Combinan procesos químicos y biológicos para reciclar plásticos mixtos

Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos han desarrollado un proceso en dos pasos que combina oxidación química y bacterias para convertir plásticos mixtos difíciles de reciclar en un único producto.

La combinación de procesos químicos y biológicos es una nueva y prometedora estrategia para la valorización de residuos plásticos mixtos, según los investigadores del Consorcio de Tecnologías Bio-Optimizadas para Mantener los Termoplásticos fuera de los Vertederos y el Medio Ambiente (BOTTLE, por sus siglas en inglés), en el que participa el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de EE.UU.

Los residuos plásticos se han convertido en un problema energético y de contaminación mundial, ya que los materiales gestionados de forma ineficaz siguen acumulándose en los vertederos y el medio ambiente. En Estados Unidos, por ejemplo, sólo se recicla alrededor del 5%, y los sistemas actuales requieren insumos plásticos separados y limpios para funcionar eficazmente.

Los distintos plásticos se componen de diferentes polímeros, cada uno con sus propios componentes químicos. Cuando los polímeros se mezclan -ya sea en un contenedor de recogida o formulados juntos en materiales como los envases multicapa-, el reciclaje químico se vuelve caro y complejo porque a menudo hay que separar cada polímero antes de la deconstrucción química. Los investigadores de BOTTLE han desarrollado un proceso que puede convertir los plásticos mezclados en un solo producto químico, trabajando hacia una solución que permitiría a los recicladores omitir la clasificación del plástico por tipo.

«Se trata de un posible punto de entrada en el procesamiento de plásticos que no pueden reciclarse en absoluto hoy en día», afirma Gregg Beckham, investigador principal del NREL y director de BOTTLE. Beckham es el autor principal de un nuevo artículo publicado en la revista Science que detalla el trabajo de creación de un proceso químico y biológico en tándem para obtener productos únicos de alto valor a partir de residuos de plástico. El trabajo ha sido elaborado por investigadores del NREL y miembros del equipo BOTTLE del Instituto Tecnológico de Massachusetts, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Wisconsin-Madison.

Proceso químico

El proceso se basa en un trabajo pionero de hace una década desarrollado por un científico de la empresa DuPont, y según el cual la oxidación química puede utilizarse para descomponer diversos tipos de plástico. Los investigadores del NREL se basaron en esta química, que utiliza oxígeno y catalizadores para descomponer las grandes moléculas de polímero en sus componentes químicos más pequeños.

«El proceso de catálisis química que hemos utilizado no es más que una forma de acelerar ese proceso que se produce de forma natural, de modo que en lugar de degradarse a lo largo de varios cientos de años, se pueden descomponer estos plásticos en horas o minutos«, explica Kevin Sullivan, investigador postdoctoral del NREL y coautor del artículo.

Aplicaron el proceso a una mezcla de tres plásticos comunes: el poliestireno (PS), utilizado en los vasos de café desechables; el tereftalato de polietileno (PET), utilizado en las botellas de bebidas de un solo uso, la ropa de poliéster y las alfombras, y el polietileno de alta densidad (HDPE), utilizado en muchos plásticos de consumo común. Aunque no formaba parte del trabajo inicial de prueba de concepto, el equipo señaló que este método podría ampliarse para incluir otros plásticos, como el polipropileno (PP) y el cloruro de polivinilo (PVC). Este será uno de los objetivos del grupo.

Este proceso de oxidación descompone los plásticos PS, PET y HDPE en una compleja mezcla de compuestos químicos -como el ácido benzoico, el ácido tereftálico y los ácidos dicarboxílicos- que requerirían separaciones avanzadas y costosas para obtener productos puros. Para los investigadores de BOTTLE, ahí es donde entra en juego la biología.

Proceso biológico

El equipo diseñó un robusto microbio, Pseudomonas putida, para que «canalizara» biológicamente la mezcla de productos intermedios y los convirtiera en productos individuales: polihidroxialcanoatos (PHA), que son una forma emergente de bioplásticos biodegradables, o beta-cetoadipato, que puede utilizarse para fabricar nuevos materiales de nailon de mayor rendimiento.

«La canalización biológica significa simplemente que hemos diseñado la red metabólica de un microbio para dirigir el carbono de un gran número de sustratos a un único producto», explica Allison Werner, coautora del estudio. «Para ello, tomamos ADN de la naturaleza -normalmente de otros microbios- y lo pegamos en el genoma de la Pseudomonas putida. El ADN se transcribe en ARN, que a su vez se traduce en proteínas que realizan diversas transformaciones bioquímicas, formando una nueva red metabólica y, en última instancia, permitiéndonos capturar más carbono y ajustar su destino».

Los investigadores habían utilizado anteriormente Pseudomonas putida para valorizar mezclas químicas de lignina, las partes resistentes de las paredes celulares de las plantas que son difíciles de descomponer. Después de un éxito considerable en ese ámbito, decidieron dedicarse al problema de los plásticos.

«Al pasar de la lignina a los plásticos, había similitudes pero también nuevos retos», afirma Kelsey Ramírez, técnico del NREL y coautor del proyecto. «Pudimos adaptar algunos de los métodos analíticos, pero sabemos que hay mucho trabajo por hacer para entender y cuantificar todos los aditivos, tintes y otras incógnitas presentes en los plásticos postconsumo de hoy en día.»

Los autores subrayan que las bacterias manipuladas no degradan los plásticos directamente, sino que reciclan la mezcla deconstruida de oxigenados químicos en un solo producto. «Si tomas las bacterias que utilizamos ahora y las combinas con polietileno, las bacterias morirán y el plástico se quedará ahí», explica Beckham. El proceso de oxidación, dice, convierte los polímeros de plástico recalcitrantes en pequeñas moléculas que las bacterias pueden consumir. «Después de algo de ingeniería, estos compuestos son excelentes fuentes de carbono y energía para los microbios». La ingeniería genética y metabólica permitió al equipo afinar hacia dónde canaliza el microbio ese carbono, en este caso a PHAs o a materiales de beta-cetoadipato que pueden utilizarse para nuevos plásticos de mayor rendimiento.

Ahora, una misión del NREL a la Estación Espacial Internacional probará si la microgravedad mejora el proceso de reciclaje bacteriano.