Creación de material sostenible a partir de residuos

Por ejemplo, una mejor jarra de leche de origen biológico sería genial. Sin embargo, si la leche se vende a 20 dólares por galón porque el coste de la jarra aumenta de 1 a 17 dólares, nadie la comprará.

Dirigido por el profesor Thomas H. Epps, III, un equipo de investigadores de la Universidad de Delaware y colaboradores de CanmetENERGY están teniendo en cuenta este tipo de economía cuando buscan formas de reciclar la biomasa en nuevos productos. Por ejemplo, la lignina. La lignina es un componente de las plantas y los árboles que proporciona fuerza y rigidez para ayudar a la flora a resistir lo que la madre naturaleza le lanza.

Sin embargo, en la industria de la pasta y el papel, la lignina es un residuo de la fabricación de productos de papel. Este tipo de lignina, conocida como lignina técnica, se considera la más sucia de las sucias, algo que no se puede utilizar, excepto quizás para quemarla para calentarla o para añadirla a los neumáticos como relleno.

Los investigadores de la UD afirman que este recurso ampliamente disponible -se generan unos 100 millones de toneladas de residuos de lignina técnica al año en las fábricas de pasta y papel de todo el mundo- puede ser mucho más valioso.

El equipo ha demostrado que es posible convertir eficazmente la lignina procesada industrialmente en plásticos de alto rendimiento, como las resinas de impresión 3D de base biológica, y en valiosos productos químicos. Un análisis económico y del ciclo de vida revela que el método puede ser también competitivo con productos similares basados en el petróleo.

Un artículo que describe el nuevo método se ha publicado en Science Advances. El trabajo se financió principalmente con fondos del programa Growing Convergence Research (NSF GCR) de la Fundación Nacional de la Ciencia, cuyo objetivo es resolver problemas mediante la colaboración interdisciplinar.

"La capacidad de tomar algo como la lignina técnica y no sólo descomponerla y convertirla en un producto útil, sino hacerlo a un coste y con un impacto medioambiental menor que el de los materiales derivados del petróleo es algo que nadie ha podido demostrar antes", dijo Epps, que dirige los esfuerzos de la NSF GCR en la UD y es el Profesor Distinguido Allan y Myra Ferguson de Ingeniería Química y Biomolecular. También tiene un nombramiento conjunto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales.

Un ingrediente cotidiano supera el obstáculo de la alta presión

Uno de los principales problemas de la mejora de la lignina es que la mayoría de los procesos para hacerlo funcionan a presiones muy altas y son caros y difíciles de escalar. Los principales inconvenientes de las técnicas industriales actuales son los problemas de seguridad, los costes de capital y el consumo de energía asociados a los disolventes, las temperaturas o las presiones tradicionales utilizadas en el proceso. Para superar estos problemas, el equipo de investigación sustituyó el metanol, un disolvente tradicional utilizado en la deconstrucción de la lignina, por glicerina para que el proceso pudiera realizarse a presión atmosférica normal (ambiente).

La glicerina es un ingrediente barato que se utiliza en cosméticos líquidos, jabones, champús y lociones por su capacidad hidratante. Pero en este caso, la glicerina ayuda a descomponer la lignina en bloques químicos que pueden utilizarse para fabricar una amplia gama de productos de base biológica, desde resinas para impresión en 3D hasta diferentes tipos de plásticos, compuestos de sabores y fragancias, antioxidantes y mucho más.

El uso de glicerina proporciona la misma funcionalidad química que el metanol, pero a una presión de vapor mucho menor, lo que elimina la necesidad de un sistema cerrado. Este cambio permitió a los investigadores realizar los pasos de reacción y separación de forma simultánea, lo que dio lugar a un sistema más rentable.

Operar a presión atmosférica es más seguro. Igualmente importante es el hecho de que proporciona una vía directa para ir más allá de los lotes pequeños y ejecutar el proceso de forma continua, creando más material con menos mano de obra en un proceso más barato y rápido.

