Os plásticos fazem parte de quase todos os produtos que usamos diariamente. A pessoa média nos EUA gera cerca de 100 kg de resíduos plásticos por ano, a maioria vai direto para um aterro sanitário. Uma equipe liderada por Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling, e Kristin Persson, do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), decidiu mudar isso.

Menos de dois anos atrás, Helms anunciou a invenção de um novo plástico que poderia enfrentar a crise de resíduos de frente. Chamado poli (dicetoenamina), ou PDK, o material tem todas as propriedades convenientes dos plásticos tradicionais, evitando as armadilhas ambientais, porque ao contrário dos plásticos tradicionais, Os PDKs podem ser reciclados indefinidamente sem perda de qualidade.

Agora, a equipe lançou um estudo que mostra o que pode ser feito se os fabricantes começarem a usar PDKs em grande escala. O resultado final? O plástico à base de PDK pode rapidamente se tornar comercialmente competitivo com os plásticos convencionais, e os produtos ficarão menos caros e mais sustentáveis ​​com o passar do tempo.

"Os plásticos nunca foram projetados para serem reciclados. A necessidade de fazer isso foi reconhecida muito tempo depois, "explicou Nemi Vora, primeiro autor do relatório e ex-pós-doutorando que trabalhou com a autora sênior Corinne Scown. "Mas promover a sustentabilidade é o coração deste projeto. Os PDKs foram projetados para serem reciclados desde o início, e desde o começo, a equipe tem trabalhado para refinar os processos de produção e reciclagem do PDK para que o material seja barato e fácil de ser implantado em escalas comerciais, de embalagens a carros. "

O estudo apresenta uma simulação para um 20, Instalação de 000 toneladas métricas por ano que produz novos PDKs e recolhe os resíduos PDK usados ​​para reciclagem. Os autores calcularam os insumos químicos e a tecnologia necessária, bem como os custos e as emissões de gases de efeito estufa, em seguida, comparou suas descobertas com os números equivalentes para a produção de plásticos convencionais.

"Nos dias de hoje, há um grande impulso para a adoção de práticas de economia circular no setor. Todo mundo está tentando reciclar tudo o que está colocando no mercado, ", disse Vora." Começamos a conversar com a indústria sobre a implantação de plásticos 100% reciclados infinitamente e recebemos muito interesse. "

"As questões são quanto vai custar, qual será o impacto no uso de energia e nas emissões, e como chegar lá de onde estamos hoje, "adicionou Helms, um cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab. "A próxima fase de nossa colaboração é responder a essas perguntas."

Verificando as caixas de barato e fácil

A data, mais de 8,3 bilhões de toneladas métricas de material plástico foram produzidas, e a grande maioria disso acabou em aterros ou instalações de incineração de resíduos. Uma pequena proporção de plásticos é enviada para ser reciclada "mecanicamente, "o que significa que eles são derretidos e, em seguida, remodelados em novos produtos. No entanto, esta técnica tem benefícios limitados. A própria resina plástica é feita de muitas moléculas idênticas (chamadas monômeros) unidas em longas cadeias (chamadas polímeros). No entanto, para dar ao plástico suas muitas texturas, cores, e capacidades, aditivos como pigmentos, estabilizadores de calor, e retardadores de chama são adicionados à resina. Quando muitos plásticos são derretidos juntos, os polímeros se misturam com uma série de aditivos potencialmente incompatíveis, resultando em um novo material com qualidade muito inferior do que a resina virgem recém-produzida a partir de matérias-primas. Como tal, menos de 10% do plástico é reciclado mecanicamente mais de uma vez, e o plástico reciclado geralmente também contém resina virgem para compensar a queda na qualidade.

Os plásticos PDK contornam totalmente esse problema - os polímeros de resina são projetados para se decompor facilmente em monômeros individuais quando misturados com um ácido. Os monômeros podem então ser separados de quaisquer aditivos e reunidos para fazer novos plásticos sem qualquer perda de qualidade. A pesquisa anterior da equipe mostra que este processo de "reciclagem química" é leve em energia e emissões de dióxido de carbono, e pode ser repetido indefinidamente, criando um ciclo de vida de material completamente circular, onde atualmente há uma passagem unilateral para o desperdício.

No entanto, apesar dessas propriedades incríveis, para realmente vencer os plásticos em seu próprio jogo, Os PDKs também precisam ser convenientes. Reciclar o plástico tradicional à base de petróleo pode ser difícil, mas fazer um novo plástico é muito fácil.

