Há menos de dois anos, Helms anunciou a invenção de um novo plástico que poderia enfrentar a crise de resíduos a 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 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 início, a equipe tem trabalhado para refinar os processos de produção e reciclagem do PDK para que o material seja barato e fácil o suficiente para ser implantado em escalas comerciais em qualquer coisa, de embalagens a carros.”
O estudo apresenta uma simulação para uma instalação de 20.000 toneladas métricas por ano que lança 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.
“Hoje em dia, há um grande impulso para a adoção de práticas de economia circular na indústria. 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 de Fundição Molecular do Berkeley Lab. “A próxima fase de nossa colaboração é responder a essas perguntas.”
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 eles são derretidos e então 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 retardantes 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. Assim, 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 existe 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 têm trabalhado 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 em estágio inicial e projetando como ela seria em operações em escala comercial”, usando diferentes insumos e tecnologia, 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 que , 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.
“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 melhores práticas futuras.”
Acrescentou 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 em bens de vida útil mais curta e de uso único, como embalagens.
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 conversamos algumas vezes e percebemos que quase todo o polímero poderia ser feito usando material vegetal fermentado por micróbios modificados.”
“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 pista muito longa pela frente, o que é emocionante.”
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