Konstruksi

Masa Depan Terlihat Cerah untuk Plastik yang Dapat Didaur Ulang Tanpa Batas

Masa Depan Terlihat Cerah untuk Plastik yang Dapat Didaur Ulang Tanpa Batas


Hanya sekitar 2% plastik yang sepenuhnya didaur ulang saat ini. Plastik PDK bisa mengatasi krisis sekali pakai. (Chanchai Phetdikhai / Shutterstock)

Plastik adalah bagian dari hampir setiap produk yang kami gunakan setiap hari. Rata-rata orang di AS menghasilkan sekitar 100 kg sampah plastik per tahun, yang sebagian besar langsung dibuang ke tempat pembuangan akhir. Sebuah tim yang dipimpin oleh Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling, dan Kristin Persson di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) bertekad untuk mengubahnya.

Kurang dari dua tahun lalu, Helms mengumumkan penemuan plastik baru yang dapat mengatasi krisis limbah secara langsung. Disebut poli (diketoenamine), atau PDK, bahan tersebut memiliki semua sifat nyaman dari plastik tradisional sambil menghindari perangkap lingkungan, karena tidak seperti plastik tradisional, PDK dapat didaur ulang tanpa batas waktu tanpa kehilangan kualitas.

Kini, tim telah merilis studi yang menunjukkan apa yang bisa dicapai jika produsen mulai menggunakan PDK dalam skala besar. Garis bawah? Plastik berbasis PDK dapat dengan cepat menjadi kompetitif secara komersial dengan plastik konvensional, dan produk akan menjadi lebih murah dan lebih berkelanjutan seiring berjalannya waktu.

“Plastik tidak pernah dirancang untuk didaur ulang. Kebutuhan untuk melakukan hal itu sudah lama diketahui, ”jelas Nemi Vora, penulis pertama laporan tersebut dan mantan rekan postdoctoral yang bekerja dengan penulis senior Corinne Scown. “Namun mendorong keberlanjutan adalah inti dari proyek ini. PDK dirancang untuk didaur ulang sejak awal, dan sejak awal, tim telah bekerja untuk menyempurnakan proses produksi dan daur ulang untuk PDK sehingga bahan tersebut bisa murah dan cukup mudah untuk digunakan pada skala komersial dalam segala hal mulai dari pengemasan untuk mobil. “

Studi ini menyajikan simulasi untuk fasilitas 20.000 metrik ton per tahun yang mengeluarkan PDK baru dan mengambil limbah PDK bekas untuk didaur ulang. Penulis menghitung input kimia dan teknologi yang dibutuhkan, serta biaya dan emisi gas rumah kaca, kemudian membandingkan temuan mereka dengan angka yang setara untuk produksi plastik konvensional.

“Saat ini, ada dorongan besar untuk mengadopsi praktik ekonomi melingkar di industri. Semua orang mencoba mendaur ulang apa pun yang mereka taruh di pasar, ”kata Vora. “Kami mulai berbicara dengan industri tentang penggunaan 100% plastik daur ulang tanpa batas dan telah menerima banyak minat.”

“Pertanyaannya adalah berapa biayanya, apa dampaknya terhadap penggunaan energi dan emisi, dan bagaimana menuju ke sana dari tempat kita sekarang ini,” tambah Helms, seorang staf ilmuwan di Berkeley Lab’s Molecular Foundry. “Tahap kolaborasi kami selanjutnya adalah menjawab pertanyaan-pertanyaan ini.”

Memeriksa kotak murah dan mudah

Hingga saat ini, lebih dari 8,3 miliar metrik ton bahan plastik telah diproduksi, dan sebagian besar berakhir di tempat pembuangan sampah atau pabrik pembakaran sampah. Sebagian kecil plastik dikirim untuk didaur ulang “secara mekanis”, artinya plastik tersebut dilebur dan kemudian dibentuk kembali menjadi produk baru. Namun, teknik ini memiliki manfaat yang terbatas. Resin plastik itu sendiri terbuat dari banyak molekul identik (disebut monomer) yang diikat menjadi rantai panjang (disebut polimer). Namun untuk memberi plastik banyak tekstur, warna, dan kemampuannya, aditif seperti pigmen, penstabil panas, dan penghambat api ditambahkan ke resin. Ketika banyak plastik dilebur menjadi satu, polimer bercampur dengan aditif yang berpotensi tidak cocok, menghasilkan bahan baru dengan kualitas yang jauh lebih rendah daripada resin murni yang baru diproduksi dari bahan mentah. Dengan demikian, kurang dari 10% plastik secara mekanis didaur ulang lebih dari sekali, dan plastik daur ulang biasanya juga mengandung resin murni untuk menggantikan kualitasnya.

