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Le nuove frontiere applicative delle bioplastiche: dalla nostra tavola al risanamento ambientale

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Gabriella Butera e Filippo Luzzu

il pluralismo dei materiali plastici sinteticiNegli ultimi decenni si sono raggiunti traguardi importanti nell’utilizzo di materiali biodegradabili nei più svariati campi di applicazione: dalla realizzazione di piatti e stoviglie monouso a prodotti altamente ingegnerizzati che trovano utilizzo nelle attività di ripristino e risanamento ambientale.

 

I MATERIALI PLASTICI SINTETICI

Ad oggi le sostanze plastiche non biodegradabili più comuni derivano dal petrolio o da processi di sintesi. I prodotti, sviluppati principalmente nel secolo scorso hanno trovato un grandissimo impiego nei più diversi campi applicativi, sostituendo con successo i materiali convenzionali fino ad allora usati. Tali sostanze presentano proprietà quali la leggerezza, la flessibilità, l’elasticità, la facilità di lavorazione, la viscosità allo stato fuso o in soluzione e in generale un basso costo di produzione. Queste proprietà le rendono idonei a molteplici ruoli e per lunghi periodi di tempo. Le sostanze plastiche sono principalmente composte da polimeri costituiti da macromolecole a struttura prevalentemente lineare. Essi mostrano una catena principale formata, nella maggior parte dei casi, da atomi di carbonio e questo è il motivo per cui essi vengono anche definiti polimeri organici.

struttura (unità monomerica) del polietilene

Fig. 2 – Unità monomerica nella struttura molecolare del polietilene

Uno dei polimeri più semplici e comunemente usato, è il polietilene (PE) (-C2H4-)n (Fig. 2) in cui ciascun atomo di carbonio è legato a due altri atomi di carbonio in catena lineare e a due atomi di idrogeno.  La lunghezza della catena può variare da mille a ventimila atomi di carbonio ed il suo peso molecolare è compreso tra diecimila e alcuni milioni di Dalton (Dalton è l’unità di misura del peso molecolare e corrisponde a g/mol, ovvero quantità in peso per unità di sostanza): proprio questa conformazione costituita da lunghe catene di atomi leggeri è responsabile delle proprietà tipiche di leggerezza e flessibilità dei composti polimerici di sintesi.
I polimeri di sintesi sono stati nel secolo scorso i protagonisti di una vera e propria rivoluzione del sistema economico-produttivo e sociale. Non si può negare infatti che l’introduzione di tali materiali abbia dato il via ad un mercato di prodotti “usa e getta”, che hanno contribuito enormemente al consolidarsi di uno stile di vita consumistico, con evidenti ripercussioni sull’ambiente. Infatti i vantaggi costituiti dalle eccezionali proprietà di queste materie plastiche si sono scontrati con alcune problematiche legate al loro utilizzo sia sotto forma di prodotti di largo consumo ( borse e buste di plastica, contenitori di vario tipo, tubazioni, strato interno di contenitori asettici per liquidi alimentari, film per l’agricoltura), sia per il loro smaltimento. Quest’ultimo in realtà dovrebbe prevedere il riciclo ed il riuso dei materiali impiegati. Non sempre questa pratica viene eseguita in maniera virtuosa e molto spesso il meccanismo si inceppa proprio nel primo stadio. Questo dovrebbe prevedere il corretto conferimento dei rifiuti plastici da parte del cittadino che spesso li abbandona nell’ambiente dove rimangono per periodi di tempo che possono arrivare a centinaia di anni.
bottiglie in plastica schiacciateLa ricerca ha quindi cercato di risolvere il problema addizionando ai polimeri sintetici speciali additivi che li rendono parzialmente biodegradabili, o meglio accelerano il loro tempo di decomposizione in natura (che rimane comunque sempre molto lungo), ma consentono di mantenere le loro qualità tecniche e commerciali. Tuttavia l’utilizzo di tali additivi è un po’ controverso in quanto la loro presenza rende impossibili proprio le strategie di riuso e il riciclo, limitando quindi il loro uso a quei prodotti di cui non si prevede un riutilizzo o un conferimento mirato.

