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Ricavare biopolimeri da sostanze vegetali di scarto e da fonti rinnovabili (biomasse)

Chimica verde: i polimeri da biomasse

Le biomasse e i 12 principi della chimica verde

Gli ultimi cinque decenni sono stati un periodo di trasformazioni senza precedenti che hanno coinvolto stili di vita in tutto il mondo. Molti dei cambiamenti chiave nella società sono il risultato dei numerosi progressi della scienza e della tecnologia. Questi sviluppi tecnologici e sociali interagiscono tra di loro e si sommano con conseguenze spesso indesiderabili dal punto di vista del consumo energetico, del degrado ecologico e ambientale.

Nel campo dell’industria chimica la sfida strategica per il ventunesimo secolo è la necessità di sviluppare materie prime rinnovabili in sostituzione di quelle provenienti dal petrolio. In questo contesto, l'utilizzo della biomassa vegetale può essere considerato come alternativo all'uso di materie prime più inquinanti. E può diventare anche un valore economico importante per le filiere agroindustriali.

Negli anni '90 è emersa la chimica verde (Green Chemistry) basata su 12 principi, una nuova filosofia che ha una visione olistica dei processi produttivi dell’industria chimica. Il movimento ha coinvolto sia il mondo accademico che quello industriale che volevano rompere i vecchi paradigmi della chimica come generatrice di grandi quantità di rifiuti e dall'uso intensivo di prodotti petrolchimici.

La biomassa vegetale, e in generale l'uso di materie prime rinnovabili, offre una grande opportunità strategica per molti segmenti di produzione dell’industria.

Le biomasse

Una vasta gamma di sostanze chimiche, in particolare quelle organiche come acidi, esteri, alcoli, zuccheri o fenoli, possono essere estratti da biomasse vegetali. Si possono classificare sostanzialmente quattro tipologie di biomasse di grande interesse economico:

  • oleaginose, principalmente da soia e olio di palma
  • zuccherine, saccaridi da canna da zucchero e sorgo
  • amidacee, dal mais
  • lignocellulosiche, come paglia e legno.

L’eterogeneità e la conseguente complessità chimica della biomassa vegetale impone a sua volta processi innovativi per rendere l’intera filiera e i prodotti finali davvero sostenibili, così come indicato nei 12 principi per un’industria chimica verde.

I 12 principi fondamentali della chimica verde

Il concetto di chimica verde vede la luce nel 1998, quando Paul Anastas e John Warner pubblicano il libro Green Chemistry: Theory and Practice. Qui i due chimici definiscono per la prima volta i concetti e i metodi fondamentali.

  1. Prevenzione: è meglio prevenire a monte la produzione di rifiuti e scarti, piuttosto che trattarli e bonificarli una volta creati.
  2. Economia atomica: le reazioni chimiche di sintesi devono essere progettate cercando di massimizzare l’incorporazione di tutti gli atomi dei reagenti iniziali nei prodotti finali.
  3. Sintesi chimiche meno pericolose: dove possibile, i metodi di sintesi devono essere progettati utilizzando e generando sostanze poco o per nulla tossiche per l’uomo e l’ambiente.
  4. Progettazione di prodotti chimici più sicuri: si deve cercare di progettare prodotti chimici funzionali al loro utilizzo, minimizzando la tossicità.
  5. Solventi e additivi più sicuri: l’uso di solventi e agenti di separazione deve essere evitato o limitato il più possibile. Se usati, devono essere innocui.
  6. Efficienza energetica: la richiesta energetica per i processi chimici deve essere valutata e minimizzata tenendo conto del suo impatto ambientale ed economico.
  7. Utilizzo di materie prime rinnovabili: per quanto fattibile dal punto di vista tecnico ed economico le materie prime devono essere rinnovabili.
  8. Ridurre i derivati: si deve minimizzare o eliminare la produzione di derivati non necessari e non produrre scarti o ridurre i passaggi sintetici per arrivare al prodotto.
  9. Catalisi: i catalizzatori possono facilitare una reazione in diversi modi, per esempio accelerandola o incrementandone la resa.
  10. Degradazione: i prodotti chimici che si progettano devono potersi decomporre facilmente alla fine del loro ciclo di vita, in modo da non persistere nell’ambiente.
  11. Analisi in tempo reale per prevenire l’inquinamentoprevenire la formazione di sostanze pericolose con metodologie di monitoraggio e controllo durante un processo.
  12. Sicurezza: si devono scegliere sostanze e formulazioni che permettano di minimizzare il rischio di incidenti. Mettere al primo posto sicurezza dei lavoratori e la salute delle persone che utilizzano i prodotti.

