Nueva estrategia para valorizar residuos plásticos mixtos

La combinación de procesos químicos y biológicos es una nueva estrategia prometedora para la valorización de los residuos plásticos mixtos, según investigadores del Consorcio Bio-Optimized Technologies para mantener los termoplásticos fuera de los vertederos y el medio ambiente (BOTTLE).

Los desechos plásticos se han convertido en un problema global de energía y contaminación a medida que los materiales administrados de manera ineficaz continúan acumulándose en los vertederos y el medio ambiente. Solo alrededor del 5% se recicla en los Estados Unidos, y las estrategias existentes requieren insumos de plástico separados y limpios para operar de manera efectiva.

Diferentes plásticos comprenden diferentes polímeros, cada uno con sus propios componentes químicos únicos. Cuando los compuestos químicos de los polímeros se mezclan, ya sea en un contenedor de recolección o se formulan juntos en materiales como empaques multicapa, el reciclaje se vuelve costoso y difícil porque cada polímero a menudo debe separarse antes de la deconstrucción química. Los investigadores de BOTTLE desarrollaron un proceso que puede convertir plásticos mixtos en un solo producto químico, trabajando hacia una solución que permitiría a los recicladores evitar clasificar el plástico por tipo.

"Este es un punto de entrada potencial en el procesamiento de plásticos que no se pueden reciclar en absoluto en la actualidad", dijo Gregg Beckham, investigador principal del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. y director de BOTTLE. Beckham es el autor principal de un nuevo artículo publicado en la revista Science que detalla el trabajo que crea un proceso químico y biológico en tándem para producir productos únicos de alto valor a partir de desechos plásticos. El artículo, “Valorización de residuos plásticos mixtos mediante oxidación química en tándem y canalización biológica”, fue coescrito por investigadores de NREL y miembros del equipo de BOTTLE del Instituto de Tecnología de Massachusetts, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Wisconsin-Madison.

El proceso se basa en el trabajo iniciado hace una década: la oxidación química se puede usar para descomponer una variedad de tipos de plástico, que fue desarrollado por un científico de DuPont. Los investigadores del NREL se basaron en esta química, que utiliza oxígeno y catalizadores para descomponer las grandes moléculas de polímero en sus componentes químicos más pequeños.

“El proceso de catálisis química que hemos utilizado es solo una forma de acelerar ese proceso que ocurre naturalmente, por lo que en lugar de degradarse durante varios cientos de años, puede descomponer estos plásticos en horas o minutos”, dijo Kevin Sullivan, investigador postdoctoral en NREL. y coautor del artículo.

Investigación

Aplicaron el proceso a una mezcla de tres plásticos comunes: poliestireno (PS), utilizado en vasos de café desechables; tereftalato de polietileno (PET), utilizado en botellas de bebidas de un solo uso, ropa de poliéster y alfombras; y polietileno de alta densidad (HDPE), utilizado en muchos plásticos de consumo comunes, a menudo asociado con jarras de leche. Aunque no forma parte del trabajo inicial de prueba de concepto, el equipo señaló que este método podría ampliarse para incluir otros plásticos, como el polipropileno (PP) y el cloruro de polivinilo (PVC). Este será un foco de esfuerzos continuos para el grupo.

Este proceso de oxidación descompone los plásticos PS, PET y HDPE en una mezcla compleja de compuestos químicos, incluidos ácido benzoico, ácido tereftálico y ácidos dicarboxílicos, que requerirían separaciones avanzadas y costosas para producir productos puros. Para los investigadores de BOTTLE, ahí es donde entró en juego la biología.

El equipo de BOTTLE diseñó un microbio robusto del suelo, Pseudomonas putida , para "canalizar" biológicamente la mezcla de productos intermedios a productos únicos: polihidroxialcanoatos (PHA), que son una forma emergente de bioplásticos biodegradables; o beta-cetoadipato, que se puede utilizar para fabricar nuevos materiales de nailon con rendimiento mejorado.

"La canalización biológica simplemente significa que hemos diseñado la red metabólica de un microbio para dirigir el carbono de una gran cantidad de sustratos a un solo producto", dijo Allison Werner, coautora del estudio. “Para hacer esto, tomamos ADN de la naturaleza, generalmente otros microbios, y lo pegamos en el genoma de Pseudomonas putida. El ADN se transcribe en ARN, que a su vez se traduce en proteínas que realizan diversas transformaciones bioquímicas, formando una nueva red metabólica y, en última instancia, permitiéndonos capturar más carbono y sintonizar a dónde va”.

Los investigadores han utilizado previamente Pseudomonas putida para valorizar las mezclas químicas de la lignina, las partes resistentes de las paredes celulares de las plantas que son difíciles de descomponer

Después de un éxito considerable en ese espacio, los investigadores decidieron dar rienda suelta al problema de los plásticos. “Al pasar de la lignina a los plásticos, hubo similitudes pero también nuevos desafíos”, dijo Kelsey Ramirez, técnica de NREL y coautora del proyecto. “Pudimos adaptar algunos de los métodos analíticos, pero sabemos que hay mucho trabajo por hacer para comprender y cuantificar todos los aditivos, tintes y otras incógnitas presentes en los plásticos posconsumo en la actualidad”.

Los autores enfatizan que las bacterias diseñadas no degradan los plásticos directamente, sino que reciclan la mezcla deconstruida de compuestos químicos oxigenados en un solo producto. “Si tomas las bacterias que usamos ahora y las combinas con polietileno, las bacterias morirán y el plástico permanecerá allí”, dijo Beckham. El proceso de oxidación, dijo, convierte los polímeros plásticos recalcitrantes en pequeñas moléculas que las bacterias pueden consumir mediante ingeniería. "Después de un poco de ingeniería, estos compuestos son excelentes fuentes de carbono y energía para los microbios". La ingeniería genética y metabólica permitió al equipo ajustar dónde canaliza el microbio ese carbono.

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Los otros coautores de NREL son Lucas Ellis, Jeremy Bussard, Brenna Black, David Brandner, Felicia Bratti, Bonnie Buss, Xueming Dong, Stefan Haugen, Morgan Ingraham, Mikhail Konev, Joel Miscall, Isabel Pardo y Sean Woodworth. La financiación fue proporcionada por la Oficina de Fabricación Avanzada y la Oficina de Tecnologías de Bioenergía del Departamento de Energía de EE. UU. La obra se realizó como parte del Consorcio BOTELLA.