Biopolimeri

Università della Calabria

Dipartimento di Ingegneria Informatica, Modellistica, Elettronica e Sistemistica

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica

Tesina di scienza e tecnologia dei materiali polimerici

"Biopolimeri" - Laura Allevato

Anno Accademico 2018/2019

Introduzione

Nella vita quotidiana la plastica è un materiale ampiamente utilizzato ed importante. Il suo uso è diffuso in vari settori, come imballaggi alimentari, abbigliamento, materiale elettrico, trasporti, edilizia, assistenza sanitaria e industrie di ogni genere. È prodotta dal settore petrolchimico, utilizzando come materia prima un sottoprodotto del processo di lavorazione del petrolio greggio. Difficilmente intaccabile da agenti naturali, quando viene dispersa nell'ambiente, non è riassorbita; può resistere anche per molti anni, danneggiando la capacità di assorbimento naturale dell'ambiente e provocando serie conseguenze alla biosfera e all'ecosistema naturale.

Lo svilupparsi di un'ampia e diffusa coscienza ambientale sta stimolando una crescente domanda di materie plastiche ecologiche, o meglio plastiche a base biologica. Queste sono prodotte da risorse rinnovabili e plastiche che si degradano nell'ambiente, con il chiaro intento di tendere a una società il più sostenibile possibile e di risolvere l’ingombrante gestione dei rifiuti.

La bioplastica è, dunque, una plastica prodotta con materiale organico e senza utilizzare derivati del petrolio. Del tutto simile alla plastica sintetica tradizionale, sia per leggerezza che per resistenza essendo prodotta da materie prime di origine naturale (come frumento, mais, barbabietola), è biodegradabile al 100%. Può essere riassorbita dal terreno o nell'atmosfera in tempi molto più rapidi e con un minore impatto ambientale. Generalmente si dissolve nell'ambiente in 4-5 anni, a seconda della sua composizione chimica, senza lasciare sostanze residue inquinanti.

L’interesse iniziale verso questi materiali era rivolto a prodotti monouso che generano grandi quantità di rifiuti destinati alle discariche o ad abbandono “selvaggio” (littering). Di essenziale centralità sono quindi le proprietà di biodegradazione, essendo comunque opportuno precisare che molti biopolimeri non sono necessariamente biodegradabili, mentre tali lo sono diversi polimeri di origine petrolchimica mediante l’uso di additivi.

Plastica ecologica

Le materie plastiche biodegradabili sono state studiate, per la prima volta, come materiali capaci di contribuire alla salvaguardia e alla conservazione dell'ambiente. La definizione di plastica biodegradabile è stata poi standardizzata come ISO/TC61/SC5/ WG22. Le plastiche biodegradabili ideali sono definite come materiali dotati della capacità di essere degradati in sostanze più semplici mediante l’attività enzimatica di microorganismi. Se questo processo biologico è completo, si ha quindi una totale conversione delle sostanze organiche di partenza in molecole inorganiche semplici quali acqua, anidride carbonica e metano.

Di conseguenza non importa se le risorse utilizzate siano rinnovabili o non, oppure se vengano prodotte a partire da biomasse, poiché vengono definite ecologiche dal punto di vista della biodegradabilità. Le materie plastiche biologiche sono definite come materiali prodotti da risorse rinnovabili di carbonio. I componenti estratti dalla biomassa vegetale e dal legno, come l'amido, la cellulosa, l'emicellulosa, la lignina o l'olio vegetale, che sono prodotti dalla fotosintesi del diossido di carbonio atmosferico, vengono utilizzati come risorse di carbonio rinnovabili.

Quando le materie plastiche biologiche vengono bruciate dopo l'uso, sono considerate materiali eco-compatibili, basati sul concetto di "neutralità del carbonio”. L’anidride carbonica generata viene nuovamente convertita in biomassa mediante la fotosintesi. In questo caso è assolutamente ininfluente se le materie plastiche a base biologica siano biodegradabili o meno. Nonostante le caratteristiche dei materiali siano differenti, le plastiche biodegradabili e le materie plastiche a base biologica sono spesso confuse l'una con l'altra come plastiche ecocompatibili. Le materie plastiche biodegradabili sono state sviluppate dal punto di vista della biodegradabilità, mentre per le materie plastiche a base biologica, la biomassa è utilizzata come materia prima al posto del petrolio.

Classificazione delle materie plastiche ecocompatibili

Le materie plastiche possono essere classificate in quattro categorie, considerando le materie prime e la loro biodegradabilità.

