Materie prime

Materie prime, produzione e innovazione

Le risorse naturali sono la “fonte” delle materie prime, le quali a loro volta, entrano nei sistemi economici insieme agli altri fattori della produzione, che sono il capitale e il lavoro. Il sistema produttivo combina i fattori della produzione (capitale, lavoro, materie prime) mediante la tecnologia, per produrre prodotti, rifiuti ed inquinamento.

La produzione è l’attività di acquisizione, aggregazione e impiego delle risorse disponibili in natura in quantità limitata al fine di ottenere altre risorse richieste dai consumatori. Un fattore produttivo è una risorsa, disponibile in quantità limitata, che viene utilizzata nel processo produttivo; pertanto, per essere considerato fattore produttivo, un elemento deve essere:

• Utilizzabile in un processo;
• Disponibile per l’impresa;
• Utilizzabile anche in altri processi per ottenere altri prodotti, in modo da assumere un valore.

Il tipo di processo produttivo (produzioni continue, produzioni intermittenti, cicli tecnicamente obbligati o no) è molto importante per l’impresa, perché da esso dipende la programmazione della produzione. La difficoltà di programmazione della produzione dipende anche dalla complessità del prodotto: più sono numerose ed eterogenee le parti che lo compongono, maggiore è la difficoltà di programmazione. Per i prodotti standard, la progettazione è effettuata dalla azienda produttrice sulla base della domanda prevista; per i prodotti speciali, le specifiche di progettazione sono determinate dall’impresa committente. I prodotti (output dei processi) si classificano in base alla destinazione d’uso in:

• Beni di consumo
• Beni industriali
• Beni strumentali

Le risorse naturali sono i materiali esistenti in natura e utilizzabili dall’uomo per produrre merci atte a soddisfare i propri bisogni; si possono considerare beni economici in quanto possiedono le caratteristiche della limitatezza, dell’utilità e della accessibilità (è il progresso tecnologico a rendere utili e accessibili i beni naturali mettendo a disposizione dell’uomo le tecniche per trasformarli in merci). Le risorse naturali possono essere: risorse agricole, risorse minerarie, risorse energetiche, risorse ambientali.

Categorie di risorse naturali

• Risorse naturali permanenti: sono quelle che non diminuiscono nel tempo anche se c’è sfruttamento da parte dell’uomo, come può essere l’energia solare, le maree;
• Risorse naturali non-permanenti ma riproducibili: sono quelle che si riproducono in maniera naturale dopo un certo periodo, come le foreste, risorse ittiche;
• Risorse naturali non permanenti e non riproducibili: sono quelle destinate a esaurirsi con il tempo e con lo sfruttamento dell’uomo; miniere, combustibili fossili, flora e fauna in via di estinzione.

La risorsa è la concentrazione di materiali solidi, liquidi o gassosi nella o sulla crosta terrestre. Vi sono:

• Risorse identificate: è la concentrazione di minerale la cui posizione, quantità e qualità è nota;
• Risorse non ancora scoperte: sono solo ipotetiche o supposte;
• Riserve: sono i materiali di cui conosciamo l’esatta localizzazione e che possono essere economicamente sfruttabili dall’uomo con le attuali tecnologie. L’entità delle riserve varia continuamente nel tempo, in funzione di tre parametri:
  • Sviluppo della tecnologia di esplorazione
  • Il tenore dei minerali estratti
  • L’aumento della domanda e dei prezzi

Esse quindi non sono entità autonome da scoprire ma si sviluppano a partire dalle risorse in relazione ai parametri sopra citati. Le risorse naturali non rinnovabili (quelle che si trovano accumulate in definite zone e che sono il risultato di trasformazioni lentissime verificatesi nel corso di millenni) si possono classificare in economiche, se si possono sfruttare economicamente con le attuali tecnologie, o sub-economiche se lo sfruttamento è possibile solo al verificarsi di condizioni economiche favorevoli o sviluppo della tecnologia. Gli elementi ritenuti strategici sono molto più concentrati nei paesi industrializzati, soprattutto perché essi hanno investito molto nella ricerca e quindi vi è una intensa attività esplorativa.

