Bioplastiche del futuro grazie ai poliidrossialcanoati

I poliidrossialcanoati (PHA) sono polimeri poliesteri (Fig. 1) termoplastici completamente biodegradabili che possono essere prodotti per via biologica a partire da fonti rinnovabili, contrariamente alla maggior parte dei materiali termoplastici diffusi oggi sul mercato, che sono ricavati da petrolio e di solito recalcitranti alla biodegradazione.

Figura 1 – Struttura chimica dei poliidrossialcanoati.

La grande variabilità delle catene laterali (-R) e dei monomeri conferisce ai poliidrossialcanoati altrettanta variabilità di caratteristiche fisiche, con punti di fusione che vanno da 40 a 180°C. Ne deriva che alcuni PHA sono polimeri termoplastici, come ad esempio il poliidrossibutirrato, mentre altri sono gomme o elastomeri, come ad esempio il poliidrossiottanoato.

I PHA sono dei prodotti intracellulari di diverse specie batteriche appartenenti principalmente ai generi Bacillus, Rhodococcus, Ralstonia e Pseudomonas e sono ottenuti per via fermentativa utilizzando come substrato zuccheri o lipidi. Queste macromolecole lineari, in particolari condizioni di coltura, quale l’assenza di determinati nutrienti come azoto, fosforo e zolfo, vengono accumulate dai batteri come fonte carboniosa di riserva, sotto forma di granuli (Fig. 2). I granuli possono raggiungere elevate concentrazioni, fino anche al 90% del peso secco della massa batterica. La composizione dei poliidrossialcanoati è molto varia e dipende dal tipo di batteri da cui sono sintetizzati nonché dalla matrice di coltura.

Figura 2 – Fotografia al microscopio elettronico di una cellula del batterio Alcaligenes latus con in evidenza i granuli intracellulari di poliidrossialcanoati.

Questi materiali sono biodegradabili e sono usati nella produzione di bioplastiche. Infatti, le proprietà meccaniche e la biocompatibilità dei PHA può anche essere modificata fondendoli, modificandone la superficie o combinandoli con altri polimeri, enzimi e materiali inorganici. Secondo la definizione fornita dalla European Bioplastics, una bioplastica è un tipo di plastica che deriva da materie prime rinnovabili oppure è biodegradabile (o ha entrambe le proprietà) ed è inoltre riciclabile.

Il prezzo attuale del PHA commerciale, a partire da 5.0 €/Kg, è strettamente correlato alla via di produzione industriale che ad oggi si basa su colture pure di ceppi alto-produttori e sull’utilizzo di zuccheri (es. glucosio) come fonte di carbonio. Tuttavia, tali valori non sono ancora competitivi rispetto al prezzo di mercato dei polimeri convenzionali (<1,0 €/Kg). L’aspetto economico è pertanto cruciale per la successiva possibilità di commercializzazione di tali materiali e strategie alternative sono state dapprima sviluppate su scala laboratorio (Fig. 3) ed hanno oggi portato all’implementazione dei primi prototipi su scala pilota. Tali strategie innovative consistono nella coltivazione di colture microbiche miste e l’utilizzo di reflui organici a basso costo (o a costo zero) come substrati per l’alimentazione in sostituzione di quelli sintetici. Inoltre, gli stadi finali di estrazione del PHA dalle cellule e la sua eventuale purificazione (downstream processing) sono anch’essi di fondamentale importanza per l’economia del processo, poiché influenzano fortemente la qualità del polimero ottenuto, le sue possibilità di applicazione e, di conseguenza, il suo valore di mercato.

Figura 3 – Esempio di unità di processo installate ed operative per la produzione di PHA (dalla coltivazione della biomassa alla fase finale estrattiva del prodotto).

Un approccio innovativo studiato negli ultimi anni consiste nella produzione di PHA mediante l’uso di colture microbiche miste (MMC) arricchite a partire da fanghi attivati per la depurazione delle acque reflue. Attualmente, a livello industriale i PHA sono prodotti impiegando colture pure di microrganismi selezionati (es. Cupravidus necator, Pseudomonas oleovorans, Protomonas extorquens, Alcaligenes latus o Escherichia coli ricombinante) e substrati ad elevato costo (es. glucosio) in mezzi di coltura non bilanciati per la crescita cellulare (es. carenti di azoto). Ciò comporta un elevato costo di produzione, non competitivo con quello di materie plastiche non biodegradabili e sintetizzate da fonti non rinnovabili (petrolio), che rappresenta il principale limite alla diffusione su larga scala dei PHA.

Il processo comprende uno stadio di fermentazione acidogenica degli scarti organici per produrre una miscela ricca in acidi grassi volatili (VFA), precursori dei PHA, utilizzata per alimentare i successivi stadi aerobici. Questi includono un reattore sequenziale ad alimentazione intermittente (SBR) finalizzato alla selezione ed arricchimento nei fanghi attivati di microrganismi ad alta risposta di stoccaggio mediante condizioni di “stress” dinamico, ed un reattore batch per l’accumulo di PHA con il consorzio microbico arricchito.

In Italia, un’azienda biotech leader nella produzione su scala industriale di PHA è la Bio-on, che ha inaugurato nel 2018 un impianto a Castel San Pietro Terme, in provincia di Bologna, destinato alla produzione di bioplastiche biodegradabili e microcapsule di PHA per applicazioni nel settore cosmetico.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Bibliografia

  • Rapporto INAIL 2017, Dipartimento innovazioni tecnologiche e sicurezza degli impianti, prodotti e insediamenti antropici. Bioprocessi innovativi per la valorizzazione di rifiuti organici: Salute e sicurezza nelle biotecnologie industriali Progetto Inail BRIC 2015.
  • Zulfiqar Ali Raza, Shahina Riaz, Ibrahim M. Banat. Polyhydroxyalkanoates: Properties and chemical modification approaches for their functionalization. Biotechnology Progress, 2018, Vol. 34, No. 1. DOI: https://doi.org/10.1002/btpr.2565.

Crediti immagini

  • http://treuominieunavanga.blogspot.com/2013/04/le-bioplastiche.html
  • Zulfiqar Ali Raza, Shahina Riaz, Ibrahim M. Banat. Polyhydroxyalkanoates: Properties and chemical modification approaches for their functionalization. Biotechnology Progress, 2018, Vol. 34, No. 1. DOI: https://doi.org/10.1002/btpr.2565.
  • http://biomer.de/ProductionE.html
  • Rapporto INAIL 2017, Dipartimento innovazioni tecnologiche e sicurezza degli impianti, prodotti e insediamenti antropici. Bioprocessi innovativi per la valorizzazione di rifiuti organici: Salute e sicurezza nelle biotecnologie industriali Progetto Inail BRIC 2015.

Nicola Di Fidio, Ph.D. student
Department of Chemistry and Industrial Chemistry – University of Pisa
Via G. Moruzzi 13 – 56124 Pisa
MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies
Mob: +39 3299740251
Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com
Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

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