Creare materiale sostenibile dai rifiuti
I ricercatori dell’Università del Delaware segnalano un metodo a bassa pressione per convertire la biomassa trasformata industrialmente in plastica, sostanze chimiche
Non è un segreto che abbiamo bisogno di materiali più sostenibili se speriamo di aiutare il pianeta. I materiali di derivazione biologica sono una potenziale opzione, ma devono essere economici se qualcuno li utilizzerà.
Ad esempio, una migliore lattiera a base biologica sarebbe ottima. Tuttavia, se il latte viene venduto a $ 20 per gallone perché il costo della brocca aumenta da $ 1 a $ 17, nessuno lo comprerà.
Guidati dal professor Thomas H. Epps, III, un team di ricercatori e collaboratori dell’Università del Delaware di CanmetENERGY stanno tenendo presente proprio questo tipo di economia mentre cercano modi per riciclare la biomassa in nuovi prodotti. Prendi la lignina, per esempio. La lignina è un componente di piante e alberi che fornisce forza e rigidità per aiutare la flora a resistere a ciò che Madre Natura si fa strada.
Nell’industria della cellulosa e della carta, tuttavia, la lignina è uno spreco della produzione di prodotti di carta. Questo tipo di lignina, nota come lignina tecnica, è considerata la più sporca dello sporco, qualcosa che non è utilizzabile, tranne forse per bruciare per riscaldarsi o aggiungere agli pneumatici come riempitivo.
I ricercatori dell’UD affermano che questa risorsa ampiamente disponibile – circa 100 milioni di tonnellate di rifiuti tecnici di lignina vengono generati ogni anno nelle cartiere e nelle cartiere di tutto il mondo – può essere molto più preziosa.
Il team ha dimostrato che è possibile trasformare in modo efficiente la lignina lavorata industrialmente in materie plastiche ad alte prestazioni, come resine per stampa 3D a base biologica e sostanze chimiche preziose. Un’analisi economica e del ciclo di vita rivela che l’approccio può essere competitivo anche con prodotti simili a base di petrolio.
Un documento che descrive il nuovo metodo è stato pubblicato mercoledì 19 gennaio su Science Advances . Il lavoro è stato sostenuto principalmente dal finanziamento del programma National Science Foundation Growing Convergence Research (NSF GCR), che mira a risolvere i problemi attraverso una collaborazione interdisciplinare su più fronti.
“La capacità di prendere qualcosa come la lignina tecnica e non solo scomporla e trasformarla in un prodotto utile, ma di farlo a un costo e un impatto ambientale inferiore ai materiali petroliferi è qualcosa che nessuno è stato davvero in grado di mostra prima”, ha affermato Epps, che guida gli sforzi di NSF GCR presso UD ed è Allan e Myra Ferguson Distinguished Professor di ingegneria chimica e biomolecolare . Ricopre inoltre un incarico congiunto nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali .
L’ingrediente quotidiano supera l’ostacolo ad alta pressione
Uno dei problemi principali con l’aggiornamento della lignina è che la maggior parte dei processi per farlo operano a pressioni molto elevate e sono costosi e difficili da scalare. I principali svantaggi delle attuali tecniche industriali includono i problemi di sicurezza, i costi di capitale e il consumo di energia associati ai solventi, alle temperature o alle pressioni tradizionali utilizzati nel processo. Per superare queste sfide, il team di ricerca ha sostituito il metanolo, un solvente tradizionale utilizzato nella decostruzione della lignina, con la glicerina, in modo che il processo potesse essere eseguito a pressione atmosferica (ambiente) normale.
La glicerina è un ingrediente poco costoso utilizzato in cosmetici liquidi, saponi, shampoo e lozioni per le sue capacità idratanti. Ma qui, la glicerina aiuta a scomporre la lignina in blocchi chimici che possono essere utilizzati per realizzare un’ampia gamma di prodotti a base biologica, dalle resine per stampa 3D a diversi tipi di plastica, composti aromatici e profumati, antiossidanti e altro ancora.
L’uso della glicerina ha fornito la stessa funzionalità chimica del metanolo, ma a una pressione di vapore molto più bassa, il che elimina la necessità di un sistema chiuso. Questa modifica ha consentito ai ricercatori di eseguire simultaneamente le fasi di reazione e separazione, portando a un sistema più conveniente.
Il funzionamento a pressione atmosferica è più sicuro. Altrettanto importante, fornisce anche un percorso semplice per scalare oltre i piccoli lotti ed eseguire il processo continuamente, creando più materiale con meno manodopera in un processo più economico e veloce.
Lo sviluppo del processo in modo che fosse ripetibile e coerente ha richiesto circa un anno e ha comportato il contributo di studenti universitari, tra cui Paula Pranda, co-autore principale del documento.