GIF yang menunjukkan bagaimana plastik PDK mudah terurai saat dimasukkan ke dalam larutan asam. Asam membantu memutus ikatan antara monomer dan memisahkannya dari aditif kimiawi yang memberikan tampilan dan rasa pada plastik. (Kredit: Peter Christensen / Berkeley Lab)

Plastik PDK menghindari masalah ini sepenuhnya – polimer resin direkayasa agar mudah terurai menjadi monomer individu bila dicampur dengan asam. Monomer kemudian dapat dipisahkan dari aditif apa pun dan dikumpulkan untuk membuat plastik baru tanpa kehilangan kualitas. Penelitian tim sebelumnya menunjukkan bahwa proses “daur ulang kimiawi” ini ringan pada energi dan emisi karbon dioksida, dan dapat diulang tanpa batas waktu, menciptakan siklus hidup material yang benar-benar melingkar di mana saat ini ada tiket sekali jalan menuju limbah.

Namun terlepas dari sifat luar biasa ini, untuk benar-benar mengalahkan plastik di permainannya sendiri, PDK juga harus nyaman. Mendaur ulang plastik tradisional berbasis minyak bumi mungkin sulit, tetapi membuat plastik baru sangatlah mudah.

“Kami berbicara tentang bahan yang pada dasarnya tidak didaur ulang,” kata Scown. “Jadi, dalam hal menarik produsen, PDK tidak bersaing dengan plastik daur ulang – mereka harus bersaing dengan resin murni. Dan kami sangat senang melihat betapa murah dan efisiennya mendaur ulang bahan tersebut. “

Scown, yang merupakan staf ilmuwan di Area Teknologi dan Biosains Energi Lab Berkeley, mengkhususkan diri dalam pemodelan dampak lingkungan dan keuangan masa depan dari teknologi yang muncul. Scown dan timnya telah mengerjakan proyek PDK sejak awal, membantu kelompok ahli kimia dan ilmuwan fabrikasi Helms untuk memilih bahan mentah, pelarut, peralatan, dan teknik yang akan menghasilkan produk yang paling terjangkau dan ramah lingkungan.

“Kami mengambil teknologi tahap awal dan merancang seperti apa tampilannya pada operasi skala komersial” menggunakan input dan teknologi yang berbeda, katanya. Proses pemodelan kolaboratif yang unik ini memungkinkan ilmuwan Berkeley Lab untuk mengidentifikasi potensi tantangan peningkatan skala dan melakukan perbaikan proses tanpa siklus trial and error yang mahal.

Laporan tim, yang diterbitkan di Science Advances, memodelkan produksi PDK skala komersial dan pipa daur ulang berdasarkan keadaan perkembangan plastik saat ini. “Dan kesimpulan utamanya adalah, setelah Anda menghasilkan PDK pada awalnya dan Anda sudah memasukkannya ke dalam sistem, biaya dan emisi gas rumah kaca yang terkait dengan terus mendaur ulangnya kembali menjadi monomer dan membuat produk baru bisa lebih rendah daripada , atau setidaknya setara dengan, banyak polimer konvensional, ”kata Scown.

Berencana untuk meluncurkan

Berkat pengoptimalan dari pemodelan proses, PDK daur ulang sudah menarik minat perusahaan yang membutuhkan sumber plastik. Selalu melihat ke masa depan, Helms dan rekan-rekannya telah melakukan riset pasar dan bertemu dengan orang-orang dari industri sejak awal proyek. Kerja keras mereka menunjukkan bahwa aplikasi awal terbaik untuk PDK adalah pasar di mana produsen akan menerima produk mereka kembali di akhir masa pakainya, seperti industri otomotif (melalui tukar tambah dan pengembalian) dan elektronik konsumen (melalui limbah elektronik) program). Perusahaan-perusahaan ini kemudian akan dapat memperoleh manfaat dari 100% PDK yang dapat didaur ulang dalam produk mereka: pencitraan merek yang berkelanjutan dan penghematan jangka panjang.

Pekerja memilah daur ulang di pusat daur ulang San Francisco. (Sumber: Corinne Scown / Berkeley Lab)

“Dengan PDK, sekarang orang-orang di industri punya pilihan,” kata Helms. “Kami membawa mitra yang membangun sirkularitas ke dalam lini produk dan kemampuan manufaktur mereka, dan memberi mereka opsi yang sejalan dengan praktik terbaik di masa mendatang.”

