Criando plásticos e produtos químicos valiosos a partir de resíduos

Um dos produtos finais que os pesquisadores e colegas da UD estão investigando é a criação de bio-resinas para impressão 3D. Crédito: Foto cortesia de Paul Pranda

Pesquisadores da Universidade de Delaware relatam método de baixa pressão para converter biomassa processada industrialmente em plásticos, produtos químicos.

Não é segredo que precisamos de materiais mais sustentáveis ​​se quisermos ajudar o planeta. Os materiais bioderivados são uma opção potencial, mas devem ser econômicos se alguém for usá-los.

Por exemplo, um melhor jarro de leite de base biológica seria ótimo. No entanto, se o leite for vendido por $ 20 por galão porque o custo do jarro aumenta de $ 1 para $ 17, ninguém o comprará.

Liderada pelo professor Thomas H. Epps, III, uma equipe de pesquisadores e colaboradores da Universidade de Delaware da CanmetENERGY estão mantendo exatamente esse tipo de economia em mente enquanto procuram maneiras de reciclar a biomassa em novos produtos. Tome a lignina, por exemplo. A lignina é um componente de plantas e árvores que fornece força e rigidez para ajudar a flora a enfrentar o que a Mãe Natureza lança em seu caminho.

Na indústria de celulose e papel, no entanto, a lignina é um resíduo que sobrou da fabricação de produtos de papel. Esse tipo de lignina, conhecida como lignina técnica, é considerada a mais suja das sujas, algo que não é utilizável – exceto talvez para queimar para aquecer ou adicionar aos pneus como enchimento.

Robert O'Dea

Robert O’Dea é um estudante de doutorado em engenharia química que trabalha no laboratório do professor Thomas Epps e co-autor de um novo artigo que analisa métodos de reaproveitamento de lignina, a parte mais difícil de reciclar de árvores, gramíneas e outras biomassas. Crédito: Universidade de Delaware

Os pesquisadores da UD dizem que esse recurso amplamente disponível – cerca de 100 milhões de toneladas de resíduos de lignina técnica são gerados anualmente em fábricas de papel e celulose em todo o mundo – pode ser muito mais valioso.

A equipe demonstrou que é possível transformar com eficiência a lignina processada industrialmente em plásticos de alto desempenho, como resinas de impressão 3D de base biológica e produtos químicos valiosos. Uma análise econômica e de ciclo de vida revela que a abordagem também pode ser competitiva com produtos semelhantes à base de petróleo.

Um artigo descrevendo o novo método foi publicado na quarta-feira, 19 de janeiro de 2022, em Avanços da ciência. O trabalho foi apoiado principalmente pelo financiamento do programa National Science Foundation Growing Convergence Research (NSF GCR), que visa resolver problemas por meio de colaboração interdisciplinar multifacetada.

“A capacidade de pegar algo como a lignina técnica e não apenas decompô-la e transformá-la em um produto útil, mas fazê-lo a um custo e impacto ambiental menor que os materiais petrolíferos é algo que ninguém realmente conseguiu mostre antes”, disse Epps, que lidera os esforços do NSF GCR na UD e é o professor distinto de engenharia química e biomolecular de Allan e Myra Ferguson. Ele também tem uma nomeação conjunta no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais.

Ingrediente diário supera obstáculo de alta pressão

Um dos principais problemas com a atualização da lignina é que a maioria dos processos para fazê-la operam em pressões muito altas e são caras e difíceis de escalar. As principais desvantagens das técnicas industriais atuais incluem as preocupações com segurança, custos de capital e consumo de energia associados aos solventes tradicionais, temperaturas ou pressões usadas no processo. Para superar esses desafios, a equipe de pesquisa substituiu o metanol, um solvente tradicional usado na desconstrução da lignina, por glicerina para que o processo pudesse ser feito à pressão atmosférica normal (ambiente).

A glicerina é um ingrediente barato usado em cosméticos líquidos, sabonetes, xampus e loções por suas capacidades hidratantes. Mas aqui, a glicerina ajuda a quebrar a lignina em blocos de construção químicos que podem ser usados ​​para fazer uma ampla gama de produtos de base biológica, de resinas de impressão 3D a diferentes tipos de plásticos, compostos de sabor e fragrância, antioxidantes e muito mais.

Resina de impressão 3D feita com biomassa de lignina técnica

Este UD interligado foi criado a partir de resina de impressão 3D feita com biomassa de lignina técnica. Esta não é uma foto de arranhar e cheirar, mas, se fosse, você poderia sentir o leve cheiro de churrasco. A razão? Os compostos químicos aromáticos do processo desenvolvido pela UD são semelhantes aos encontrados na fumaça líquida. Crédito: Universidade de Delaware

O uso da glicerina proporcionou a mesma funcionalidade química do metanol, mas com uma pressão de vapor muito menor, o que elimina a necessidade de um sistema fechado. Essa mudança permitiu que os pesquisadores fizessem as etapas de reação e separação simultaneamente, levando a um sistema mais econômico.

Operar à pressão atmosférica é mais seguro. Tão importante quanto isso, também fornece uma rota direta para escalar além de pequenos lotes e executar o processo continuamente, criando mais material com menos mão de obra em um processo mais barato e mais rápido.

