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Plástico ecológico revolucionário: o futuro parece brilhante para o plástico infinitamente reciclável

Uma nova análise ambiental e tecnológica sugere que um plástico ecológico revolucionário está quase pronto para chegar às prateleiras.

Os plásticos fazem parte de quase todos os produtos que usamos diariamente. A pessoa média nos Estados Unidos gera cerca de 100 kg de resíduos plásticos por ano, a maioria dos quais vai direto para um aterro sanitário. Uma equipe liderada por Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling e Kristin Persson no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) decidiu mudar isso.

Há menos de dois anos, Helms anunciou a invenção de um novo plástico que poderia enfrentar a crise de resíduos de frente. Chamado de 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 se tornarão mais baratos 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 impulsionar a sustentabilidade é o coração deste projeto. PDKs foram projetados para serem reciclados desde o início e, desde o início, a equipe tem trabalhado para refinar os processos de produção e reciclagem de PDK para que o material pudesse ser barato e fácil de ser implantado em escalas comerciais em qualquer coisa de embalagem para carros. ”

O estudo apresenta uma simulação para uma instalação de 20.000 toneladas métricas por ano que produz novos PDKs e recolhe 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, e compararam suas descobertas com os valores equivalentes para a produção de plásticos convencionais.

“Atualmente, 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 custará, qual será o impacto no uso de energia e nas emissões e como chegar lá de onde estamos hoje”, acrescentou Helms, 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

Até o momento, mais de 8,3 bilhões de toneladas métricas de material plástico foram produzidas, e a grande maioria delas acabou em aterros ou instalações de incineração de resíduos. Uma pequena proporção de plásticos é enviada para ser reciclada “mecanicamente”, o que significa que são derretidos e, em seguida, remodelados em novos produtos. No entanto, essa 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 recursos, aditivos como pigmentos, estabilizadores de calor e retardadores de chama são adicionados à resina .Quando muitos plásticos são fundidos juntos, os polímeros se misturam com uma grande quantidade 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.

Um GIF que mostra como o plástico PDK se decompõe rapidamente quando colocado em uma solução ácida. O ácido ajuda a quebrar as ligações entre os monômeros e separá-los dos aditivos químicos que dão ao plástico sua aparência e sensação. Crédito: Peter Christensen / Berkeley Lab

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 há atualmente 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. “Portanto, 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 e biociências do Berkeley Lab, é especialista em modelar impactos ambientais e financeiros futuros de tecnologias emergentes. Scown e sua equipe estão trabalhando no projeto PDK desde o início, ajudando o grupo de Helms de químicos e cientistas de fabricação a escolher as matérias-primas, solventes, equipamentos e técnicas que levarão ao produto mais acessível e ecológico.

“Estamos pegando a tecnologia de estágio inicial e projetando como ela ficaria em operações em escala comercial”, usando diferentes insumos e tecnologias, disse ela. Este processo de modelagem colaborativo exclusivo 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 na Science Advances, 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 associadas à continuação da reciclagem de monômeros e fabricação de novos produtos podem ser menores do , ou pelo menos no mesmo nível de muitos polímeros convencionais ”, disse Scown.

Planejando o lançamento

Graças à otimização da modelagem de processo, os PDKs reciclados já estão atraindo o interesse de empresas que precisam adquirir plástico. Sempre olhando para o futuro, Helms e seus colegas têm conduzido pesquisas de mercado e se encontrado 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 ao final de sua vida útil, como a indústria automobilística (por meio de trocas e devoluções) e eletrônicos de consumo (por meio de lixo eletrônico programas). Essas empresas poderão colher os benefícios de PDKs 100% recicláveis ​​em seus produtos: marca sustentável e economia de longo prazo.

Trabalhadores separando resíduos plásticos.

“Com PDKs, agora as pessoas na indústria têm uma escolha”, disse Helms. “Estamos trazendo parceiros que estão criando circularidade em suas linhas de produtos e recursos de fabricação, e dando a eles uma opção que está alinhada com as práticas recomendadas futuras.”

Scown adicionado: “Sabemos que há interesse nesse nível. Alguns países têm planos de cobrar taxas pesadas sobre produtos plásticos que dependem de material não reciclado. Essa mudança proporcionará um forte incentivo financeiro para deixar de utilizar resinas virgens e deve gerar uma grande demanda por plásticos reciclados. ”

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

Um futuro de círculo completo

Enquanto traçam planos para um lançamento comercial, os cientistas também continuam 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 do investimento inicial.

E, como era de se esperar, 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, 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 começarmos o projeto PDK, eu estava em um seminário onde Jay estava descrevendo todas as moléculas que eles poderiam fazer no JBEI com seus micróbios projetados”, disse Helms. “E fiquei muito animado porque vi que algumas dessas moléculas eram coisas que colocamos em PDKs. Jay e eu tivemos algumas conversas e percebemos que quase todo o polímero poderia ser feito usando material vegetal fermentado por micróbios projetados. ”

“No futuro, vamos trazer esse componente biológico, o que significa que podemos começar a entender os impactos da transição de matérias-primas convencionais para matérias-primas biológicas únicas e possivelmente vantajosas que podem ser mais sustentáveis ​​a longo prazo com base em energia, carbono ou intensidade de água de produção e reciclagem ”, continuou Helms.

“Então, onde estamos agora, este é o primeiro passo de muitos, e acho que temos uma longa pista pela frente, o que é emocionante.”

Referência: “Nivelando o custo e a pegada de carbono de polímeros circulares que são quimicamente reciclados para monômero” por Nemi Vora, Peter R. Christensen, Jérémy Demarteau, Nawa Raj Baral, Jay D. Keasling, Brett A. Helms e Corinne D. Scown, 9 de abril de 2021, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abf0187

A Molecular Foundry é uma instalação de usuário do Departamento de Energia (DOE) do Office of Science especializada em ciência em nanoescala. O JBEI é um Centro de Pesquisa em Bioenergia financiado pelo DOE’s Office of Science.

Este trabalho foi apoiado pelo programa do DOE’s Bioenergy Technologies Office e do Berkeley Lab’s Laboratory Directed Research and Development (LDRD).

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