Un impianto tutto italiano per la bioconversione dei fanghi di depurazione in bioplastiche

Schema di processo B-PLAS

Conversione batterica di fanghi in poliidrossialcanoati: la produzione di bioplastiche

Fanghi di depurazione: rifiuto o risorsa?

Secondo Eurostat 2017, quasi il 40% dell’energia chimica degli alimenti finisce nei rifiuti o nelle acque reflue. I prodotti organici delle acque reflue sono concentrati attraverso impianti di trattamento aerobico delle acque reflue che generano bio-solidi, ossia fanghi di depurazione. Secondo i dati della Commissione Europea, la quantità di fanghi di depurazione prodotta annualmente nell’UE passerà da 10 milioni di tonnellate del 2008 a 13 milioni di tonnellate nel 2020.

Negli ultimi anni, con il miglioramento del trattamento delle acque reflue, la produzione di fanghi è notevolmente aumentata. I nuovi regolamenti europei hanno vietato lo smaltimento di questi fanghi mediante sversamento nei mari e negli oceani, favorendo un loro riutilizzo nel trattamento del suolo.

Attualmente, i fanghi vengono smaltiti attraverso l’applicazione su terreni (56%), l’incenerimento (27%) o il conferimento in discarica (17%), con conseguenti emissioni di gas serra, rischio biologico e costi di smaltimento variabili tra 5 e 120 € per tonnellata umida.

Oggi più che mai, c’è la necessità di ridurre la produzione dei fanghi mediante un uso più efficiente delle risorse alimentari e, allo stesso tempo, aumentare lo sfruttamento del loro contenuto chimico ed energetico, convertendo i fanghi da rifiuti costosi a materia prima in un’ottica di economia circolare ed integrata.

La sfida delle bioplastiche

Attualmente le soluzioni commerciali esistenti non possono trattare tutti i tipi di fanghi e soffrono di costi fissi relativamente elevati che sono scarsamente mitigati dal valore relativamente basso del prodotto finale. D’altra parte, vi è una forte domanda di materiali biodegradabili rinnovabili, come ad esempio le bioplastiche, per ridurre il consumo di risorse fossili e l’inquinamento dei rifiuti di plastica.

La produzione mondiale di plastica cresce ogni anno e supera ad oggi le 400 Mton/a. Circa il 6% della plastica prodotta finisce nell’ambiente naturale e negli oceani dove attualmente galleggiano oltre 269 milioni di tonnellate di plastica!

Per arrestare l’accumulo di plastica nell’ambiente è fondamentale migliorare la gestione dei rifiuti, al fine di rimuovere la plastica dall’ambiente e passare ad un’alternativa intrinsecamente sicura: la plastica biodegradabile!

Le materie plastiche biodegradabili hanno le stesse proprietà di quelle convenzionali ma possono offrire l’ulteriore vantaggio di non creare sprechi e ridurre l’impronta di carbonio quando sono a base biologica.

Tuttavia, la plastica tradizionale di origine fossile non biodegradabile è economica (<2 €/kg) mentre finora la plastica biodegradabile costa fino a 6 €/kg. Pertanto, il costo del passaggio a questo nuovo materiale può essere inaccettabile per i paesi poveri. E sono proprio questi paesi i punti caldi del rilascio incontrollato di rifiuti di plastica e qualsiasi cambiamento che non dovesse coinvolgerli sarà semplicemente inefficace per l’obiettivo globale di lotta all’inquinamento ambientale a ai cambiamenti climatici.

I poliidrossialcanoati (PHA)

I poliidrossialcanoati (PHA) sono polimeri poliesteri 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.

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. 1). 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.

Granuli di PHA in cellule batteriche

Figura 1 – 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 €/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. 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 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.

La soluzione innovativa italiana

Per sostenere una crescita economica sostenibile, basata su materiali e fonti energetiche rinnovabili e a basso impatto ambientale, le materie plastiche biodegradabili devono diventare più economiche e devono essere utilizzate ovunque!

La soluzione per ottenere materie plastiche biodegradabili più economiche e allo stesso tempo ridurre lo smaltimento dei fanghi di depurazione consiste nell’utilizzare i fanghi come materia prima priva di valore, che non rappresenta un costo per l’impresa, e sviluppare processi di produzione robusti, economicamente sostenibili e sicuri.

In Italia questa idea di processo è stata realizzata per la prima volta su scala pilota da alcuni ricercatori dell’Università di Bologna, in collaborazione con Caviro Extra e altri partner internazionali, che hanno realizzato l’impianto Bio-PLAstic from Sludge (B-PLAS) (Fig. 2).

Impianto B-PLAS

Figura 2 – Fotografia dell’impianto dimostrativo B-PLAS.

Il progetto B-PLAS mira a realizzare un impianto completamente automatizzato che consenta di convertire rifiuti alimentari, fanghi di scarto e altri residui organici in PHA (Fig. 3).

Pellet di PHA: bioplastiche dai rifiuti

Figura 3 – Pellet di poliidrossialcanoati prodotti dall’impianto B-PLAS.

Tale processo innovativo si base su cinque step principali (Fig. 4):

  1. Pretrattamento idrotermale delle acque reflue;
  2. Digestione anaerobica della componente organica delle acque reflue;
  3. Sistema innovativo di estrazione selettiva degli acidi organici volatili;
  4. Fermentazione batterica del digestato per la produzione dei PHA;
  5. Estrazione green e sostenibile dei PHA dalle cellule batteriche.
Schema del processo B-PLAS: conversione da fanghi a bioplastiche

Figura 4 – Schema di processo B-PLAS per conversione dei fanghi di depurazione in biopolimeri a base di PHA.

In un periodo storico in cui il modello economico lineare “take-make-dispose” non è più socialmente ed ambientalmente sostenibile, il nuovo modello di economia circolare rappresenta l’unica alternativa possibile. In questo contesto, processi produttivi come quello messo a punto dai ricercatori di Bologna fungono da traino e da dimostrazione di fattibilità tecnico-economica per la transizione dalle fonti fossili alle fonti rinnovabili.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Bibliografia

  • Samorì, C., Kiwan, A., Torri, C., Conti, R., Galletti, P., & Tagliavini, E. (2019). Polyhydroxyalkanoates and crotonic acid from anaerobically-digested sewage sludge. ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
  • Ortelli, S., Costa, A. L., Torri, C., Samorì, C., Galletti, P., Vineis, C., & Bianchi, G. (2019). Innovative and sustainable production of biopolymers. In Factories of the Future (pp. 131-148). Springer, Cham.

Crediti immagini

Informazioni su Nicola Di Fidio 54 Articoli
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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