 

LE BIOPLASTICHE

Negli ultimi anni la ricerca scientifica ed industriale ha cercato strade alternative ai polimeri “classici”, attraverso lo studio e la creazione delle così dette bioplastiche o biopolimeri. Esse sono matrici derivate principalmente da zuccheri e dai loro polimeri. Proprio grazie a questa loro derivazione (di fatto sono costituiti dagli stessi composti di cui è fatta una pianta o un essere vivente in generale) possono essere degradati facilmente e in tempi rapidi.

Esempio di catena trofica terrestre

Fig. 4 – Esempio di catena trofica terrestre

Il termine biodegradabile si riferisce alla proprietà di quelle sostanze che una volta rilasciate nell’ambiente vengono degradate, ovvero scomposte e assimilate a seguito dell’attività biologica dei batteri saprofiti saprofiti, naturalmente presenti in un determinato ecosistema naturale, che si nutrono delle sostanze organiche tratte dai residui di altri organismi, naturalmente presenti in un determinato ecosistema naturale.  Quindi affinché un composto possa essere considerato biodegradabile è necessario che sia realizzato utilizzando sostanze di origine naturale (principalmente vegetale) al fine di poter essere facilmente degradato. Tale processo è alla base del turnover della materia organica, che si esplica quando i resti di un vegetale o di un animale morto vengono prima frantumati dai così detti organismi detritivori (piccoli vertebrati presenti nel terreno oppure piccoli crostacei presenti negli ambienti acquatici) con un aumento della superficie esposta all’azione enzimatica, favorendo quindi la degradazione batterica.
I resti vegetali/animali vengono quindi scomposti dai batteri in componenti molecolari più semplici. Questi ultimi vengono infine utilizzati dai vegetali per la sintesi della sostanza organica attraverso il processo di fotosintesi.

Le principali famiglie di biopolimeri presenti oggi sul mercato derivano tutte da fonti rinnovabili e comprendono i polimeri derivati dall’amido, il poliestere derivato dall’acido polilattico (PLA) e quello derivato dai Poli-idrossialcanoati (PHA) e i polimeri cellulosici.

bioplastica biodegradata

Fig. 5 – Bioplastica biodegradata

La bioplastica più comunemente nota e diffusa sul mercato (anche per il suo costo relativamente basso) è quella derivante da amido ricavato dal mais, dal frumento, dalla patata, dalla tapioca e dal riso. Nomi commerciali di questo biopolimero sono ormai entrati nel linguaggio quotidiano e comprendono il Mater-Bi® ed il Bioplast® (anche se ne esistono tanti altri ugualmente utilizzati nel mondo come Cornpol®, Greenpol®, Ecoplast®, Getrex TP® e Plantic®).

L’amido è un polimero naturale costituito da catene di molecole di glucosio legate da legami α-1,4 glicosidici (Fig. 6).  Lungo la catena vi sono ramificazioni che si originano per la formazione di legami α -1,6. L’amido è la sostanza di riserva più diffusa nel regno vegetale e costituisce la riserva glucidica più importante in tutte le piante dove è accumulato in particolari organelli detti amiloplasti sotto forma di granuli che possono essere uno o più per ogni amiloplasto. I granuli di amido possono essere semplici (come nella patata, nel fagiolo e nel frumento) o composti (come nel riso e nell’avena). La maggior parte degli amidi è generalmente separabile in due componenti: l’amilosio e l’amilopectina. L’amilosio consiste di una catena lineare formata da residui glucosidici legati insieme da legami α-1,4 e proprio a causa di questo tipo di legame la catena dell’amilosio si avvolge ad elica. Il numero di residui glucosidici varia a seconda delle piante da 200 sino ad oltre 2000. L’amilopectina è una molecola ramificata il cui grado di polimerizzazione varia da 2000 a 220.000 residui glucosidici; i legami più frequenti sono α-1,4 ed il legame nei punti di ramificazione è α-1,6. Le proporzioni tra l’amilosio e l’amilopectina variano nei differenti tipi di amido ma generalmente l’amilopectina costituisce il 70-80% del totale mentre l’amilosio il 20-30%.

