Un equipo multidisciplinario de Berkeley Lab ha estado trabajando durante varios años para desarrollar un plástico revolucionario que, a diferencia de los plásticos tradicionales, se puede reciclar indefinidamente y no está hecho de petróleo. Su último hito fue el lanzamiento de un análisis que muestra la viabilidad y los posibles resultados del lanzamiento del material único. llamada poli (dicetoenamina) o PDK, en el mercado a escala industrial.

El equipo descubrió que fabricar productos con PDK reciclado podría volverse rápidamente tan barato como fabricar el mismo artículo con nuevos polímeros plásticos (una proporción muy pequeña de nuestros plásticos actuales se recicla, por lo que la mayoría de los productos están hechos de resina plástica "virgen"), al mismo tiempo que reduce el CO ₂ emisiones y requisitos energéticos de la fabricación. Es más, los científicos planean desarrollar un proceso para crear la resina PDK inicial utilizando material vegetal fermentado por microbios, lo que significa que todo el ciclo de vida de un producto de plástico PDK podría ser bajo en carbono o incluso neutro en carbono.

Una vez que se desarrolle la infraestructura para la producción y el reciclaje de PDK a gran escala, los científicos prevén que PDK podría reemplazar los plásticos tradicionales en una variedad de productos de consumo, desde repuestos para automóviles hasta botellas de agua.

Hablamos con dos líderes de proyecto, Brett Helms y Corinne Scown, sobre la inspiración para PDK, deficiencias en nuestros sistemas de reciclaje actuales, y cómo este ambicioso proyecto está habilitado por una combinación diversa de experiencia científica.

Brett Helms es un químico y científico de fabricación que trabaja en Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación para usuarios del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Helms lideró el grupo que inventó PDK hace más de tres años, como parte de un proyecto del Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) enfocado en la creación de una alternativa plástica altamente funcional.

Corinne Scown es científica en el Área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab, y vicepresidente de ciclo de vida, Ciencias económicas, y la División de Agronomía del Instituto Conjunto de Bioenergía (JBEI), un Centro de Investigación de Bioenergía del DOE. Scown, un experto en el campo del análisis tecnoeconómico, lidera el diseño y desarrollo de procesos para la producción y el reciclaje de PDK a escala industrial. Al modelar cómo funcionarían estos sistemas a gran escala, su trabajo identifica posibles cuellos de botella y predice tanto el costo como el impacto ambiental, ayudando así a los científicos de materiales a seleccionar las tecnologías más eficientes y sostenibles desde una etapa temprana.

Los otros líderes del proyecto son Jay Keasling, el CEO de JBEI; y Kristin Persson, Director de la Fundición Molecular.

Q. Brett, ¿De dónde vino la idea o la inspiración para PDK?

Brett:La forma en que la industria practica el reciclaje de polímeros está cambiando. En la actualidad, el enfoque se basa en el reciclaje mecánico donde, después de clasificar y triturar, Los residuos de polímero se funden en un material homogeneizado cuyas características se han degradado a lo largo del camino. En el futuro, Se espera que el reciclaje químico juegue un papel más importante, ya que prioriza la recuperación de materiales de alto valor que se pueden reutilizar en la fabricación. Sin embargo, con la tecnología actual de reciclaje químico, muy pocos polímeros se pueden reciclar de manera eficiente, si medimos la eficiencia en función de la energía requerida, la cantidad de CO ₂ emitido o la cantidad de material prístino que recuperamos para la fabricación de resina secundaria. Éramos conscientes de estos desafíos y abordamos el problema desde esa perspectiva. Intentamos diseñar los PDK como polímeros de próxima generación que requieren solo pequeñas cantidades de energía para ser reciclados químicamente a sus monómeros originales con altos rendimientos. de tal manera que el carbono en los PDK se puede recircular a través de ciclos ilimitados de rehacer y reutilizar.

Q. Corinne, ¿Qué te atrajo de este trabajo?

Corinne:He trabajado en análisis tecnoeconómico y evaluación del ciclo de vida de los biocombustibles durante años y, por extraño que parezca, Los plásticos no son un gran salto. Hemos estado explorando productos de base biológica durante algún tiempo, y los biopolímeros ya nos resultaban interesantes porque sabemos que es fundamental encontrar alternativas renovables para todos los diferentes productos que elaboramos a partir del típico barril de petróleo, no solo combustibles. Brett y Jay me atrajeron cuando estaban escribiendo la propuesta para este proyecto en particular y quedé anonadado por la claridad de la visión y la rapidez con que todo se unió. La idea de un polímero que pueda reciclarse de nuevo a monómeros de calidad virgen con un aporte mínimo de energía resuelve muchos de los problemas que, de otro modo, serían intratables con los desechos plásticos.