Desarrollar el proceso para que fuera repetible y consistente llevó cerca de un año y contó con la colaboración de estudiantes universitarios, como Paula Pranda, coautora del artículo.

Pranda, ahora estudiante de doctorado en la Universidad de Colorado, Boulder, ayudó a optimizar el proceso. También investigó los conjuntos de datos disponibles sobre los tipos de productos que el equipo podía crear y estimó las propiedades físicas de esos materiales. Esto permitió a la coautora Yuqing Luo, estudiante de doctorado de ingeniería química en el grupo de la profesora Marianthi Ierapetritou, modelar el sistema para ver si era económicamente viable.

El trabajo de Luo demostró que el método de baja presión del equipo de la UD puede reducir el coste de producción de un adhesivo biológico sensible a la presión a partir de lignina Kraft de madera blanda hasta en un 60% en comparación con el proceso de alta presión. La ventaja de costes fue menos pronunciada para los otros tipos de ligninas técnicas utilizadas en el estudio, pero la lignina Kraft de madera blanda es uno de los tipos más abundantes de lignina técnica generada por la industria de la pulpa y el papel.

Para Pranda, una experimentalista, colaborar con compañeros estudiantes fuera de su área de especialización como Luo, cuyo trabajo se centra en la modelización de procesos químicos para entender su coste, fue esclarecedor.

"Nunca había participado en una colaboración, y he aprendido cómo funcionan estos otros campos de la ingeniería química", dijo Pranda.

Según Robert O'Dea, estudiante de doctorado en el laboratorio de Epps y autor principal del artículo, las aportaciones de Luo en materia de modelización económica fueron clave para saber si había que seguir esta línea de investigación.

"Sabíamos que podíamos hacerlo físicamente, pero necesitábamos saber si realmente tenía sentido económico hacerlo a la escala de la planta química. El análisis de Yuqing demostró que sí lo tiene", dijo O'Dea.

La evaluación de los residuos técnicos de lignina de diferentes tipos de procesos de fabricación de pasta, obtenidos del colaborador del proyecto, CanmetENERGY, en Canadá, permitió a Luo considerar cómo los costes previos, como el precio de la materia prima o el rendimiento, afectarían a la economía más adelante en el proceso.

Aunque el análisis demostró que el rendimiento desempeña un papel importante en la economía de la planta, el coste de explotación del nuevo proceso de baja presión fue significativamente menor que el del proceso convencional en todos los casos debido a la reducción de los costes de capital y a la generación de valiosos coproductos. Los investigadores que participaron en el desarrollo del proceso, del grupo de Epps y sus colegas del grupo de investigación del profesor de la UD Dionisios Vlachos, tienen actualmente una patente pendiente sobre el proceso de presión ambiental.

Luo también realizó una evaluación del ciclo de vida para conocer la cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero (por ejemplo, de dióxido de carbono) resultantes de la producción de materiales. Conocer bien los costes de cada paso puede ayudar a los investigadores a explorar formas de optimizar el proceso y la infraestructura de la cadena de suministro de materiales.

"Intentamos captar el panorama general, no sólo los costes del proceso, sino también el impacto ambiental de toda la operación", explica Luo.

La colaboración de los estudiantes surgió de las reuniones entre los profesores y los estudiantes que trabajan en la gestión del ciclo de vida de los materiales en la UD, en el marco del programa GCR de la NSF.

"Se trata de un trabajo naturalmente de gran impacto porque el programa GCR de la NSF nos anima a abordar aspectos como la ciencia de los materiales y el impacto medioambiental al mismo tiempo. Así que estamos superando múltiples cuellos de botella y obstáculos simultáneamente a través de la colaboración interdisciplinaria", dijo Epps.

¿Y qué hay del potencial del método desarrollado por la UD para convertir los residuos en productos valiosos?

"Demuestra que hay mucho potencial para utilizar recursos renovables para fabricar diferentes tipos de plásticos. No es necesario utilizar combustibles fósiles, los plásticos procedentes de recursos renovables también pueden ser económicamente viables", dijo Pranda.