I polimeri derivanti dall’amido sono materiali fortemente cristallini e possono essere utilizzati tal quali oppure, miscelati con altri biopolimeri come quelli derivati dall’Acido Polilattico (PLA) o poliesteri per dare luogo a materiali flessibili come il PE o rigidi come il polistirene (PS) (che insieme al polietilene e al polivinilcloruro (PVC) è stato Tra i polimeri di sintesi più largamente usati nel secolo scorso). Inoltre l’aggiunta di plastificanti come glicerolo, poliesteri e urea permette di ridurre i legami idrogeno intermolecolari e di stabilizzare le proprietà del prodotto. Le caratteristiche meccaniche dei polimeri da amido sono, in generale, simili a quelle del polietilene. Essi sono abbastanza facili da manipolare, ma sono sensibili a degradazione termica e tendono ad assorbire umidità. L’amido infatti interagisce fortemente con l’acqua e si degrada per idrolisi. I polimeri da amido hanno inoltre una bassa resistenza ai solventi ed agli oli; questa caratteristica può essere considerevolmente migliorata attraverso la miscelazione con altri biopolimeri.

Fig. 2 - Confronto struttura molecolare di amido e cellulosa

Fig. 6 – Confronto struttura molecolare di amido e cellulosa

Un’altra bioplastica oggi molto studiata per le sue eccezionali proprietà meccaniche è il poliestere derivato dall’acido polilattico (PLA) (Fig. 8). Quest’ultimo in realtà deriva sempre dall’amido e la fonte oggi più utilizzata per la sua estrazione è il mais. L’amido viene scisso nei suoi monomeri costituenti (glucosio) attraverso processi di idrolisi enzimatica o chimica. Il glucosio così ottenuto viene fatto fermentare in acido lattico attraverso il contatto con opportuni batteri che sono capaci di compiere la fermentazione lattica.
La fermentazione può essere effettuata attraverso un processo continuo o discontinuo. L’acido lattico ottenuto viene prelevato e purificato prima di essere polimerizzato. Il peso molecolare, la struttura macromolecolare ed il grado di cristallizzazione del PLA dipendono dalle condizioni di reazione utilizzate durante il processo di polimerizzazione. Esistono tre forme isomeriche di questo composto: il poli (acido L-lattico), il poli (acido D-lattico) – entrambi semi-cristallini – ed il poli (acido D, L- lattico) che invece ha una struttura amorfa. Il peso molecolare del PLA varia da 100.000 – 300.000 Dalton. All’aumentare del peso molecolare si ha un aumento della resistenza dovuta alla diminuzione del movimento relativo delle catene che diventano più lunghe, di conseguenza diminuisce la facilità di lavorazione. Il PLA possiede eccellenti proprietà meccaniche di rigidità e resistenza all’urto che lo rendono simile al PET però la sua bassa temperatura di rammollimento non ne consente l’utilizzo per contenitori di liquidi caldi. Il PLA infatti degrada rapidamente sopra un valore di temperatura di 60 °C in condizioni di umidità elevata. La bassa temperatura di rammollimento di questo biopolimero crea inoltre problemi per l’immagazzinamento dei prodotti. D’altra parte, la bassa temperatura di inflessione sotto carico (HDT) del PLA e la buona resistenza alla saldatura a caldo forniscono buone prestazioni per la giunzione tra pellicola e vaschetta, motivo per cui oggi il PLA viene largamente usato per l’imballaggio sia di prodotti alimentari che di altro genere. In particolare viene usato per l’imballaggio di cibi a temperatura ambiente grazie alle buone proprietà meccaniche, alla sua trasparenza e ad una migliore resistenza all’umidità rispetto ai polimeri a base di amido. Così come possiede una maggiore resistenza chimica a grassi ed oli.