Q. Brett, ¿Cómo llegaste a la ciencia de los materiales? ¿Siempre hubo el objetivo de crear materiales respetuosos con el medio ambiente? ¿O empezaste con otro objetivo?

Brett:Hice una investigación de pregrado con Shenda Baker en Harvey Mudd College, donde estábamos estudiando la física de polímeros en interfaces. En algún momento, Me di cuenta de que si quería estudiar polímeros interesantes, Puede que necesite aprender a hacerlos yo mismo. Shenda me presentó a Craig Hawker, y pasé un tiempo aprendiendo síntesis de polímeros de él y Eva Harth en el Centro de Investigación de IBM Almaden. Sintiéndome más confiado en mis habilidades de síntesis, Luego me interesé en aprender a diseñar funciones en polímeros. Eso es lo que me llevó a UC Berkeley, donde realicé mi doctorado. con Jean Fréchet, cuyo grupo era bien conocido por su creatividad en polímeros funcionales. Yo tambien aprendi, en mi postdoctorado con Bert Meijer, en la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos, cómo las interacciones entre polímeros y otros materiales son fundamentales para su función.

Trabajar en un laboratorio nacional realmente me ha abierto los ojos a la amplitud en la que los materiales marcan la diferencia en nuestras vidas, y cada vez más en la sostenibilidad de nuestras opciones de vida. Espero que, en nuestro trabajo para repensar la química de polímeros para la economía circular, Ofrecemos soluciones creativas con las que todo el mundo puede emocionarse y aprender, y que la gente pueda estar motivada para trabajar con nosotros para llevar esas soluciones al mundo, de acuerdo con nuestra misión aquí en Berkeley Lab.

Q. Corinne, El término "análisis tecnoeconómico" probablemente sea nuevo para mucha gente. ¿Cómo explica lo que hace cuando un no científico pregunta?

Corinne:análisis tecnoeconómico, o TEA para abreviar, es uno de esos términos que no se usaba mucho hace una década y es mucho más común ahora. En un nivel básico, TEA implica diseño de ingeniería y análisis de flujo de efectivo. El diseño de ingeniería y la simulación suelen ser la parte difícil. Estás tomando un resultado genial que alguien obtuvo en el laboratorio y tratando de averiguar cómo sería una instalación a escala comercial, que incluye todo, desde la recuperación de disolventes hasta la generación de calor y energía y la manipulación de residuos. Por lo general, esto implica pensar en cosas que los científicos no han considerado y puede generar preguntas interesantes. Por ejemplo, TEA mostró que uno de los reactivos en la química basada en descubrimientos para sintetizar PDK — N virgen, N'-diciclohexilcarbodiimida (DCC) - resultó ser bastante cara, intensivo en emisiones, y resultó en la generación de residuos peligrosos del proceso. Se podría decir que DCC tenía un objetivo en la espalda después de eso:el equipo de Brett estaba decidido a encontrar una manera de reducir o eliminar su uso.

P. Mucha gente se confunde con el reciclaje de plástico. Por ejemplo, ¿Qué es reciclable y qué no lo es? ¿Qué le sucede después de tirarlo a la basura? ¿Tiene algún consejo ahora mismo? antes de que los PDK u otros plásticos verdaderamente reciclables lleguen al mercado, para las personas que intentan ser conscientes de los materiales de sus vidas?

Corinne:Afortunadamente, El tema del reciclaje de plástico está recibiendo mucha más atención últimamente y hay excelentes noticias que puede leer o ver para obtener versiones sorprendentemente matizadas de lo que es o no reciclable. Creo que el principal error es que todos tenemos el deber de poner todo lo que tenga ese pequeño logotipo de reciclaje en la papelera de reciclaje. De hecho, eso solo significa que las instalaciones que tienen limitaciones de espacio y capacidad en la mejor de las situaciones pueden tener que procesar más material que, en última instancia, irá a los vertederos. Lo mejor que puede hacer es evitar generar residuos en primer lugar, cuando sea posible. Sin embargo, al final del día, tenemos que ser prácticos. Gente, yo incluido, quiero hacer lo que sea conveniente. Cuando tenga un artículo de plástico que deba tirar, Me hago un par de preguntas básicas:Primero, ¿El plástico está etiquetado como n. ° 1 (PET) o n. ° 2 (HDPE)? En segundo lugar, ¿Es tridimensional (no plano)? Si la respuesta a cualquiera de esas preguntas es "no, "Lo arrojo a la basura. La gran mayoría de las pacas mixtas n. ° 3 a 7 terminan en los vertederos, y si intenta reciclar material plano, como películas de plástico y sobres de plástico, es muy probable que terminen como contaminantes en pacas de papel o cartón de muy alto valor. Si las balas de fibra están demasiado contaminadas, pueden no ser aceptados. Así que "wishcycling, "como lo llaman, puede tener consecuencias negativas muy reales.