Pranda, ora studente di dottorato presso l’Università del Colorado, Boulder, ha contribuito a ottimizzare il processo. Ha anche studiato i set di dati disponibili sui tipi di prodotti che il team potrebbe creare e ha stimato le proprietà fisiche di quei materiali. Ciò ha permesso al coautore Yuqing Luo, uno studente di dottorato in ingegneria chimica nel gruppo del professor Marianthi Ierapetritou , di modellare il sistema per vedere se fosse economicamente fattibile.
Il lavoro di Luo ha dimostrato che il metodo a bassa pressione del team UD può ridurre i costi di produzione di un adesivo biosensibile alla pressione dalla lignina Kraft di legno tenero fino al 60% rispetto al processo a pressione più elevata. Il vantaggio in termini di costi era meno pronunciato per gli altri tipi di lignina tecnica utilizzati nello studio, ma la lignina Kraft di legno tenero è tra i tipi di lignina tecnica più abbondanti generati dall’industria della cellulosa e della carta.
Per Pranda, una sperimentatrice, collaborare con studenti coetanei al di fuori della sua area di competenza come Luo, il cui lavoro si concentra sulla modellazione dei processi chimici per comprenderne i costi, è stato illuminante.
“Non avevo mai fatto parte di una collaborazione prima e ho acquisito informazioni su come funzionano questi altri campi dell’ingegneria chimica”, ha affermato Pranda.
Secondo Robert O’Dea, uno studente di dottorato nel laboratorio Epps e autore principale del documento, i contributi di modelli economici di Luo sono stati fondamentali per sapere se perseguire questa linea di ricerca.
“Sapevamo di poterlo fare fisicamente, ma dovevamo sapere se avesse effettivamente un senso finanziario per farlo su scala dell’impianto chimico. L’analisi di Yuqing ha mostrato di sì”, ha detto O’Dea.
La valutazione dei rifiuti tecnici di lignina da diversi tipi di processi di spappolamento, ottenuta dal collaboratore del progetto CanmetENERGY in Canada, ha consentito a Luo di considerare come i costi a monte, come il prezzo o la resa della materia prima, avrebbero un impatto sull’economia a valle del processo.
Sebbene l’analisi abbia dimostrato che la resa gioca un ruolo importante nell’economia dell’impianto, il costo per far funzionare il nuovo processo a bassa pressione è stato in tutti i casi significativamente inferiore a quello del processo convenzionale a causa dei costi di capitale ridotti e della generazione di preziosi co-prodotti . I ricercatori coinvolti nello sviluppo del processo, del gruppo Epps e colleghi del gruppo di ricerca del professor Dionisios Vlachos dell’UD, hanno attualmente un brevetto in sospeso sul processo a pressione ambiente.
Luo ha anche eseguito una valutazione del ciclo di vita per comprendere la quantità di emissioni di gas serra (ad es. anidride carbonica) risultanti dalla produzione dei materiali. Avere una buona gestione dei costi in ogni fase può aiutare i ricercatori a esplorare modi per ottimizzare il processo e l’infrastruttura della catena di approvvigionamento dei materiali.
“Stavamo cercando di catturare il quadro più ampio, non solo i costi del processo, ma anche gli impatti ambientali durante l’intera operazione”, ha affermato Luo.
La collaborazione tra studenti è nata dagli incontri tra docenti e studenti coinvolti nel lavoro di gestione del ciclo di vita dei materiali presso l’UD, nell’ambito del programma NSF GCR.
“Crea un lavoro naturalmente ad alto impatto perché il programma NSF GCR ci incoraggia ad affrontare aspetti come la scienza dei materiali e l’impatto ambientale allo stesso tempo. Quindi, stiamo superando più colli di bottiglia e ostacoli contemporaneamente attraverso la collaborazione interdisciplinare”, ha affermato Epps.
E che dire del potenziale del metodo sviluppato da UD per trasformare i rifiuti in prodotti di valore?
“Dimostra che esiste un grande potenziale per l’utilizzo di risorse rinnovabili per produrre diversi tipi di plastica. Non è necessario utilizzare combustibili fossili, anche la plastica proveniente da risorse rinnovabili può essere economicamente fattibile”, ha affermato Pranda.
Oltre a Epps, O’Dea, Pranda e Luo, altri coautori dell’articolo includono gli ex studenti di UD Alice Amitrano ed Elvis Ebikade; il ricercatore post-dottorato Eric Gottlieb; Olumoye Ajao e Marzouk Benali di Natural Resources Canada, CanmetENERGY; e Dionisios Vlachos, Unidel Dan Rich Chair in Energy, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e direttore del Catalysis Center for Energy Innovation; e Marianthi Ierapetritou, Bob e Jane Gore Presidente del Centenario di Ingegneria Chimica e Biomolecolare.