Fig. 3 - Acidi (S)- ed (R)-polilattico

Fig. 7 – Acidi (S)- ed (R)-polilattico

I poli-Idrossialcanoati (PHA) costituiscono un’altra famiglia di biopolimeri presenti sul mercato. Essi rientrano nella classe dei poliesteri ma sono prodotti da fonte rinnovabile per via biologica. Il processo di produzione si basa sulla fermentazione batterica a partire da diverse fonti di carbonio (generalmente zuccheri o lipidi). I PHA prodotti in seguito ad un processo che richiede la totale trasformazione dei prodotti di partenza, vengono estratti con opportuni solventi attraverso metodi che portano alla distruzione delle cellule batteriche deputate alla produzione di PHA. Tra i polimeri oggi prodotti vi sono l’omopolimero poli (3-idrossibutirrato), P(3HB) e il poli(3-idrossivalerato), P(3HV). I copolimeri di PHA sono differenti a seconda del tipo e della proporzione del monomero costituente e sono generalmente a sequenza random. Il P(3HB) detto più semplicemente PHB, a differenza della maggior parte delle bioplastiche oggi presenti sul mercato è insolubile in acqua e resistente all’umidità. Una delle caratteristiche più interessanti che possiede è la bassa permeabilità all’ossigeno che lo rende un materiale particolarmente adatto per l’imballaggio di prodotti sensibili all’ossigeno. Inoltre la buona resistenza agli UV e ai solventi dovuta all’elevato livello di cristallinità del PHB hanno decretato un suo discreto successo sul mercato, anche se presenta ancora costi di produzione piuttosto elevati. È inoltre possibile agire sulle proprietà tecniche del PHB in base alle prestazioni desiderate, ricorrendo all’utilizzo di copolimeri. Quest’ultimi possono essere ottenuti andando ad operare selettivamente sulla fonte di carbonio e sul tipo di batterio da utilizzare nel processo fermentativo.

cellophane

Fig. 8 – Cellophane

Una categoria di bioplastiche oggi poco utilizzata ma importante da un punto di vista storico (in quanto è stata introdotta sul mercato già nella prima metà del diciannovesimo secolo) è quella derivata dalla cellulosa. La cellulosa è il maggiore componente di tutti gli organismi vegetali. È un polimero costituito da molecole di glucosio unite da legami 1,4 β-glucosidici in lunghissime catene lineari che costituiscono un sistema di fibre intrecciate tra loro su diversi piani all’interno della parete cellulare delle cellule vegetali. Il legame β-1,4 conferisce alla cellulosa una struttura cristallina molto compatta che la rende resistente agli attacchi degli agenti biologici. Questa organizzazione spaziale conferisce una grande resistenza alla cellulosa che svolge un ruolo meccanico di tessuto di sostegno nelle piante. I principali biopolimeri derivati da cellulosa presenti sul mercato sono il cellophane (Fig. 8), un tipo di cellulosa rigenerata usata come film principalmente nei laboratori biologici e chimici, l’acetato di cellulosa, un derivato dell’estere adatto a stampaggio ed in fine il viscose/rayon e Lyocell, un tipo di cellulosa rigenerata. I polimeri cellulosici però a causa del loro prezzo relativamente elevato se confrontato ai polimeri di origine sintetica, che a poco a poco li hanno sostituiti anche per le maggiori prestazioni, sono stati relegati oggi ad applicazioni di nicchia.
Infine merita di essere citato il biopolietilene che può essere considerato una categoria ibrida di biopolimero. Esso infatti condivide proprietà sia con la categoria delle bioplastiche che con quella delle plastiche di origine petrolchimica. Il biopolietilene è prodotto da fonti rinnovabili quale l’etanolo, ma possiede caratteristiche fisico chimiche identiche al polietilene classico, ivi compresa la non biodegradabilità. Il Biopolietilene veniva prodotto da etanolo in via sperimentale già negli anni settanta ma agli inizi degli anni novanta a causa della diminuzione del prezzo del petrolio la produzione di polietilene da bioetanolo venne nuovamente sostituita con polietilene prodotto da risorse fossili. Negli ultimi anni visti i crescenti aumenti dei prodotti petroliferi la produzione di bio-polietilene è tornata attraente per le grosse aziende e, nel 2007, due grandi gruppi brasiliani
hanno annunciato la produzione di biopolietilene su larga scala.

