CRISPR per la Modifica dei Polimeri Potrebbe Ridefinire gli Sforzi Globali di Riciclaggio

Sbloccare il Riciclaggio della Plastica

Since their widespread adoption by the manufacturing industry in the 1960s, plastics have become an omnipresent material in our daily lives. They are also the cause of very serious pollution, especially microplastics – the broken down, microscopic fragments of plastic polluting the entirety of the Earth and its oceans.

È stato dimostrato che le microplastiche riducono l’efficacia degli antibiotici, sono state trovate nei feti, nei nostri cuori e cervelli, vengono ingerite dalla fauna marina, ecc.

Esistono molte strategie in fase di esplorazione per affrontare l’inquinamento da microplastiche già presente, ad esempio adottare metriche di sostenibilità, utilizzare solventi idrorepellenti non tossici, o riutilizzare le plastiche con i laser o fotocatalisi guidata dalla luce.

Nel frattempo, aziende come ExxonMobil sono state citate in giudizio a causa del basso tasso di riciclaggio della plastica prodotta con petrolio.

Il problema della maggior parte delle soluzioni all’inquinamento plastico è che sono relativamente costose, facendo sì che molti paesi non siano disposti o in grado di implementare soluzioni a questo problema globale. Una soluzione migliore sarebbe trasformare i rifiuti plastici in una risorsa per produrre materiale di valore, creando un forte incentivo economico per la raccolta dei rifiuti plastici.

È su questo che hanno lavorato i ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory. Hanno scoperto un modo per “upcycle” i rifiuti plastici in plastiche ad alte prestazioni, pubblicando i loro risultati nel Journal of the American Chemical Society con il titolo “Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm”¹.

Perché il Riciclaggio Tradizionale Non È Sufficiente?

La plastica viene già riciclata, ma il processo è tutt’altro che perfetto. I ricercatori che hanno lavorato a questa pubblicazione lo descrivono accuratamente come “fondere e sperare per il meglio”.

Questo è un problema, poiché ogni ciclo di riciclaggio della plastica produce polimeri sempre meno preziosi, con il prodotto risultante che mostra resistenza, colore, durata inferiori, ecc. Ciò avviene perché la fusione non diretta modifica il modo in cui le catene dei polimeri plastici sono formate e collegate tra loro.

Quindi, con la tecnologia di riciclaggio attuale, le plastiche possono essere riutilizzate solo un numero limitato di volte, ma finiranno comunque come rifiuti, già dopo pochi cicli di riciclaggio anziché un solo utilizzo.

Inoltre, alcuni tipi di plastica non possono davvero essere riciclati con questo metodo e generalmente finiscono inceneriti o in discarica.

In realtà, solo il 9% della produzione plastica globale viene riciclato.

Fonte: PureCycle Technologies

Upcycling invece del Riciclaggio

Il concetto di “upcycling” è che il prodotto risultante dal processo di riciclaggio sia in realtà superiore al materiale iniziale.

Ciò può essere ottenuto solo riorganizzando in modo controllato le catene polimeriche che formano la plastica. Questo tipo di “editing” mirato della struttura plastica ha portato i ricercatori a paragonare il loro nuovo metodo a CRISPR, una tecnologia usata per modificare a piacere i filamenti di DNA e RNA.

Hanno lavorato con molecole oggi poco o per nulla riciclate. Questo includeva il poliobutadiene morbido, un materiale comune negli pneumatici, e l’acrilonitrile butadiene stirene resistente, usato in giocattoli di plastica, tastiere per computer, tubi di ventilazione, caschi protettivi, rifiniture e stampi per veicoli, e elettrodomestici da cucina.

“Stiamo affrontando una componente significativa del flusso di rifiuti con questa tecnologia. Questo avrebbe un impatto notevole solo dalla conservazione di massa ed energia dei materiali che ora finiscono in discarica.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Il processo ha una “economia atomica” molto alta, il che significa che recupera nel prodotto finale quasi tutta la plastica da riciclare che vi entra.

Come Funziona

Per ricreare polimeri plastici resistenti dal materiale da riciclare, hanno prima creato un additivo da aggiungere alla plastica esistente.

Fonte: Journal of the American Chemical Society

Per produrre l’additivo, hanno frantumato poliobutadiene e acrilonitrile butadiene stirene e li hanno immersi in diclorometano. La reazione chimica ha funzionato a basse temperature (40°C / 104°F) e in meno di due ore.

La reazione ha inoltre richiesto un catalizzatore, ed è stato usato il rutenio. Questo è un catalizzatore ben noto nella produzione di plastica ed è anche impiegato per convertire la biomassa, come gli oli vegetali, in carburanti e altri composti organici di alto valore.

Gli atomi di rutenio fungono essenzialmente da “trasportatori” dei piccoli elementi plastici, portandoli ai polimeri per allungarli.

Il processo di “metatesi” utilizza forti legami doppi tra atomi di carbonio per aumentare le probabilità di reazioni chimiche.

Un’altra parte, chiamata cross-metathesis, inserisce catene di sotto-unità polimeriche da una catena polimerica all’altra.

Fonte: Sigma Aldrich

Il lavoro è stato un compito collaborativo, con alcuni ricercatori incaricati di ottimizzare la polimerizzazione, altri che hanno utilizzato la spettroscopia NMR (risonanza magnetica nucleare) per analizzare le reazioni in tempo reale, e altri ancora che hanno testato le proprietà meccaniche e termiche dei materiali finali.

