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PDK, la plastica che si ricicla all’infinito

Una nuova analisi ambientale e tecnologica suggerisce che una plastica ecologica rivoluzionaria è quasi pronta per arrivare sugli scaffali. Un team di ricerca del Berkeley Lab ha messo a punto un nuovo polimero, il PDK, che può essere riciclato all’infinito senza perdite qualitative e prestazionali.

Le plastiche fanno parte di quasi ogni prodotto che usiamo quotidianamente. In media una persona negli Stati Uniti genera circa 100 chilogrammi di rifiuti di plastica all’anno, la maggior parte dei quali finisce direttamente in una discarica. Un team guidato da Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling e Kristin Persson presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha deciso di cambiare questa situazione inventando il PDK.

Meno di due anni fa, Helms ha annunciato l’invenzione di una nuova plastica in grado di affrontare da protagonista la crisi dei rifiuti. Chiamato poli-dichetoammina o PDK, il materiale ha tutte le proprietà tipiche delle plastiche tradizionali, evitando però le problematiche ​​ambientali perché, a differenza di queste, i PDK possono essere riciclati all’infinito senza perdita di qualità.

Ora, il team ha pubblicato uno studio che mostra cosa si può ottenere se i produttori iniziassero a utilizzare i PDK su larga scala. La plastica a base di PDK potrebbe diventare rapidamente competitiva dal punto di vista commerciale con la plastica convenzionale e i prodotti diventeranno poi meno costosi e più sostenibili col passare del tempo.

“La plastica non è mai stata progettata per essere riciclata. La necessità di farlo è stata riconosciuta molto tempo dopo”, ha spiegato Nemi Vora, prima autrice del rapporto ed ex borsista post-dottorato che ha lavorato con l’autrice senior Corinne Scown. “Ma guidare la sostenibilità è il cuore di questo progetto. I PDK sono stati progettati per essere riciclati sin dall’inizio e sin dall’inizio il team ha lavorato per perfezionare i processi di produzione e riciclo del PDK in modo che il materiale potesse essere poco costoso e abbastanza facile da essere utilizzato su scala commerciale in qualsiasi settore, dagli imballaggi alle automobili”.

Lo studio presenta la simulazione di un impianto da 20.000 tonnellate all’anno che produce nuovi PDK e raccoglie i rifiuti di PDK usati per avviarli al riciclo. Gli autori hanno calcolato gli input chimici e la tecnologia necessari, nonché i costi e le emissioni di gas serra, quindi hanno confrontato i risultati alle cifre equivalenti per la produzione di plastiche convenzionali.

“In questi anni, c’è un’enorme spinta per l’adozione di pratiche di economia circolare nel settore. Tutti stanno cercando di riciclare qualunque cosa stiano immettendo sul mercato”, ha detto Vora. “Abbiamo iniziato a parlare con l’industria dell’implementazione di plastica riciclata al 100% all’infinito e ne abbiamo ricevuto  molto interesse.”

“Le domande sono quanto costerà, quale sarà l’impatto sull’uso di energia e sulle emissioni e come arrivarci da dove siamo oggi”, ha aggiunto Helms, uno scienziato del Molecular Foundry di Berkeley Lab. “La prossima fase della nostra collaborazione è rispondere a queste domande”.

Semplice ed economico

Ad oggi sono state prodotte più di 8,3 miliardi di tonnellate di materiale plastico e la stragrande maggioranza di queste è finita in discariche o impianti di incenerimento dei rifiuti. Una piccola percentuale di plastiche viene inviata per essere riciclata “meccanicamente”, nel senso che queste vengono fuse e poi rimodellate in nuovi prodotti. Tuttavia, questa tecnica ha un vantaggio limitato. La stessa resina plastica è composta da molte molecole identiche (chiamate monomeri) legate insieme in lunghe catene (chiamate polimeri). Tuttavia, per conferire alla plastica le sue numerose caratteristiche vengono aggiunti alla resina additivi come pigmenti, stabilizzatori di calore e ritardanti di fiamma. Quando molte plastiche si sciolgono insieme, i polimeri si mescolano con una sfilza di additivi potenzialmente incompatibili, risultando così un nuovo materiale con una qualità molto inferiore rispetto alla resina vergine di nuova produzione da materie prime. Pertanto, meno del 10% della plastica viene riciclato meccanicamente più di una volta e la plastica riciclata di solito contiene anche resina vergine per compensare il calo di qualità.

