Desde el Centro Tecnológico AITIIP se trabaja en una aproximación circular que permita valorizar a todos los niveles los materiales compuestos y sus componente

Química verde y enzimas: apostando por un reciclaje de plásticos más sostenible

Centro Tecnológico AITIIP

28/02/2022

Las resinas termoestables reforzadas con fibras, habitualmente de vidrio y carbono, dan lugar a materiales ligeros y muy resistentes que resultan de gran atractivo en sectores estratégicos como el aeronáutico (5,3% CAGR 2018-2023), energía eólica (4,7% CAGR 2018-2023), automoción (3,8% CAGR 2018-2023) o la construcción (4,0% CAGR 2018-2023) debido a sus altas prestaciones. La demanda en estos sectores seguirá impulsando su crecimiento en los próximos años. Sin embargo, todavía tienen limitaciones técnicas sobre todo en su fin de vida debido a su inherente complejidad y la dificultad de aplicar un ecodiseño, generando residuos plásticos.

Los residuos plásticos son una de las principales amenazas para nuestros ecosistemas. Actualmente la producción mundial de plásticos supera los 350 millones de toneladas, correspondiendo aproximadamente un 85% a la producción de termoplásticos y un 15% a la producción de termoestables. Es por ello, que en los últimos años se han puesto en marcha varias iniciativas, esfuerzos e inversión para aumentar la tasa de reciclado o impulsar materiales con una biodegradación más controlada en el sector de los termoplásticos. Los composites termoestables, a diferencia de los termoplásticos, no se pueden fundir dificultando su reutilización. En los materiales termoestables los enlaces químicos que se generan producen una red tridimensional irreversible mediante la aplicación de una fuente de energía, normalmente calor, en un proceso llamado curado. El material se endurece de manera permanente dificultando su reciclaje.

Ejemplos 1 y 2.

Por este motivo, son muchas menos las estrategias y tecnologías disponibles para gestionar el fin de vida de los plásticos y composites termoestables, convirtiéndolos en todo un desafío para la gestión de residuos. Hoy en día, estos materiales o bien se almacenan en vertederos (24,9%), incluidos cementerios de aviones, palas eólicas y ferrocarriles; o bien terminan siendo valorizados energéticamente (42,6%), donde la resina se incinera y solo el refuerzo se recupera, aunque suele estar dañado y no se puede utilizar para el mismo propósito.

Desde el Centro Tecnológico AITIIP se trabaja en una aproximación circular que permita valorizar a todos los niveles los materiales compuestos y sus componentes. Desde el desmantelado selectivo para su reuso y remanufactura en distintos sectores, promoviendo la simbiosis industrial, hasta nuevas tecnologías sostenibles de reciclaje químico y biológico, donde se busca poder valorizar tanto la resina como la fibra de manera eficiente y sin perder su valor original. De este modo AITIIP pretende aportar su grano de arena para resolver una problemática que pese a la juventud de dichos materiales compuestos, ya es una realidad. En los próximos años será necesario dar un fin de vida sostenible a 12.000 aviones, 3.800 palas eólicas en EU y 8.000 en EE UU, el 11% de residuos plásticos compuestos generados por el sector de la construcción o las más de 6 millones de embarcaciones de recreo abandonadas... entre otras aplicaciones.

Logotipos de los proyectos.

Los proyectos VIBES y BIZENTE, coordinados por AITIIP, vienen a desarrollar y garantizar un ecosistema circular para estos materiales, contribuyendo a los objetivos del pacto verde europeo para lograr una Europa climáticamente neutra en 2050. Ambos proyectos se enmarcan dentro del programa Europeo de financiación público-privada de las industrial biobasadas (BBI).

El proyecto VIBES presenta una solución innovadora basada en el desarrollo de una nueva tecnología verde centrada en la separación y recuperación controlada de los componentes mediante el desarrollo de estructuras químicas funcionales que presentan propiedades de adherencia en condiciones normales de trabajo del material, pero que frente a ciertos estímulos (temperatura, UV o pulso eléctrico) son reversibles y facilitan la separación química entre la fibra y la resina. Estas estructuras químicas se incorporan bien en la resina o bien en la interfase entre la fibra y la resina; y se basan en combinaciones de redes dinámicas covalentes (vitrímeros, reacciones Diels-Alder e interacciones moleculares basadas en arquitectura supramolecular). Una vez se induce el estímulo y se produce internamente dicha disociación, se procede a un reciclado químico en un reactor utilizando disolventes sostenibles y biobasados en condiciones suaves de temperatura y presión. El disolvente desintegra la resina hasta obtener monómeros o unidades primarias que se pueden recuperar para volver a producir resinas u otros compuestos químicos. Por su parte, la fibra es recuperada y valorizada en nuevas aplicaciones y productos.

El proyecto BIZENTE presenta una alternativa biológica al reciclado químico, un enfoque completamente novedoso basado en el desarrollo de enzimas que despolimerizan selectivamente la resina sin atacar a la fibra. Actualmente, no se conocen enzimas que de manera natural ataquen a estos materiales. Sin embargo, tecnologías como la evolución molecular dirigida (premio nobel en química en 2018) permite el diseño de enzimas con características mejoradas y nuevas funciones enzimáticas no requeridas en ambientes naturales. Por tanto, es posible diseñar enzimas con capacidades catalíticas mejoradas, mayor especificidad y estabilidad ante ciertas temperaturas o solventes orgánicos. Dentro del proyecto BIZENTE se trabaja con compuestos modelo de bajo peso molecular en laboratorio que contienen todas las características estructurales de las resinas objetivo, de manera que se pueda determinar y entrenar a las enzimas para atacar los enlaces de dichos compuestos modelo y estudiar los productos que se obtienen. Una vez se obtienen las enzimas con un mayor potencial de degradación de las resinas seleccionadas (en el proyecto se trabaja con resina epoxi, vinil éster y poliéster) se testean en un biorreactor con materiales compuestos reales. De este modo se estudian los productos reales obtenidos y se plantean diferentes estrategias para la valorización tanto de los monómeros o bloques químicos como de las fibras.

Logos del programa de la EC.

Una particularidad del proceso BIZENTE, es la necesidad de que la enzima sea capaz de encontrar en el residuo de composite los compuestos modelo o estructuras que es capaz de identificar y separar. Para ello, el proceso requiere de una etapa de pre-tratamientos bien sean mecánicos o químicos que permitan romper la estructura de la matriz y favorecer el ataque enzimático. Es por ello, que durante el proyecto se testean tanto moliendas y micronizados como la incorporación de redes dinámicas covalentes (semejantes a las desarrolladas en VIBES) en la estructura de la resina, para evaluar el efecto que tiene en el reactor y ver si el proceso es más eficiente y se favorece la digestión enzimática.

Ambos proyectos están concebidos para dar respuesta a las necesidades de los composites termoestables convencionales (derivados del petróleo), aunque existe una segunda fase en ambos proyectos en los que se testearán prototipos desarrollados con resinas biobasadas sustitutas de las actuales, así como con fibras naturales biobasadas como el lino o la fibra de carbono obtenida a partir de la lignina. De esta manera se espera desarrollar tecnologías versátiles que den una solución tanto a la problemática actual como a los nuevos composites sostenibles que están por venir.

Los proyectos BIZENTE y VIBES han recibido financiación de la Bio Based Industries Joint Undertaking (JU) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud de los acuerdos de subvención Nº 886567 y Nº 101023190 respectivamente. La JU recibe apoyo del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 y de la Based Industries Consortium.