El plástico ecológico revolucionario está casi ligero para los estantes: ScienceDaily

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El plástico forma parte de casi todos los productos que utilizamos a diario. La persona promedio en los Estados Unidos genera alrededor de 100 kg de desechos plásticos por año, la mayoría de los cuales terminan directamente en un vertedero. Un equipo dirigido por Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling y Kristin Persson del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) decidió cambiar eso.

Hace menos de dos años, Helms anunció la invención de un nuevo plástico capaz de abordar la crisis de los residuos de frente. Llamado poli (dicetoenamina) o PDK, el material tiene todas las propiedades convenientes de los plásticos tradicionales al tiempo que evita los peligros ambientales, porque a diferencia de los plásticos tradicionales, los PDK se pueden reciclar indefinidamente sin pérdida de calidad.

Ahora, el equipo ha publicado un estudio que muestra lo que se puede lograr si los fabricantes comienzan a usar PDK a gran escala. ¿La línea de fondo? Los plásticos basados ​​en PDK podrían volverse comercialmente competitivos rápidamente con los plásticos convencionales, y los productos se volverán más baratos y más sostenibles con el tiempo.

«El plástico nunca fue diseñado para ser reciclado. La necesidad de hacerlo se reconoció mucho más tarde», explicó Nemi Vora, la primera autora del informe y ex becaria postdoctoral que trabajó con la autora principal Corinne Scown. «Pero impulsar la sostenibilidad está en el corazón de este proyecto. Los PDK fueron diseñados para ser reciclados desde el principio, y desde el principio el equipo trabajó para refinar los procesos de fabricación y reciclaje de PDK para que el material pudiera ser económico y lo suficientemente fácil de distribuirse a escala comercial en todo, desde envases hasta automóviles «.

El estudio presenta una simulación para una planta de 20.000 toneladas por año que emite nuevos PDK y recoge los residuos de PDK usados ​​para su reciclaje. Los autores calcularon la tecnología y los insumos químicos necesarios, así como los costos y las emisiones de gases de efecto invernadero, y luego compararon sus resultados con cifras equivalentes para la producción de plástico convencional.

«En estos días, hay un gran impulso para la adopción de prácticas de economía circular en la industria. Todos están tratando de reciclar lo que sea que están poniendo en el mercado», dijo Vora. «Empezamos a hablar con la industria de distribución de plástico 100% reciclado indefinidamente y recibimos mucho interés».

«Las preguntas son cuánto costará, cuál será el impacto en el uso de energía y las emisiones, y cómo llegar allí desde donde estamos hoy», agregó Helms, científico del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab. Nuestra colaboración es responder estas preguntas «.

Casillas de verificación fáciles y económicas

Hasta la fecha, se han producido más de 8.300 millones de toneladas de material plástico y la gran mayoría de estos han terminado en vertederos o plantas de incineración de residuos. Un pequeño porcentaje de plástico se envía para ser reciclado «mecánicamente», lo que significa que se derrite y luego se transforma en nuevos productos. Sin embargo, esta técnica tiene una ventaja limitada. La resina plástica en sí está formada por muchas moléculas idénticas (llamadas monómeros) unidas en largas cadenas (llamadas polímeros). Sin embargo, para darle al plástico sus muchas texturas, colores y capacidades, se agregan a la resina aditivos como pigmentos, estabilizadores de calor y retardadores de llama. Cuando se fusionan muchos plásticos, los polímeros se mezclan con una gran cantidad de aditivos potencialmente incompatibles, lo que da como resultado un nuevo material con una calidad mucho más baja que la resina virgen recién fabricada a partir de materias primas. Por lo tanto, menos del 10% del plástico se recicla mecánicamente más de una vez, y el plástico reciclado generalmente también contiene resina virgen para compensar la disminución de la calidad.

Los plásticos PDK evitan completamente este problema: los polímeros de resina están diseñados para descomponerse fácilmente en monómeros individuales cuando se mezclan con un ácido. Luego, los monómeros se pueden separar de cualquier aditivo y recolectar para crear nuevos plásticos sin pérdida de calidad. La investigación anterior del equipo muestra que este proceso de «reciclaje químico» tiene poca energía y emisiones de dióxido de carbono y puede repetirse indefinidamente, creando un ciclo de vida del material completamente circular donde actualmente hay un boleto de ida para desperdiciar.

Sin embargo, a pesar de estas increíbles propiedades, para vencer realmente al plástico en su juego, los PDK también deben ser asequibles. Reciclar los plásticos tradicionales a base de petróleo puede resultar difícil, pero fabricar nuevos plásticos es muy sencillo.

«Estamos hablando de materiales que no se reciclan fundamentalmente», dijo Scown. «Entonces, en términos de atractivo para los fabricantes, los PDK no compiten con los plásticos reciclados, tienen que competir con la resina virgen. Y nos alegramos mucho de ver lo barato y eficiente que será reciclar el material».

