Desde vertederos desbordados hasta islas flotantes de basura en los océanos y microplásticos en áreas silvestres remotas, Miles de millones de toneladas de plástico desechado han creado una crisis de contaminación global.

Aunque los plásticos son esenciales para nuestra vida diaria, son materiales duraderos que no se biodegradan naturalmente, tardando décadas o incluso siglos en descomponerse en los vertederos o en el medio ambiente natural. Más de 82 millones de toneladas métricas de tereftalato de polietileno (PET) se producen a nivel mundial cada año para fabricar botellas de bebidas de un solo uso. embalaje, ropa, y alfombras, y es una de las mayores fuentes de residuos plásticos.

Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están avanzando en una posible solución a los desechos de PET. Un equipo de investigación colaborativo está combinando química y biología para convertir el PET en un material de nailon con mejores propiedades que se puede utilizar para crear una gama más versátil de nuevos productos.

En conjunto con el Consorcio de Tecnologías Bio-Optimizadas para mantener los Termoplásticos fuera de los Vertederos y el Medio Ambiente (BOTTLE), Los investigadores de NREL y los socios del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) diseñaron una bacteria para convertir el PET deconstruido en bloques de construcción para un producto de nailon superior. Como se describe en "Deconstrucción química en tándem y reciclado biológico de poli (tereftalato de etileno) a ácido β-cetoadípico por Pseudomonas putida KT2440, "publicado recientemente en Metabolic Engineering, estos monómeros de alto rendimiento se pueden reciclar en materiales y productos plásticos de mayor valor, un proceso conocido como upcycling.

"Este paso de conversión biológica es una parte importante de la ecuación que hace posible el reciclaje de PET, creando la oportunidad de convertir botellas de plástico contaminantes en materiales de fabricación preciados, acercándonos en última instancia a una economía circular a escala, ", dijo la científica de NREL y la primera autora del artículo de revista, Allison Werner.

Una economía circular puede extender la vida útil funcional de las moléculas para producir plásticos vírgenes, mientras se reduce el desperdicio, conservando recursos, y aumentar la eficiencia. Esto puede ayudar a entregar suministros que se fabrican con menos materia prima y energía y evitar que lleguen a los vertederos.

Los investigadores de BOTTLE están explorando cómo se puede utilizar una variedad de procesos químicos y biológicos para deconstruir los desechos plásticos y reciclarlos a un valor más alto, materiales reciclables. El reciente proyecto BOTTLE deconstruyó el PET mediante un proceso quimiocatalítico y diseñó la bacteria Pseudomonas putida KT2440 para convertir el PET en el ácido β-cetoadípico químico (βKA), un componente básico para el nailon con ventajas de rendimiento.

NREL y ORNL colaboraron en la ingeniería de las bacterias. ORNL diseñó las bacterias para utilizar un intermedio clave en la descomposición del PET, lo que permitió al equipo de NREL construir una plataforma completa para la bioconversión.

Lidiando con el problema del PET

Cada tipo de plástico tiene sus propias propiedades moleculares que potencialmente requieren diferentes métodos para deconstruir. El PET se puede deconstruir en monómeros mediante varios procesos químicos diferentes. Sin embargo, Los métodos mecánicos utilizados para la mayor parte del reciclaje de PET en la actualidad pueden dar como resultado productos de mala calidad y menos rentables. conduciendo a bajas tasas de reciclaje. Varias fuentes muestran que actualmente solo del 15% al ​​35% de todas las botellas de PET encuentran una segunda vida.

Las transformaciones biológicas diseñadas por científicos de NREL y ORNL en P. putida, junto con un proceso de glucólisis quimiocatalítica, puede crear un producto más valioso a partir del PET y, en última instancia, incentivar tasas de recuperación más altas, lo que eventualmente se traduce en menos botellas de plástico desechadas que contaminan las aguas del océano y las áreas silvestres de las montañas.

El material extraído a través de esta técnica de conversión biológica y deconstrucción catalítica en tándem ofrece mejores propiedades que los tipos comunes de nailon que pretende reemplazar. incluida una menor permeabilidad al agua, mayor temperatura de fusión, y una temperatura de transición vítrea más alta. Estas ventajas de rendimiento amplían las formas en que se puede utilizar el material, incluso para piezas de automóviles que deben soportar altas temperaturas. El aumento del valor del material reciclado podría incentivar a la industria a reciclar más plástico, conduciendo a la recuperación de plástico a una escala mucho mayor.

Negarse a darse la vuelta sobre la contaminación plástica

Si bien este avance inicial ya promete ampliar las oportunidades para el reciclaje de PET, los investigadores continúan perfeccionando el enfoque. Además de optimizar la interfaz química-biología, el equipo está evaluando una amplia gama de otros factores.

Las corrientes de desechos de PET posconsumo pueden contener aditivos que P. putida no puede catabolizar. La caracterización de estas corrientes para identificar los productos químicos presentes y la ingeniería de las vías metabólicas para permitir el consumo de estos compuestos también serán necesarias para maximizar la eficiencia del proceso de bioconversión. aumentar los rendimientos, y tratar de manera integral los residuos plásticos.

The future success of any tandem deconstruction and upcycling approach for PET will ultimately be determined by its combined technical feasibility, economic viability, and environmental impact. The NREL team plans to perform techno-economic analysis and life cycle assessment to build a better understanding of the process energy requirements and greenhouse gas emissions.

"Plastics have revolutionized modern life, pero, hasta hace poco, plastic manufacturing has followed a strictly linear economy and is carbon-intensive, " said NREL Senior Research Fellow, BOTTLE Consortium Lead, and journal article senior author Gregg Beckham. "Circular approaches to this problem can reduce our reliance on fossil-based carbon and thus reduce greenhouse gas emissions. With annual plastic production expected at nearly 600 million tons by 2050, the time to act is now."

The efforts of NREL and the BOTTLE Consortium, including these new chemical deconstruction and biological upcycling techniques, will be vital tactics in combatting the plastic pollution crisis and the environmental and energy challenges associated with climate change.