Dalle discariche straripanti alle isole di immondizia galleggianti negli oceani alle microplastiche nelle remote aree selvagge, miliardi di tonnellate di plastica scartata hanno creato una crisi di inquinamento globale.

Sebbene la plastica sia essenziale per la nostra vita quotidiana, sono materiali durevoli che non si biodegradano naturalmente, impiegando decenni o addirittura secoli per decomporsi nelle discariche o nell'ambiente naturale. Più di 82 milioni di tonnellate di polietilene tereftalato (PET) vengono prodotte ogni anno a livello globale per realizzare bottiglie per bevande monouso, confezione, capi di abbigliamento, e tappeti, ed è una delle maggiori fonti di rifiuti di plastica.

Gli scienziati del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno facendo progressi su una possibile soluzione ai rifiuti di PET. Un team di ricerca collaborativo sta combinando chimica e biologia per trasformare il PET in un materiale di nylon con proprietà migliori che può essere utilizzato per creare una gamma più versatile di nuovi prodotti.

In collaborazione con il Consorzio Tecnologie bio-ottimizzate per tenere i materiali termoplastici fuori dalle discariche e dall'ambiente (BOTTIGLIA), I ricercatori e i partner del NREL dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno progettato un batterio per convertire il PET decostruito in elementi costitutivi per un prodotto in nylon superiore. Come descritto in "Decostruzione chimica in tandem e riciclaggio biologico del poli(etilentereftalato) in acido β-chetoadipico da parte di Pseudomonas putida KT2440, " recentemente pubblicato su Metabolic Engineering, questi monomeri ad alte prestazioni possono quindi essere riciclati in materiali e prodotti plastici di maggior valore, un processo noto come upcycling.

"Questa fase di conversione biologica è una parte importante dell'equazione che rende possibile l'upcycling del PET, creando l'opportunità di trasformare bottiglie di plastica inquinanti in materiali di produzione pregiati, in definitiva avvicinandoci a un'economia circolare su larga scala, ", ha affermato Allison Werner, prima autrice della scienziata NREL e dell'articolo di giornale.

Un'economia circolare può estendere la durata della vita funzionale delle molecole per produrre plastiche vergini, riducendo gli sprechi, conservare le risorse, e aumentando l'efficienza. Ciò può aiutare a fornire forniture prodotte utilizzando meno materie prime ed energia e rimanere fuori dalle discariche.

I ricercatori di BOTTLE stanno esplorando come utilizzare una serie di processi chimici e biologici per decostruire i rifiuti di plastica e riciclarli a un valore più elevato, materiali riciclabili. Il recente progetto BOTTLE ha decostruito il PET utilizzando un processo chemiocatalitico e ha ingegnerizzato il batterio Pseudomonas putida KT2440 per convertire il PET nell'acido β-chetoadipico chimico (βKA), un elemento costitutivo per il nylon ad alte prestazioni.

NREL e ORNL hanno collaborato all'ingegneria dei batteri. ORNL ha progettato i batteri per utilizzare un intermedio chiave nella disgregazione del PET, che ha permesso al team NREL di costruire una piattaforma completa per la bioconversione.

Affrontare il problema PET

Ogni tipo di plastica ha le sue proprietà molecolari che potenzialmente richiedono metodi diversi per decostruire. Il PET può essere decostruito in monomeri utilizzando diversi processi chimici. Però, i metodi meccanici utilizzati oggi per la maggior parte del riciclaggio del PET possono portare a prodotti di scarsa qualità e meno redditizi, portando a bassi tassi di riciclaggio. Diverse fonti mostrano che attualmente solo dal 15% al ​​35% di tutte le bottiglie in PET trova una seconda vita.

Le trasformazioni biologiche progettate dagli scienziati NREL e ORNL in P. putida, accoppiato con un processo di glicolisi chemio-catalitica, può creare un prodotto più prezioso dal PET e, in definitiva, incentivare tassi di bonifica più elevati, traducendosi infine in un minor numero di bottiglie di plastica scartate che inquinano le acque oceaniche e le aree selvagge di montagna.

Il materiale estratto attraverso questa tecnica tandem di decostruzione catalitica e conversione biologica offre proprietà migliori rispetto ai comuni tipi di nylon che è destinato a sostituire, compresa una minore permeabilità all'acqua, temperatura di fusione più elevata, e temperatura di transizione vetrosa più elevata. Questi vantaggi prestazionali ampliano le modalità di utilizzo del materiale, anche per le parti automobilistiche che devono resistere alle alte temperature. L'aumento del valore del materiale riciclato potrebbe incentivare l'industria a riciclare più plastica, portando al recupero della plastica su scala molto più ampia.

Rifiutare di ribaltare l'inquinamento da plastica

Sebbene questa svolta iniziale prometta già di ampliare le opportunità per l'upcycling del PET, i ricercatori continuano a perfezionare l'approccio. Oltre a ottimizzare l'interfaccia chimica-biologia, il team sta valutando un'ampia gamma di altri fattori.

I flussi di rifiuti di PET post-consumo possono contenere additivi che P. putida potrebbe non essere in grado di catabolizzare. Characterization of these streams to identify the chemicals present and engineering metabolic pathways to enable consumption of these compounds as well will be needed to maximize efficiency of the bioconversion process, increase yields, and comprehensively deal with the plastic waste.

The future success of any tandem deconstruction and upcycling approach for PET will ultimately be determined by its combined technical feasibility, economic viability, and environmental impact. The NREL team plans to perform techno-economic analysis and life cycle assessment to build a better understanding of the process energy requirements and greenhouse gas emissions.

"Plastics have revolutionized modern life, ma, fino a poco tempo fa, plastic manufacturing has followed a strictly linear economy and is carbon-intensive, " said NREL Senior Research Fellow, BOTTLE Consortium Lead, and journal article senior author Gregg Beckham. "Circular approaches to this problem can reduce our reliance on fossil-based carbon and thus reduce greenhouse gas emissions. With annual plastic production expected at nearly 600 million tons by 2050, the time to act is now."

The efforts of NREL and the BOTTLE Consortium, including these new chemical deconstruction and biological upcycling techniques, will be vital tactics in combatting the plastic pollution crisis and the environmental and energy challenges associated with climate change.