres fibres, tout en nécessitant beaucoup moins de ressources, notamment beaucoup moins de terres – même en tenant compte des terres nécessaires à la culture des plantes utilisées dans les processus de fermentation qui produisent la biomasse de levure.    

« De la même manière que les chasseurs-cueilleurs ont domestiqué les moutons pour leur laine il y a 11 000 ans, nous domestiquons la levure pour obtenir une fibre qui pourrait changer la perspective agricole et permettre de concentrer beaucoup plus de ressources sur les cultures vivrières », a déclaré Demirel, qui est également affilié à l’Institut de recherche sur les matériaux et à l’Institut de l’énergie et de l’environnement, tous deux situés à Penn State.  

« Nous avons démontré avec succès que ce matériau peut être fabriqué à moindre coût – pour 6 dollars ou moins le kilogramme, soit environ 2,2 livres, contre 10 à 12 dollars le kilogramme pour la laine – en consommant beaucoup moins d'eau et de terres, tout en offrant des performances supérieures à celles de toutes les autres fibres naturelles ou transformées et en éliminant quasiment toutes les émissions de gaz à effet de serre. Les ressources ainsi économisées pourraient être utilisées ailleurs, par exemple pour convertir des terres en cultures vivrières. » 

Ne gaspillez pas, vous ne manquerez de rien. 

L'équipe de Demirel travaille depuis plus de dix ans à la mise au point d'un procédé de fabrication de fibres à partir de protéines. Inspirée par la nature , cette fibre est durable et exempte des substances chimiques que d'autres fibres peuvent laisser dans l'environnement pendant des années.  

« Nous pouvons extraire les protéines sous forme d'agrégats — imitant les accumulations protéiques naturelles appelées amyloïdes — de la levure, dissoudre la pulpe obtenue dans une solution, puis la faire passer à travers une filière équipée de minuscules embouts pour produire des fibres continues », explique Demirel. Il précise que les fibres sont ensuite lavées, séchées et filées en fil, lequel peut ensuite être tissé pour fabriquer des vêtements. Il souligne également que ces fibres sont biodégradables, c'est-à-dire qu'elles se décomposent après élimination, contrairement aux millions de tonnes de vêtements en polyester jetés chaque année, qui polluent la planète.

« Le secret réside dans la solution utilisée pour dissoudre la pulpe. Ce solvant est le même que celui utilisé pour produire le Lyocell, la fibre dérivée de la cellulose, ou pâte de bois. Nous pouvons récupérer 99,6 % du solvant utilisé afin de le réutiliser lors de futurs cycles de production. »  

L'idée d'utiliser des protéines pour fabriquer des fibres n'est pas nouvelle, selon Demirel, qui cite le Lanital en exemple. Ce matériau a été mis au point dans les années 1930 à partir de protéines de lait, mais il est tombé en désuétude en raison de sa faible résistance avec l'arrivée du polyester. 

« Le problème a toujours été celui de la performance et du coût », a déclaré Demirel, notant que le milieu du XXe siècle avait également vu l'invention de fibres fabriquées à partir de protéines d'arachide et de protéines de maïs avant que le polyester bon marché et plus résistant ne finisse par s'imposer.    

Libérer les terres de la fibre pour produire des aliments 

Au-delà de la production d'une fibre de qualité, explique Demirel, l'étude a également mis en évidence le potentiel de cette fibre à l'échelle industrielle. Les modèles ont intégré les résultats de l'étude pilote dans des scénarios simulés de production commerciale. À titre de comparaison, environ 25 tonnes de coton sont produites chaque année dans le monde, et seulement 1 kg de coton – soit la quantité nécessaire pour fabriquer un t-shirt et un jean – requiert jusqu'à 10 000 litres d'eau. Le coton brut est relativement bon marché, précise Demirel, mais son impact environnemental est considérable.  

« La culture du coton occupe environ 88 millions d'acres de terres arables dans le monde, dont près de 40 % en Inde, pays classé comme souffrant d'une faim préoccupante par l' Indice mondial de la faim », a déclaré Demirel. « Imaginez si, au lieu de cultiver du coton, ces terres, cette eau, ces ressources et cette énergie pouvaient servir à produire des cultures vivrières. La réalité est plus complexe, certes, mais cette analyse a démontré que les fibres biosourcées nécessitent beaucoup moins de terres, d'eau et d'autres ressources pour leur production. Il est donc envisageable de voir comment une transition des fibres issues de cultures vers des fibres biosourcées pourrait libérer d'importantes surfaces de terres pour la production alimentaire. »  

En 2024, 733 millions de personnes dans le monde – soit environ une personne sur douze – étaient confrontées à l'insécurité alimentaire, une tendance persistante qui a conduit les Nations Unies à se fixer l'objectif « Faim Zéro » afin d'éliminer ce problème d'ici 2030. Selon Demirel, une solution potentielle consisterait à libérer les terres actuellement consacrées aux cultures textiles pour y produire davantage de cultures vivrières. Les méthodes de production actuelles consomment non seulement d'importantes ressources, a-t-il déclaré, mais plus de 66 % des vêtements produits chaque année aux États-Unis finissent dans les décharges . L'approche de Demirel offre une solution à ces deux problèmes, a-t-il affirmé.  

« Grâce à la bioproduction, nous pouvons produire des fibres durables et performantes qui n’entrent pas en concurrence avec les cultures vivrières pour l’accès aux terres, à l’eau ou aux nutriments », a déclaré Demirel. « L’adoption de fibres protéiques issues de la bioproduction constituerait une avancée majeure vers un avenir où les besoins en fibres seraient satisfaits sans compromettre la capacité de la planète à nourrir sa population croissante. Nous pouvons ainsi progresser significativement vers l’objectif « Faim Zéro », en garantissant à tous l’accès à une alimentation nutritive, tout en promouvant les objectifs de développement durable. » 

L'avenir de la fibre 

Demirel a indiqué que l'équipe prévoyait d'étudier plus en détail la viabilité des fibres issues de la fermentation à l'échelle commerciale.  

L'équipe comprend Benjamin Allen, directeur technique, et Balijit Ghotra, de Tandem Repeat Technologies, Inc., la société dérivée fondée par Demirel et Allen sur la base de cette méthode de production de fibres. Un brevet est en cours de dépôt et le Bureau de transfert de technologie de Penn State a concédé une licence d'exploitation de cette technologie à Tandem Repeat Technologies. Parmi les autres co-auteurs figurent Birgit Kosan, Philipp Köhler, Marcus Krieg, Christoph Kindler et Michael Sturm, tous membres du Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung (TITK) e. V. en Allemagne.   

« Dans mon laboratoire à Penn State, nous avons démontré la faisabilité de la fabrication de cette fibre », a déclaré Demirel. « Lors de cette production pilote en usine, en collaboration avec Tandem et TITK, nous avons prouvé que cette fibre pouvait rivaliser avec les meilleures sur le marché mondial. Sonachic, une marque en ligne créée par Tandem Repeat, concrétise ce projet. Prochaine étape : la commercialisation à grande échelle. » 

Le consortium BioMADE et Defense Industrial Base a soutenu ces travaux grâce à une subvention du département de la Défense des États-Unis (DoD). Les opinions et conclusions exprimées dans ce document sont celles des auteurs et ne sauraient être interprétées comme reflétant les politiques ou les approbations, explicites ou implicites, du DoD. 

https://www.psu.edu/news/research/story/fermentation-waste-used-make-natural-fabric