Fig. 4 - Ife fungine

Fig. 9 – Ife fungine

Accanto alle principali bioplastiche derivate tutte da polisaccaridi di origine vegetale oggi si stanno sviluppando nuovi materiali utilizzati per lo più per imballaggi che uniscono a sottoprodotti agricoli, come ad esempio scarti di cotone, micelio fungino. Quest’ultimo rappresenta il corpo dei funghi ed è costituito da lunghe ife che in natura formano lunghi reticoli sotterranei col compito di captare nutrienti (Figura 9). Le ife fungine hanno il ruolo di dare consistenza e al tempo stesso tenuta a questi nuovi materiali creando come delle reti contenitive. Questo nuovo tipo di materiale è stato immesso sul mercato col nome di EcoCradle ® da due giovani brillanti imprenditori americani che hanno saputo mettere a frutto le loro competenze acquisite in anni di studio in questo ambito. Questi tipi di materiali vengono fabbricati con ridottissimi consumi energetici ed emissioni di biossido di carbonio rispetto al materiale tradizionale per imballaggi e soprattutto sono completamente biodegradabili.

 

APPLICAZIONI SPERIMENTALI DELLE BIOPLASTICHE IN CAMPO AMBIENTALE

In questi anni sono stati raggiunti molti successi applicativi nel settore agricolo, dove prodotti in bioplastica sono commercializzati per esempio come supporti per il lento rilascio di feromoni e teli per pacciamatura che possono essere interrati dopo l’uso con una semplice fresatura, abbattendo quindi i costi di rimozione del telo e quello successivo di smaltimento dopo il suo utilizzo (considerato rifiuto pericoloso a causa della presenza di residui di fertilizzanti e fitofarmaci). Un valore aggiunto di questi prodotti è inoltre l’azione fertilizzante in seguito alla naturale decomposizione della bioplastica.

Moving bed biofilm carriers (MBBC): vasche di depurazione e moduli in bioplastica

Fig. 10 – Moving bed biofilm carriers (MBBC): vasche di depurazione e moduli in bioplastica

Recentemente le bioplastiche stanno trovando un nuovo bacino di utilizzo, quello ambientale.
Da diversi anni nell’ambito del trattamento delle acque reflue vengono utilizzati supporti in bioplastica (Moving bed biofilm carriers, MBBC) (Fig. 10) per la rimozione dagli effluenti da depurare di sostanze pericolose per l’equilibrio degli ecosistemi naturali. Un recente studio italiano ha messo a punto una nuova applicazione di questa tecnologia per la rimozione di xenobiotici da acque reflue utilizzando supporti realizzati con diversi tipi di biopolimeri. Inoltre è stato dimostrato che l’efficienza del trattamento con questo tipo di supporto è notevolmente incrementata inoculando in esso ceppi batterici capaci di degradare le sostanze in questione. Le bioplastiche possono essere prodotte da rifiuti di tipo organico e questo aspetto è da ricondurre ad una applicazione nell’ambito del risanamento ambientale. Infatti ciò non solo consente di abbattere i costi di produzione ma soprattutto di monetizzare lo smaltimento di rifiuti che altrimenti rappresenterebbe un costo in termini economici ed ambientale. Inoltre non ci sarebbe concorrenza con le materie prime utilizzate come fonte di cibo (mais e altre colture alimentari) e soprattutto la produzione dei biopolimeri in loco (cioè all’interno dell’impianto di smaltimento e/o depurazione) consentirebbe un abbattimento dei costi di trasporto e di produzione di anidride carbonica. In tal senso si stanno muovendo molti gruppi di ricerca nel mondo che stanno focalizzando i loro studi sulla produzione di specifici biopolimeri da particolari rifiuti particolarmente dannosi per l’ambiente. Un esempio è la potenziale produzione di PHA, un materiale termoplastico biodegradabile, a partire dagli effluenti di scarto che si formano durante la produzione dell’olio di palma. Questo tipo di refluo infatti, per il suo elevato carico organico, non può essere disperso nell’ambiente tal quale ma necessita di accurati trattamenti e ciò rappresenta un oneroso problema in tutti quei paesi del mondo in cui la produzione di olio di palma è una voce importante della produzione industriale. Gli acidi organici prodotti durante il trattamento iniziale di digestione anaerobica del refluo, possono essere utilizzati come potenziale fonte di carbonio per la sintesi di PHA per via microbiologica.