La plastica PDK aggira completamente questo problema: i polimeri sono progettati per rompersi facilmente in singoli monomeri quando miscelati con un acido. I monomeri possono quindi essere separati da eventuali additivi e raccolti per produrre nuove plastiche senza alcuna perdita di qualità. La ricerca mostra che questo processo di riciclo chimico ha un basso livello di emissioni di energia e di anidride carbonica e può essere ripetuto indefinitamente, creando un materiale completamente circolare. Eppure, nonostante queste incredibili proprietà, per giocare sulle stesso piano delle plastiche tradizionali, i PDK devono essere convenienti.

Il riciclo della plastica di origine petrolchimica può essere difficile, ma creare una nuova plastica è molto semplice.

“Stiamo parlando di materiali che fondamentalmente non sono riciclati”, ha detto Scown. “Quindi, in termini di attrazione per i produttori, i PDK non competono con la plastica riciclata, devono competere con la resina vergine. E siamo stati davvero contenti di vedere quanto sarà economico ed efficiente riciclare questo materiale”.

Scown, che è uno scienziato nel campo delle tecnologie energetiche e delle bioscienze del Berkeley Lab, è specializzato nella modellazione dei futuri impatti ambientali e finanziari delle tecnologie emergenti. Scown e il suo team hanno lavorato al progetto PDK sin dall’inizio, aiutando il gruppo di chimici e scienziati della produzione di Helms a scegliere le materie prime, i solventi, le attrezzature e le tecniche che porteranno al prodotto più economico ed ecologico. “Stiamo prendendo la tecnologia in fase iniziale e progettando come sarebbe in operazioni su scala commerciale”, utilizzando diversi input e tecnologie, ha detto. Questo esclusivo processo di modellazione collaborativo consente agli scienziati del Berkeley Lab di identificare potenziali sfide di scale-up e fare miglioramenti dei processi senza costosi cicli di tentativi ed errori.

Il rapporto del team modella una pipeline di produzione e riciclo di PDK su scala commerciale sulla base dell’attuale stato di sviluppo della plastica. “E i punti salienti erano che, una volta prodotto inizialmente il PDK e averlo inserito nel sistema, il costo e le emissioni di gas serra associate al continuo riciclo in monomeri e al realizzare nuovi prodotti potrebbero essere inferiori, o almeno alla pari, con molti polimeri convenzionali “, ha affermato Scown.

Pianificazione del lancio

Grazie all’ottimizzazione della modellazione del processo, i PDK riciclati stanno già attirando l’interesse delle aziende che necessitano di approvvigionamento di plastica. Guardando sempre al futuro, Helms ei suoi colleghi conducono ricerche di mercato e incontrano persone del settore sin dai primi giorni del progetto. Il loro lavoro sulle gambe mostra che la migliore applicazione iniziale per i PDK sono i mercati in cui il produttore riceverà il proprio prodotto alla fine della sua vita utile, come l’industria automobilistica (attraverso permute e ritiro) e l’elettronica di consumo (attraverso i rifiuti elettronici programmi). Queste aziende saranno quindi in grado di raccogliere i vantaggi dei PDK riciclabili al 100% nei loro prodotti: marchio sostenibile e risparmi a lungo termine.

“Con i PDK, gli operatori del settore hanno una scelta”, ha affermato Helms. “Stiamo coinvolgendo partner che stanno costruendo la circolarità nelle loro linee di prodotti e nella capacità di produzione, offrendo loro un’opzione in linea con le best practice future”.