Risultati Solidi

Gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory hanno dimostrato che il processo, che utilizza meno energia e produce meno emissioni rispetto al riciclaggio tradizionale, integra efficacemente i materiali di scarto senza compromettere la qualità del polimero.

La plastica upcycled risultante ha mostrato elevate prestazioni termiche e meccaniche, rendendola superiore al materiale originale e molto più efficace rispetto alla plastica riciclata con metodi tradizionali.

I Prossimi Passi nell’Upcycling della Plastica

Upcycling di Tutte le Plastiche

Questo metodo, ora dimostrato per alcune plastiche, potrebbe essere esteso a tutte le altre plastiche. Solventi più ecologici potrebbero rappresentare un ulteriore miglioramento.

“La visione è che questo concetto possa essere esteso a qualsiasi polimero che possieda una qualche forma di gruppo funzionale nella catena per reagire.

Se scalato e ampliato per impiegare altri additivi, classi più ampie di rifiuti potrebbero essere sfruttate come mattoni molecolari, riducendo drasticamente l’impatto ambientale di altre plastiche difficili da processare.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

I dettagli economici della procedura devono ancora essere chiariti, ma dovrebbe andare bene poiché utilizza basse temperature, tempi di reazione brevi e un catalizzatore comunemente usato.

Oltre le Plastiche

Il metodo utilizzato ha funzionato con le plastiche ma potrebbe essere impiegato anche per altri prodotti chimici.

I ricercatori lo considerano particolarmente promettente per una classe di materiali polimerici chiamata termoindurente. Questo include resine epossidiche, gomma vulcanizzata, poliuretano e silicone.

I materiali termoindurenti non possono essere rimessi a fusione o rimodellati una volta induriti, il che rende il loro riciclaggio una sfida.

Il metodo di upcycling sviluppato qui, che attacca la struttura molecolare reticolata delle plastiche, potrebbe essere applicato alla stessa struttura nei materiali termoindurenti.

Poiché il processo di repolimerizzazione è altamente personalizzabile, il prodotto upcycled finale potrebbe essere superiore all’originale. I materiali upcycled potrebbero essere, ad esempio, più morbidi e più elastici rispetto ai polimeri originali o, forse, più facili da modellare e indurire in prodotti termoindurenti durevoli.

Conclusione

L’upcycling è un’opzione promettente per aumentare il tasso di riciclaggio della plastica, poiché dovrebbe fornire l’incentivo economico che finora mancava per ottenere più del 10% della plastica riciclata a livello globale.

Ridurre l’uso della plastica, rimuovere le microplastiche, sviluppare bioplastiche (vedi “Top 5 Bioplastics Companies”), e l’upcycling invece di un riciclaggio inefficace saranno probabilmente tutti parte della soluzione all’inquinamento da plastica.

Nel complesso, saranno un componente chiave nello sviluppo di un’economia circolare molto più intensiva in risorse e molto meno inquinante.

Azienda di Riciclaggio

PureCycle Technologies

PureCycle è un’azienda di riciclaggio della plastica focalizzata sul polipropilene (PP), trasformando il PP di scarto in resina PP riciclata ultra-pura.

Hanno creato una procedura proprietaria per “pulire” il PP di scarto da tutti i materiali aggiunti nei prodotti finiti, come polietilene, materiale solido, pigmenti, contaminanti, ecc.

Fonte: PureCycle Technologies

Questo processo di estrazione differisce dal sistema di filtrazione meccanica comunemente usato, che genera PP di qualità troppo bassa per la maggior parte delle applicazioni industriali, anche quando si utilizza materia prima di alta qualità.

Il riciclaggio chimico è un’altra opzione, ma è ben lontano dall’essere ecologico e non è conveniente dal punto di vista dei costi.

Fonte: PureCycle Technologies

Il prodotto finale di PureCycle è accettato dalla FDA per varie applicazioni comuni del PP, inclusi contenitori per alimenti, contenitori caldi o pastorizzati e conservazione di cibi surgelati. I prodotti futuri dovrebbero includere fibre, imballaggi in film, stampi a iniezione per imballaggi e plastiche automobilistiche.

Oltre al riciclaggio della plastica di scarto, il processo è molto più efficiente dal punto di vista energetico, con un consumo inferiore del 79% rispetto al “PP vergine” e un’impronta di emissioni di gas serra inferiore del 35%.

L’azienda ha costruito la sua struttura di produzione di pellet a Ironton, con la prima produzione a giugno 2023, per implementare il suo processo di riciclaggio.

Sta inoltre costruendo altre strutture in Nord America e Europa, e successivamente pianificate in Giappone e Corea del Sud con una joint-venture con SK geo centric, puntando a raggiungere una capacità di riciclaggio annua di 630 milioni di libbre entro il 2027.

Fonte: PureCycle Technologies

La produzione di pellet della struttura di Ironton ha raggiunto 3,5 milioni di libbre nel Q3 2024, triplicando rispetto al trimestre precedente, oltre a registrare un aumento della qualità del prodotto risultante.

Nel complesso, PureCycle è una buona azienda su cui puntare per migliorare la tecnologia di riciclaggio della plastica, e dispone dell’esperienza necessaria per implementare progressivamente nuove tecnologie, allontanandosi dalle tecnologie di riciclaggio legacy.

Riferimento allo Studio:

^{1. Jeffrey C. Foster, et al. (2024) Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm. Journal of the American Chemical Society 2024 146 (48), 33084-33092 DOI: 10.1021/jacs.4c10588}