"Estamos falando de materiais que basicamente não são reciclados, "disse Scown." Então, em termos de apelo aos fabricantes, Os PDKs não estão competindo com o plástico reciclado - eles têm que competir com a resina virgem. E ficamos muito satisfeitos em ver como será barato e eficiente reciclar o material. "

Scown, que é cientista da equipe nas áreas de tecnologias de energia e biociências do Berkeley Lab, é especializada em modelagem de impactos ambientais e financeiros futuros de tecnologias emergentes. Scown e sua equipe têm trabalhado no projeto PDK desde o início, ajudando o grupo de químicos e cientistas da fabricação de Helms a escolher as matérias-primas, solventes, equipamento, e técnicas que levarão ao produto mais acessível e ecologicamente correto.

"Estamos pegando a tecnologia de estágio inicial e projetando como seria em operações em escala comercial" usando diferentes entradas e tecnologias, ela disse. Este único, O processo de modelagem colaborativa permite que os cientistas do Berkeley Lab identifiquem os desafios potenciais de aumento de escala e façam melhorias no processo sem ciclos dispendiosos de tentativa e erro.

O relatório da equipe, publicado em Avanços da Ciência , modela um pipeline de produção e reciclagem de PDK em escala comercial com base no atual estado de desenvolvimento do plástico. "E as principais conclusões foram que, uma vez que você produziu o PDK inicialmente e o colocou no sistema, o custo e as emissões de gases de efeito estufa associados à continuação da reciclagem de monômeros e da fabricação de novos produtos podem ser menores do que, ou pelo menos no mesmo nível, muitos polímeros convencionais, "disse Scown.

Planejando lançar

Graças à otimização da modelagem de processos, PDKs reciclados já estão atraindo o interesse de empresas que precisam comprar plástico. Sempre olhando para o futuro, Helms e seus colegas têm conduzido pesquisas de mercado e se reunido com pessoas da indústria desde o início do projeto. Seu trabalho braçal mostra que a melhor aplicação inicial para PDKs são os mercados onde o fabricante receberá seu produto de volta no final de sua vida útil, como a indústria automobilística (por meio de trocas e devoluções) e produtos eletrônicos de consumo (por meio de programas de lixo eletrônico). Essas empresas poderão colher os benefícios de PDKs 100% recicláveis ​​em seus produtos:marca sustentável e economia de longo prazo.

"Com PDKs, agora, as pessoas da indústria têm uma escolha, "disse Helms." Estamos trazendo parceiros que estão criando circularidade em suas linhas de produtos e capacidades de fabricação, e dando-lhes uma opção que está em linha com as práticas recomendadas futuras. "

Adicionado Scown:"Sabemos que há interesse nesse nível. Alguns países têm planos de cobrar taxas pesadas sobre produtos de plástico que dependem de material não reciclado. Essa mudança proporcionará um forte incentivo financeiro para deixar de usar resinas virgens e deve levar a um grande demanda por plásticos reciclados. "

Depois de se infiltrar no mercado de produtos duráveis, como carros e eletrônicos, a equipe espera expandir os PDKs para uma vida mais curta, bens de uso único, como embalagens.

Um futuro de círculo completo

Enquanto eles traçam planos para um lançamento comercial, os cientistas também estão continuando sua colaboração técnico-econômica no processo de produção do PDK. Embora o custo do PDK reciclado já esteja projetado para ser competitivo, os cientistas estão trabalhando em refinamentos adicionais para reduzir o custo do PDK virgem, para que as empresas não sejam desencorajadas pelo preço de investimento inicial.

E fiel à forma, os cientistas estão trabalhando dois passos à frente ao mesmo tempo. Scown, que também é vice-presidente de ciclo de vida, Economia e Agronomia no Joint BioEnergy Institute (JBEI), e Helms estão colaborando com Jay Keasling, um biólogo sintético líder no Berkeley Lab e UC Berkeley e CEO da JBEI, para projetar um processo para a produção de polímeros PDK usando ingredientes precursores feitos por micróbios. O processo atualmente usa produtos químicos industriais, mas foi inicialmente projetado com os micróbios de Keasling em mente, graças a um seminário interdisciplinar fortuito.

"Pouco antes de iniciarmos o projeto PDK, I was in a seminar where Jay was describing all the molecules that they could make at JBEI with their engineered microbes, " said Helms. "And I got very excited because I saw that some of those molecules were things that we put in PDKs. Jay and I had a few chats and, we realized that nearly the entire polymer could be made using plant material fermented by engineered microbes."

"No futuro, we're going to bring in that biological component, meaning that we can begin to understand the impacts of transitioning from conventional feedstocks to unique and possibly advantaged bio-based feedstocks that might be more sustainable long term on the basis of energy, carbono, or water intensity of production and recycling, " Helms continued. "So, where we are now, this is the first step of many, and I think we have a really long runway in front of us, which is exciting."