Fig. 6 - Prateria di Posidonia oceanica

Fig. 11 – Prateria di Posidonia oceanica

Nuove applicazioni sono in corso di realizzazione nel settore del risanamento ambientale della fascia costiera, dove alcune bioplastiche possono essere utilizzate come supporto per favorire l’attecchimento di fanerogame marine.
L’idea di un gruppo di ricerca italiano parte dall’applicazione di tecniche di biorisanamento, attraverso il ripristino degli habitat in ambiente marino costiero e tra essi di quelli di particolare pregio ambientale, quali le praterie di fanerogame marine. Tali ecosistemi infatti rappresentano il sistema ambientale più importante e produttivo nell’ambiente marino costiero, valutato circa 19,000$ per ettaro all’anno, un valore in media 25 volte più alto di quello dell’ambiente oceanico e di quello terrestre, 3 volte quello delle barriere coralline e 10 volte quello delle foreste tropicali. In particolare l’ecosistema rappresentato dalla fanerogama marina Posidonia oceanica (Fig. 11) si caratterizza, in condizioni di equilibrio, per l’elevato grado di stabilità, il lento ritmo di accrescimento vegetativo ed il ridotto apporto della riproduzione sessuata. Questi elementi limitano fortemente le capacità di ricolonizzazione di fondali non più sottoposti ad impatto antropico. È stato, infatti, stimato che, in condizioni naturali, il ripristino di una prateria degradata si realizza nell’ordine delle centinaia o anche delle migliaia di anni. In tali condizioni la regressione delle praterie diventa un fatto praticamente irreversibile, a meno di favorire, attraverso appropriate metodologie e tecniche di riforestazione, un’accelerazione del processo di ricolonizzazione.
Attualmente, il materiale utilizzabile per il trapianto è rappresentato da zolle, talee o semi prelevati da popolazioni naturali, con sistemi di fissaggio al fondale quali mattonelle, tutori metallici e griglie. L’idea sviluppata da un gruppo di ricerca italiano prevede, invece, l’utilizzo di un prodotto innovativo, già brevettato, che consiste in un sistema realizzato in bioplastica per il fissaggio in forma rapida ed efficace di talee di P. oceanica sul fondo marino, allo scopo di garantire l’attecchimento e la crescita della pianta e di agevolare la dinamica naturale di sviluppo della prateria (Fig 12). Tale sistema permette quindi di rinaturare fondali degradati che presentano le caratteristiche tali da poter accogliere un impianto di riforestazione, in maniera rapida ed efficace, con un notevole abbattimento dei costi di impianto. Inoltre l’utilizzo di materiale totalmente biodegradabile in tempi compatibili con il radicamento e l’affissione al terreno delle piante, consente di non lasciare alcun residuo sul fondale in quanto grazie alle caratteristiche di biodegradabilità tali sistemi entrano a fare parte della catena del detrito.

Supporto in bioplastica (brevetto biosurvey s.r.l) per l’impianto di rizomi di Posidonia oceanica nelle operazioni di riforestazione.

Fig. 12 – Supporto in bioplastica (brevetto biosurvey srl / idea srl) per l’impianto di rizomi di Posidonia oceanica nelle operazioni di riforestazione. Immagine pubblicata per gentile concessione dei proprietari.

 

Una risposta a Le nuove frontiere applicative delle bioplastiche: dalla nostra tavola al risanamento ambientale

  • felicia tanzi scrive:

    Molto interessante. Vorrei sapere se dopo il brevetto si è proceduto alla commercializzazione ed utilizzo. Se si con quali risultati.
    Grazie
    Felicia Tanzi

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