Menambahkan Scown: “Kami tahu ada minat pada level itu. Beberapa negara berencana mengenakan biaya besar untuk produk plastik yang mengandalkan bahan non-daur ulang. Pergeseran itu akan memberikan insentif finansial yang kuat untuk beralih dari penggunaan resin murni dan akan mendorong banyak permintaan untuk plastik daur ulang. “

Setelah menyusup ke pasar produk tahan lama seperti mobil dan elektronik, tim berharap dapat memperluas PDK menjadi barang sekali pakai yang berumur lebih pendek seperti kemasan.

Masa depan lingkaran penuh

Saat mereka menyusun rencana untuk peluncuran komersial, para ilmuwan juga melanjutkan kolaborasi tekno-ekonomi mereka dalam proses produksi PDK. Meskipun biaya PDK daur ulang sudah diproyeksikan rendah secara kompetitif, para ilmuwan sedang mengerjakan perbaikan tambahan untuk menurunkan biaya PDK perawan, sehingga perusahaan tidak terhalang oleh harga investasi awal.

Dan seperti aslinya, para ilmuwan sedang mengerjakan dua langkah ke depan pada saat yang bersamaan. Scown, yang juga wakil presiden Life-cycle, Economics & Agronomy di Joint BioEnergy Institute (JBEI), dan Helms berkolaborasi dengan Jay Keasling, ahli biologi sintetik terkemuka di Berkeley Lab dan UC Berkeley dan CEO JBEI, untuk merancang proses pembuatan polimer PDK menggunakan bahan prekursor berbahan mikroba. Proses tersebut saat ini menggunakan bahan kimia industri, tetapi pada awalnya dirancang dengan mempertimbangkan mikroba Keasling, berkat seminar lintas disiplin yang kebetulan.

Hak atas foto Thor Swift / Berkeley Lab Foto Brett Helms sedang bekerja di Molecular Foundry pada tahun 2019.

“Sesaat sebelum kami memulai proyek PDK, saya mengikuti seminar di mana Jay menjelaskan semua molekul yang dapat mereka buat di JBEI dengan mikroba hasil rekayasa mereka,” kata Helms. “Dan saya sangat senang karena saya melihat beberapa molekul itu adalah benda yang kita masukkan ke dalam PDK. Jay dan saya melakukan beberapa obrolan, dan kami menyadari bahwa hampir seluruh polimer dapat dibuat menggunakan bahan tanaman yang difermentasi oleh mikroba yang direkayasa. ”

“Di masa depan, kami akan membawa komponen biologis tersebut, yang berarti bahwa kami dapat mulai memahami dampak transisi dari bahan baku konvensional ke bahan baku berbasis hayati yang unik dan mungkin diuntungkan yang mungkin lebih berkelanjutan dalam jangka panjang berdasarkan energi, karbon, atau intensitas air untuk produksi dan daur ulang, ”lanjut Helms.

“Jadi, di mana kita sekarang, ini adalah langkah pertama dari banyak langkah, dan saya pikir kita memiliki landasan pacu yang sangat panjang di depan kita, yang menarik.”

Molecular Foundry adalah fasilitas pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi (DOE) yang berspesialisasi dalam ilmu skala nano. JBEI adalah Pusat Penelitian Bioenergi yang didanai oleh Kantor Sains DOE.

Pekerjaan ini didukung oleh DOE’s Bioenergy Technologies Office dan Berkeley Lab’s Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program.

Teknologi PDK tersedia untuk perizinan dan kolaborasi. Jika tertarik, silakan hubungi Kantor Kekayaan Intelektual Berkeley Lab, [email protected].

# # #

Didirikan pada tahun 1931 dengan keyakinan bahwa tantangan ilmiah terbesar sebaiknya ditangani oleh tim, Lawrence Berkeley National Laboratory dan ilmuwannya telah diakui dengan 14 Hadiah Nobel. Saat ini, peneliti Berkeley Lab mengembangkan energi berkelanjutan dan solusi lingkungan, menciptakan bahan baru yang berguna, memajukan batas komputasi, dan menyelidiki misteri kehidupan, materi, dan alam semesta. Ilmuwan dari seluruh dunia mengandalkan fasilitas Lab untuk ilmu penemuan mereka sendiri. Berkeley Lab adalah laboratorium nasional multiprogram, yang dikelola oleh University of California untuk Kantor Sains Departemen Energi AS.

Kantor Sains DOE adalah pendukung terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat, dan sedang berupaya untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, silakan kunjungi energy.gov/science.

Author : SGP Prize