• Plastiche non biodegradabili a base di olio (bioframmentabili): come il polietilene (PE), il polipropilene (PP) e il polietilentereftalato (PET), che hanno contribuito allo sviluppo della società umana di oggi.
• Plastiche biodegradabili a base di oli: polie-caprolattone (PCL), polibutilenesuccinato/adipato (PBS/A) e polibutileneadipato-co-tereftalato (PBA/T). Questi polimeri sono caratterizzati da legami esteri, che possono essere degradati da alcuni enzimi secreti dai microrganismi e sono quindi classificati come plastiche biodegradabili a base di olio.
• Biopolimeri: provenienti esclusivamente da organismi viventi o sintetizzati da fonti rinnovabili. Hanno però come svantaggio la loro idrofilia, un rapido deterioramento e insoddisfacenti proprietà meccaniche in ambienti umidi.
• Plastiche non biodegradabili a base organica: i derivati di polisaccaridi con un alto grado di sostituzione (DS), ad esempio acetato di cellulosa, che viene utilizzato in film e filtri, non sono biodegradati nell'ambiente. Il bio-PE, inoltre, non è biodegradabile, anche se è sintetizzato dal bio-etanolo, prodotto dalla fermentazione del glucosio. Recentemente, il bio-PET è stato anche prodotto dalla biomassa usando glicole etilenico a base biologica. Il contenuto di biomassa nel bio-PET ammonta a circa il 30%. Il Bio-PET non è comunque biodegradabile. Questo fa concludere che le materie plastiche a base biologica non sono necessariamente anche biodegradabili.

La prima categoria in realtà, con l’opportuna aggiunta di additivi pro-degradanti, può essere considerata come bioframmentabile. Si tratta infatti di un processo di frammentazione piuttosto che di biodegradazione. La percentuale di additivo è variabile a seconda della sua tipologia e dell’applicazione finale al quale il polimero vuole essere destinato, ma generalmente è inferiore al 5%. Questi additivi sono basati su catalizzatori chimici contenenti materiali metallici (cobalto, manganese, ferro) o materiali organici che consentono al polimero la frammentazione mediante ossidazione chimica (come irradiazione ultravioletta, esposizione al calore, biodegradazione dell’additivo di origine organica). L’effetto principale dell’ossidazione è la frammentazione in piccole particelle che rimangono in ambiente per un tempo indefinito. Quelle idrofobiche poi, potrebbero migrare in acqua o in altri ecosistemi alterandoli e inquinandoli.

Le plastiche a base organica, o meglio i polimeri naturali, possono a loro volta essere divisi in: polisaccaridi, proteine, polimeri di origine batterica (biopoliesteri) e trigliceridi (che possono essere utilizzati anche come biopolimeri).

• Polisaccaridi: derivano da tre fonti principali, l’amido, la cellulosa e la chitina; mentre una quarta fonte come gli alginati non viene ancora sfruttata a pieno.
• L’amido: è poco costoso, facile fa reperire e rinnovabile. È il polisaccaride delle risorse botaniche ed è ottenuto da mais, patate, grano e riso. Quello solubile in acqua è inoltre difficile da lavorare e si presenta come fragile.
• La cellulosa: è il polisaccaride strutturale del legno e della paglia di mais, la sua struttura è di tipo semi-cristallino ed ha un costo abbastanza economico.
• Chitina e chitosano: sono due componenti principali di crostacei, molluschi e pareti cellulari di alcune specie di funghi. Vengono utilizzati prevalentemente in ambito biomedico.
• Gli alginati: vengono prodotti a partire da una famiglia di alghe brune e sono insolubili in acqua.

Le proteine sono sequenze regolari di amminoacidi. La maggior parte di esse vengono utilizzate nel loro stato naturale, come nel caso di lana e seta. Lo svantaggio principale che presentano è l’elevata sensibilità all’umidità, ma non trascurabile è anche l’elevato costo.

I polimeri di origine batterica sono prodotti appunto, da molti tipi di batteri e sono suscettibili a degradazione microbica. La famiglia più studiata è quella dei poliidrossialcanoati (PHA) in cui si trovano il poliidrossibutirrato (PHB) ed il poliidrossivalerato (PHV). Il PHA è prodotto direttamente da microrganismi attraverso fermentazione batterica della biomassa. Il PHB è un polimero semi-cristallino rigido e piuttosto fragile le cui proprietà meccaniche sono simili a polistirene o polipropilene.

Esiste una ragione storica per cui le materie plastiche a base biologica sono state considerate, fraintendendo, sempre biodegradabili. I primi studi sulle plastiche eco-compatibili hanno ri