Scown ha aggiunto: “Sappiamo che c’è interesse a quel livello. Alcuni paesi hanno in programma di addebitare tariffe elevate sui prodotti in plastica che provengono da materiale non riciclato. Quel cambiamento fornirà un forte incentivo finanziario per abbandonare l’utilizzo di resine vergini e dovrebbe guidare una grande domanda di plastica riciclata”.

Dopo essersi introdotto nel mercato dei prodotti durevoli come le automobili e l’elettronica, il team spera di espandere i PDK nei beni monouso a vita più breve come gli imballaggi.

Un futuro a tutto tondo per i PDK

Mentre elaborano piani per il lancio commerciale, gli scienziati stanno anche continuando la loro collaborazione tecnico-economica sul processo di produzione del PDK. Sebbene il costo del PDK riciclato sia già previsto per essere competitivo, gli scienziati stanno lavorando a ulteriori perfezionamenti per abbassare il costo del PDK vergine, in modo che le aziende non siano scoraggiate dall’investimento iniziale.

Gli scienziati stanno nello stesso tempo lavorando due passi avanti. Scown, che è anche vicepresidente del dipartimento Ciclo di vita, economia e agronomia presso il Joint BioEnergy Institute (JBEI), e Helms stanno collaborando con Jay Keasling, uno dei principali biologi sintetici del Berkeley Lab e dell’UC Berkeley e CEO di JBEI, per progettare un processo per la produzione di polimeri PDK utilizzando precursori microbici. Il processo utilizza attualmente prodotti chimici industriali, ma inizialmente era progettato pensando ai microbi di Keasling, grazie a un fortuito seminario interdisciplinare.

“Poco prima che iniziassimo il progetto PDK, ero a un seminario in cui Jay descriveva tutte le molecole che potevano produrre alla JBEI con i loro microbi ingegnerizzati “, ha detto Helms. “E mi sono molto emozionato perché ho visto che alcune di quelle molecole erano cose che abbiamo inserito nei PDK. Jay e io abbiamo fatto qualche chiacchierata e ci siamo resi conto che quasi l’intero polimero potrebbe essere realizzato utilizzando materiale vegetale fermentato da microbi ingegnerizzati”.

“In futuro, introdurremo quella componente biologica, il che significa che possiamo iniziare a comprendere gli impatti della transizione da materie prime convenzionali a materie prime biologiche che potrebbero essere più sostenibili a lungo termine in fatto di energia, anidride carbonica o intensità idrica della produzione e del riciclo”, ha continuato Helms. “Questo è il primo passo di molti e penso che abbiamo una strada davvero lunga davanti a noi, il che è eccitante.”

Il Molecular Foundry è una struttura dell’Ufficio per la scienza del Dipartimento dell’Energia (DOE) specializzato nella scienza su scala nanometrica. JBEI è un centro di ricerca sulle bioenergie finanziato dall’Office of Science del DOE. Questo lavoro è stato sostenuto dal Bioenergy Technologies Office del DOE e dal programma LDRD (Laboratory Directed Research and Development) del Berkeley Lab.

Quattordici premi Nobel

Fondato nel 1931 sulla convinzione che le maggiori sfide scientifiche siano affrontate al meglio dai team, il Lawrence Berkeley National Laboratory e i suoi scienziati sono stati premiati con 14 premi Nobel. Oggi, i ricercatori del Berkeley Lab sviluppano soluzioni energetiche e ambientali sostenibili, creano nuovi materiali, fanno avanzare le frontiere dell’informatica e sondano i misteri della vita, della materia e dell’universo. Scienziati di tutto il mondo si affidano alle strutture del Lab’s per le proprie attività. Il Berkeley Lab è un laboratorio nazionale multiprogramma, gestito dall’Università della California per l’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

L’Office of Science del DOE è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.