Brett:La pandemia ha cambiado nuestra comprensión de la cantidad de plástico que usamos y lo difícil que sería reducirlo. Trabajando más desde casa, vemos exactamente cuántos residuos generamos, mientras que cuando estábamos en movimiento, viajando entre muchos lugares, nuestro desperdicio diario se esparcía en contenedores que otras personas vacían. Sin ningún tipo de normativa sobre el uso de plásticos y la responsabilidad del productor al final de su vida útil, el impacto más fuerte que podemos tener podría ser aprovechando nuestro poder adquisitivo comprando productos fabricados con un alto contenido posconsumo o materiales de origen biológico, o están hechos de polímeros altamente reciclables como el PET. Similar, podríamos tomar decisiones para no comprar productos que serían difíciles de reciclar, por ejemplo, los fabricados a partir de mezclas de varios tipos de plásticos. Tomar decisiones informadas es difícil, como mencionó Corinne. Hay muchos "ciclos de deseos" que nos suceden a los mejores. Es fácil dejarse engañar pensando que algo es sostenible si tiene un logotipo de reciclaje en alguna parte. Por décadas, nos han llevado por este camino, y llevará tiempo reorientar nuestro pensamiento con la reutilización sostenible en mente.

P. ¡Cuéntenos sobre un momento destacado personal de los últimos años!

Brett:Nunca he experimentado nada como la respuesta del público a nuestro informe sobre materiales PDK infinitamente reciclables. Se publicó en línea el Día de la Tierra en 2019, cuando la conciencia en torno a los impactos de los residuos plásticos se estaba convirtiendo en parte de una conciencia colectiva global. En cuestión de horas, Berkeley Lab estaba respondiendo consultas de los medios, lo que resultó en un compromiso de un año con ellos para aportar claridad al problema de los plásticos y la urgente necesidad de soluciones. También estaba claro que había una comunidad en crecimiento de todo el mundo y de diferentes orígenes, todos enfocados en trabajar juntos.

Corinne:Para mí, visitar las instalaciones de gestión de residuos fue un verdadero punto culminante, y es algo que me he perdido durante la pandemia. En los últimos años, Estuve en una instalación de recuperación de materiales (MRF), una instalación de compostaje, y múltiples instalaciones de digestión anaeróbica. Hay algo especial en ir allí y ver el equipo en acción, ver cómo se ve una bolsa de plástico después de haber pasado por un digestor o un proceso de compostaje. En el MRF, hablan de empresas que toman su nuevo empaque y lo envían a través de las instalaciones como un experimento para ver dónde termina. Es un mundo completamente diferente y la mayoría de la gente no llega a verlo.

P. ¿Qué es lo que más le entusiasma del futuro de la colaboración?

Corinne:This project has been one of the most fun and fulfilling experiences in my career at Berkeley Lab so far. I like the idea of digging into an application that makes sense for PDKs, like automotive parts or electronics, and figuring out how to implement it in practice. It gets into all sorts of interesting infrastructure issues. Cars have a very different end-of-life than consumer electronics, por ejemplo. Would we want to let shredder facilities just shred vehicles, recover the metals, and then process the mixed material to recover PDKs, or should we try to pull out parts with PDK for recycling beforehand? What car parts make the most sense for PDK? I don't know the answer to those questions yet, but I want to find out. I have no doubt that Brett, Arrendajo, and Kristin can figure out how to hit the necessary specifications and tune each type of PDK so it depolymerizes at just the right conditions. My favorite thing to do is take those cool results and figure out how they can work at scale.

Brett:I have learned so much working with this team. This is one of those projects where together, we are greater than the sum of our parts. I'm looking forward to understanding how PDKs might be tailored for specific applications and scaled. That's where our work with Corinne has been very insightful. I also look forward to working with Jay and Kristin on making PDKs from bio-based ingredients. There's a growing interest in highly recyclable bio-based plastics, and Jay and Kristin's efforts have been aimed at providing a competitive edge to both performance and recycling efficiency. The students and postdocs working on this project are endlessly creative and bring life to all of the ideas that come from our discussions.