Desenvolver o processo para que fosse repetível e consistente levou cerca de um ano e envolveu contribuições de estudantes de graduação, incluindo Paula Pranda, coautora principal do artigo e graduada em 2021 pela UD Honors.

Pranda, agora estudante de doutorado na Universidade do Colorado, Boulder, ajudou a otimizar o processo. Ela também pesquisou conjuntos de dados disponíveis sobre quais tipos de produtos a equipe poderia criar e estimou as propriedades físicas desses materiais. Isso permitiu que o coautor Yuqing Luo, estudante de doutorado em engenharia química do grupo do professor Marianthi Ierapetritou, modelasse o sistema para ver se era economicamente viável.

O trabalho de Luo mostrou que o método de baixa pressão da equipe da UD pode reduzir o custo de produção de um adesivo sensível à pressão de base biológica a partir de lignina Kraft de madeira macia em até 60% em comparação com o processo de pressão mais alta. A vantagem de custo foi menos pronunciada para os outros tipos de ligninas técnicas utilizadas no estudo, mas a lignina Kraft de madeira macia está entre os tipos mais abundantes de lignina técnica gerada pela indústria de papel e celulose.

Para Pranda, uma experimentalista, colaborar com colegas estudantes fora de sua área de especialização como Luo, cujo trabalho se concentra na modelagem de processos químicos para entender seu custo, foi esclarecedor.

“Eu nunca havia participado de uma colaboração antes e ganhei uma visão sobre como esses outros campos da engenharia química funcionam”, disse Pranda.

De acordo com Robert O’Dea, estudante de doutorado no laboratório de Epps e principal autor do artigo, as contribuições de modelagem econômica de Luo foram fundamentais para saber se deveria seguir essa linha de pesquisa.

“Sabíamos que poderíamos fazê-lo fisicamente, mas precisávamos saber se realmente fazia algum sentido financeiro fazê-lo na escala da planta química. A análise de Yuqing mostrou que sim”, disse O’Dea.

A avaliação de resíduos de lignina técnica de diferentes tipos de processos de celulose, obtidos do colaborador do projeto CanmetENERGY no Canadá, permitiu que Luo considerasse como os custos a montante, como o preço da matéria-prima ou o rendimento, afetariam a economia posteriormente no processo.

Embora a análise tenha demonstrado que o rendimento desempenha um papel importante na economia da planta, o custo para operar o novo processo de baixa pressão foi significativamente menor do que o processo convencional em todos os casos devido aos custos de capital reduzidos e à geração de coprodutos valiosos . Pesquisadores envolvidos no desenvolvimento do processo, do grupo Epps e colegas do grupo de pesquisa do professor Dionisios Vlachos da UD, atualmente têm uma patente pendente sobre o processo de pressão ambiente.

Luo também realizou uma avaliação do ciclo de vida para entender a quantidade de emissões de gases de efeito estufa (por exemplo, dióxido de carbono) resultantes da produção de materiais. Ter um bom controle dos custos em cada etapa pode ajudar os pesquisadores a explorar maneiras de otimizar o processo e a infraestrutura da cadeia de suprimentos de materiais.

“Estávamos tentando capturar o quadro maior, não apenas os custos do processo, mas também os impactos ambientais em toda a operação”, disse Luo.

A colaboração dos alunos surgiu de reuniões entre professores e alunos envolvidos no trabalho de gerenciamento do ciclo de vida de materiais na UD, sob o programa NSF GCR.

“Isso cria um trabalho naturalmente de alto impacto porque o programa NSF GCR nos incentiva a abordar aspectos como a ciência dos materiais e os impactos ambientais ao mesmo tempo. Portanto, estamos superando vários gargalos e obstáculos simultaneamente por meio da colaboração interdisciplinar”, disse Epps.

E o potencial do método desenvolvido pela UD para transformar resíduos em produtos valiosos?

“Isso mostra que há muito potencial para usar recursos renováveis ​​para fazer diferentes tipos de plásticos. Você não precisa usar combustíveis fósseis, plásticos de recursos renováveis ​​também podem ser economicamente viáveis”, disse Pranda.

Referência: “Valorização de lignina de pressão ambiente para polímeros de alto desempenho por desconstrução catalítica redutiva intensificada” por Robert M. O’Dea, Paula A. Pranda, Yuqing Luo, Alice Amitrano, Elvis O. Ebikade, Eric R. Gottlieb, Olumoye Ajao , Marzouk Benali, Dionisios G. Vlachos, Marianthi Ierapetritou e Thomas H. Epps, 19 de janeiro de 2022, Avanços da ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.abj7523

Além de Epps, O’Dea, Pranda e Luo, outros coautores do artigo incluem os ex-alunos da UD Alice Amitrano e Elvis Ebikade; pesquisador de pós-doutorado Eric Gottlieb; Olumoye Ajao e Marzouk Benali da Natural Resources Canada, CanmetENERGY; e Dionisios Vlachos, Unidel Dan Rich Chair in Energy, professor de engenharia química e biomolecular e diretor do Catalysis Center for Energy Innovation; e Marianthi Ierapetritou, Bob e Jane Gore Centennial Chair de Engenharia Química e Biomolecular.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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