Non è un segreto che abbiamo bisogno di materiali più sostenibili se speriamo di aiutare il pianeta. I materiali bioderivati sono un'opzione potenziale, ma devono essere economici se qualcuno ha intenzione di usarli. Guidato dal professor Thomas H. Epps, III, un team di ricercatori e collaboratori dell'Università del Delaware di CanmetENERGY sta tenendo a mente 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 alle piante.
Nell'industria della cellulosa e della carta, tuttavia, la lignina è un residuo della produzione che viene scartato. Questo tipo di lignina, nota come lignina tecnica, è considerata sporca, qualcosa che non è utilizzabile, tranne forse come combustibile per il calore o aggiunta agli pneumatici come riempitivo. I ricercatori dell'UD affermano che questa risorsa ampiamente disponibile, circa 100 milioni di tonnellate di rifiuti tecnici di lignina generati ogni anno in 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 la 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 2022 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 inferiori ai materiali petroliferi è qualcosa che nessuno è stato davvero in grado di mostrare prima", ha dichiarato Epps, che guida gli sforzi NSF GCR presso UD ed è l'Allan e Myra Ferguson Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering. Ricopre inoltre un incarico congiunto presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali.
Uno dei principali problemi con l’utilizzo della lignina è che la maggior parte dei processi utilizzatti finora funzionano a pressioni molto elevate e sono costosi e complessi. 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 ricercatori ha sostituito il metanolo, un solvente tradizionale utilizzato nella decostruzione della lignina, con la glicerina in modo che il processo potesse essere eseguito alla normale pressione atmosferica.
La glicerina è un ingrediente economico 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 una vasta gamma di prodotti a base biologica, dalle resine per la stampa 3D a diversi tipi di plastica, composti di aromi e fragranze, 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, che elimina la necessità di un sistema chiuso. Questo cambiamento ha permesso ai ricercatori di eseguire contemporaneamente le fasi di reazione e separazione, portando a un sistema più economico.
Operare a pressione atmosferica è più sicuro. inoltre, fornisce anche un percorso semplice per andare oltre i piccoli lotti ed eseguire il processo in modo continuo, 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 coinvolto contributi di studenti universitari, tra cui Paula Pranda, co-autrice principale del documento e laureata UD Honors 2021.
Pranda, ora dottoranda presso l'Università del Colorado, Boulder, ha contribuito a ottimizzare il processo. Ha anche studiato i set di dati disponibili e ha stimato le proprietà fisiche di tali materiali. Ciò ha permesso al co-autore Yuqing Luo, uno studente di dottorato in ingegneria chimica nel gruppo della professoressa 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 fino al 60% rispetto al processo ad alta pressione. Il vantaggio in termini di costi è stato meno pronunciato per gli altri tipi di lignine tecniche utilizzate nello studio, ma la lignina Kraft di legno tenero è tra i tipi più abbondanti di lignina tecnica generata dall'industria della cellulosa e della carta.
Per Pranda, collaborare con studenti al di fuori della sua area di competenza come Luo, il cui lavoro si concentra sulla modellazione di processi chimici per comprenderne il costo, è stato illuminante. Secondo Robert O'Dea, uno studente di dottorato nel laboratorio Epps e autore principale dell'articolo, i contributi di modellazione economica di Luo sono stati fondamentali per sapere se perseguire questa linea di ricerca. "Sapevamo di poterlo fare fisicamente, ma avevamo bisogno di sapere se avesse avuto effettivamente senso dal punto di vista finanziario", ha dichiarato O'Dea.
Mentre l'analisi ha dimostrato che la resa gioca un ruolo importante nell'economia dell'impianto, il costo per gestire il nuovo processo a bassa pressione è stato significativamente inferiore a quello del processo convenzionale in tutti i casi, a causa dei ridotti costi di capitale 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 ambientale.
Luo ha anche eseguito una valutazione del ciclo di vita per capire quante emissioni di gas serra (ad esempio, anidride carbonica) derivano dalla produzione di questi 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.
La collaborazione degli studenti è nata da incontri tra docenti e studenti coinvolti nel lavoro di gestione del ciclo di vita dei materiali presso UD, nell'ambito del programma NSF GCR. 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? "Mostra che c'è un grande potenziale per l'utilizzo di risorse rinnovabili per produrre diversi tipi di plastica. Non è necessario utilizzare combustibili fossili, la plastica da fonti rinnovabili può essere anche economicamente fattibile ", ha affermato Pranda.