Scown, que es científico de personal en las áreas de tecnologías energéticas y biociencias en Berkeley Lab, se especializa en modelar los impactos ambientales y financieros futuros de las tecnologías emergentes. Scown y su equipo han trabajado en el proyecto PDK desde el principio, ayudando al grupo de químicos y científicos de fabricación de Helms a elegir las materias primas, disolventes, equipos y técnicas que conducirán al producto más rentable y ecológico.

«Estamos tomando la tecnología desde el principio y diseñando cómo se vería en operaciones a escala comercial», utilizando diferentes insumos y tecnología, dijo. Este proceso de modelado colaborativo único permite a los científicos de Berkeley Lab identificar los posibles desafíos de ampliación y realizar mejoras en los procesos sin costosos ciclos de prueba y error.

El informe del equipo, publicado en Avances en la ciencia, modela una tubería de producción y reciclaje de PDK a escala comercial basada en el estado actual de desarrollo de los plásticos. «Y los principales hallazgos fueron que una vez que el PDK se produjo inicialmente y se colocó en el sistema, el costo y las emisiones de gases de efecto invernadero asociados con continuar reciclándolo en monómeros y fabricando nuevos productos podrían ser menores, o al menos a la par con muchos polímeros convencionales». «, Dijo Scown.

Planificación de lanzamiento

Gracias a la optimización del modelado de procesos, los PDK reciclados ya están atrayendo el interés de las empresas que necesitan la compra de plástico. Siempre mirando hacia el futuro, Helms y sus colegas han realizado estudios de mercado y se han reunido con personas de la industria desde los primeros días del proyecto. Su trabajo preliminar muestra que la mejor aplicación inicial para los PDK son los mercados donde el fabricante recibirá su producto al final de su vida útil, como la industria automotriz (a través de intercambio y devolución) y la electrónica de consumo (a través de desechos electrónicos). .programas). Estas empresas podrán aprovechar los beneficios de los PDK 100% reciclables en sus productos: marca sostenible y ahorros a largo plazo.

«Con los PDK, la gente de la industria ahora tiene una opción», dijo Helms. «Estamos comprometiendo socios que están construyendo circularidad en sus líneas de productos y capacidades de fabricación, y les ofrecemos una opción que está en línea con las mejores prácticas futuras».

Scown agregó: «Sabemos que hay interés en ese nivel. Algunos países tienen planes de cobrar aranceles altos a los productos plásticos que dependen de material no reciclado. Este cambio proporcionará un fuerte incentivo financiero para dejar de usar resinas vírgenes». debería impulsar una gran demanda de plásticos reciclados «.

Después de infiltrarse en el mercado de productos duraderos como automóviles y electrónicos, el equipo espera expandir los PDK a productos de un solo uso de corta duración, como los envases.

Un futuro integral

Mientras diseñan planes para un lanzamiento comercial, los científicos también continúan su colaboración tecnoeconómica en el proceso de fabricación de PDK. Si bien se espera que el costo del PDK reciclado ya sea competitivo, los científicos están trabajando en mejoras adicionales para reducir el costo del PDK virgen para que las empresas no se desanimen por el precio de inversión inicial.

Y como era de esperar, los científicos están avanzando dos pasos al mismo tiempo. Scown, quien también es vicepresidente de ciclo de vida, economía y agronomía en el Joint BioEnergy Institute (JBEI), y Helms se están asociando con Jay Keasling, un biólogo sintético líder en Berkeley Lab y UC Berkeley y CEO de JBEI, para diseñar un proceso para la producción de polímeros PDK utilizando ingredientes precursores de origen microbiano. Actualmente, el proceso utiliza productos químicos industriales, pero inicialmente se diseñó teniendo en cuenta los microbios de Keasling, gracias a un seminario interdisciplinario fortuito.

«Justo antes de que comenzáramos el proyecto PDK, estaba en un seminario donde Jay describió todas las moléculas que podían producir en JBEI con sus microbios diseñados», dijo Helms. «Y me emocioné mucho porque vi que algunas de esas moléculas eran cosas que pusimos en los PDK. Jay y yo tuvimos una pequeña charla y nos dimos cuenta de que casi todo el polímero se podía fabricar utilizando material vegetal fermentado por microbios modificados».

«En el futuro, introduciremos ese componente biológico, lo que significa que podemos comenzar a comprender los impactos de la transición de materias primas convencionales a materias primas orgánicas únicas y posiblemente ventajosas que pueden ser más sostenibles a largo plazo basadas en energía, carbono o la intensidad del agua en la fabricación y el reciclaje ”, continuó Helms. «Así que, donde estamos ahora, este es el primer paso para muchos, y creo que tenemos un camino muy largo por delante, lo cual es emocionante».

The Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias (DOE) del Departamento de Energía que se especializa en ciencia a nanoescala. JBEI es un centro de investigación de bioenergía financiado por la Oficina de Ciencias del DOE.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Tecnologías de Bioenergía del DOE y el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Berkeley Lab (LDRD).

La tecnología PDK está disponible para licencias y colaboración.

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