Questi concetti sono accolti soprattutto nei paesi con un'industria chimica ben sviluppata e con controlli rigorosi sull'emissione di inquinanti. Progetti sperimentali stanno dando vita a produzioni industriali che sostituiscono quelle più inquinanti e dannose.

Applicazioni della biomassa per la produzione di prodotti chimici

La biomassa risponde in pieno al settimo principio sull’uso di materie prime rinnovabili. Un ulteriore passo verso la sostenibilità e l’economia circolare è il recupero delle frazioni organiche di scarto che non sottraggono colture per l’alimentazione umana o animale. I rifiuti sono la conseguenza visibile di un sistema produttivo e di consumo che non funziona e che sta arrecando gravi danni all’ecosistema del pianeta. Solo l’Unione Europea produce oltre 100 milioni di tonnellate di rifiuti organici e questi vengono inceneriti o interrati. Il recupero evita l’immissione nell’aria di CO2 o i dannosi percolati che inquinano falde e suolo.

Per percorrere questa strada, Covestro aderisce e promuove progetti sperimentali per trovare nuove strade di sostenibilità.

I rifiuti urbani organici

Dal 2017 Covestro partecipa al progetto PERCAL finanziato dall’UE. Il progetto intende sfruttare la frazione organica dei rifiuti urbani per estrarre preziosi prodotti chimici adatti a essere usati nelle filiere produttive.

Sono stati individuati tre percorsi

  1. produrre acido lattico per solventi ecologici di lattato di etile mediante distillazione reattiva da acido lattico e bioetanolo. Questo può essere usato in prodotti per la pulizia, inchiostri e adesivi hot-melt per cartone.
  2. ricavare acido succinico da usare come nella produzione di polioli per il poliuretano dei prodotti da imbottiture.
  3. ottenere biosurfattanti tramite la modificazione chimica e/o microbiologica della frazione proteica e lipidica che resta dal processo di fermentazione dei rifiuti urbani. I tensioattivi possono essere usati in prodotti per la pulizia.

Gli scarti cellulosici

Nel nono principio della Green Chemistry si stabilisce la necessità di ricercare nuovi catalizzatori per rendere più efficienti i processi. Infatti gli enzimi ossidativi non hanno ancora registrato una svolta completa nelle industrie biobased e c’è ancora spazio per migliorare la sostenibilità economica e ambientale delle bioraffinerie. Per questo è nato il progetto SMARTBOX, finanziato dall’UE, che vede coinvolte realtà produttive come Covestro ed enti accademici di ricerca. Il progetto punta a sviluppare una piattaforma di ingegneria computazionale specifica per gli enzimi ossidativi e implementata dall’intelligenza artificiale.
Attraverso l'utilizzo di materie prime rinnovabili di provenienti dallo scarto di lavorazioni come lignina, cellulosa o resti di legno, Covestro e i partner stanno lavorando per ottenere dalla biomassa un nuovo elemento costitutivo per la produzione di policarbonati plastici ad alte prestazioni.

Gli scarti del legno

Un terzo progetto denominato BioCatPolymers vede coinvolti soggetti produttivi come Covestro e diversi Stati Europei. L'obiettivo è trovare un percorso tecnologico sostenibile ed efficiente per convertire la biomassa residua della lavorazione del legno in biopolimeri ad alto valore aggiunto. La tecnologia si basa su un processo bio-termochimico ibrido integrato. La fase biologica consiste nella conversione efficiente degli zuccheri derivati dalla biomassa in mevalonolattone (MVL). Il MVL può quindi essere convertito in bio-monomeri tramite processi chemocatalitici altamente selettivi. L’intero processo mira alla produzione efficiente ed economica di isoprene e 3-metil 1,5-pentandiolo (3MPD), due monomeri che hanno mercati molto ampi che possono essere usati nella produzione di elastomeri e poliuretani che attualmente sono a base fossile.
Si è calcolato che una produzione a regime del bio-isoprene avrà una riduzione dei costi del 50% mentre si arriva al 70% per il 3MPD, aumentando così la competitività dei processi biologici in termini di economia.

Economia circolare e biomasse

L'ecologia industriale, la chimica verde e l’uso delle biomasse, sono strettamente correlati al miglioramento degli aspetti ambientali dei processi di produzione e alla promozione della loro sostenibilità. Sono passati 100 anni da quando, nel 1920, Hermann Staudinger ha scoperto i primi polimeri, che poi sono entrati prepotentemente nella vita quotidiana. Da allora molti passi sono ancora da compiere sul piano di nuove scoperte e di nuove sfide.

Una di queste è lavorare su processi innovativi ed economicamente sostenibili. Solo un’attitudine #pushingboundaries può tracciare strade sulla via dell’economia circolare che sappia coniugare crescita, benessere e ambiente.

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