La scarsità è il confronto fra la disponibilità delle risorse e i bisogni che esse devono soddisfare; il rapporto fra le riserve di un materiale e il consumo mondiale di tale materiale in un dato momento è la scarsità statica; mentre il rapporto fra le riserve previste (cioè quelle esistenti + quelle che verranno accertate in futuro) e i consumi annui previsti è la scarsità dinamica.

Nell’ottenimento di materie prime da risorse non rinnovabili, la tecnologia ha molta influenza poiché può migliorare i processi di estrazione, di lavorazione e di trasformazione di queste materie; la tecnologia può puntare alla scoperta di nuovi depositi oppure allo sfruttamento dei depositi sottomarini migliorando le tecniche estrattive; mentre per quanto riguarda l’ottenimento di materie prime da risorse rinnovabili, le innovazioni si diffondono più lentamente e si manifestano più difficilmente.

Materie plastiche

Le prime materie plastiche della storia sono state il caucciù (origine vegetale), il corno (animale) e l’ambra (minerale). Intorno al 1900 comparirono le prime resine sintetiche (bakelite), in grado di imitare materiali come il legno o il marmo. Nel 20esimo secolo ci fu la grande diffusione delle materie plastiche soprattutto del polipropilene, inventato da Giulio Natta che vinse il Nobel nel 1963 per la chimica.

Dalla distillazione del petrolio si ottiene la virgin nafta; dalle molecole di virgin nafta si ottengono i monomeri; dai monomeri, che sono molecole semplici, si ottengono molecole più lunghe che sono i polimeri e da essi si ottiene la plastica (polietilene). Il termine plastica deriva dalla parola greca “plasticos” che significa adatto per essere plasmato, e da “plastos” che significa plasmato; è un materiale, infatti, che grazie alla sua malleabilità e plasticità durante la produzione, può essere fuso, pressato, o estruso in una varietà di forme come pellicole, fibre, bottiglie e tanto altro ancora.

Un polimero è una lunga catena di monomeri, legati fra di loro con legami covalenti. In base alla loro struttura si possono dividere in:

• Omopolimeri: i polimeri costituiti da un solo tipo di monomero;
• Copolimeri: i polimeri costituiti da due o più tipi di monomeri.

In base alle loro proprietà termiche abbiamo:

• Termoplastiche: sono quelle che rammolliscono sotto l’azione del calore così da essere modellate; si possono fondere e modellare più volte;
• Termoindurenti: sono quelle che dopo il rammollimento per riscaldamento, induriscono per effetto di reticolazione tridimensionale; dopo l’indurimento, se scaldati di nuovo non rammolliscono più ma si decompongono;
• Elastomeri: sono quelle che hanno la capacità di essere allungate e modellate tramite estrusione o stampaggio a caldo. Tramite un processo chiamato vulcanizzazione, gli elastomeri possono diventare termoindurenti.

In base alla loro origine abbiamo:

• Polimeri naturali: polisaccaridi, proteine, acidi nucleici;
• Polimeri sintetici: plastiche, resine, gomme.

Per quanto riguarda le loro caratteristiche chimico-fisiche, i polimeri sono sostanze organiche macromolecolari; hanno peso molecolare elevato; hanno bassa conducibilità elettrica (in genere isolante); per quanto riguarda le proprietà meccaniche, le materie plastiche sono resistenti alle sollecitazioni; hanno elasticità e durezza discreta; sono resistenti agli urti; per quanto riguarda le proprietà tecnologiche, hanno un’ottima plasticità, lavorabilità, duttilità, malleabilità.

Le materie plastiche possono essere lavorate per:

• Estrusione: è un processo che permette di ottenere tubi, barre, lastre e profilati: il materiale viene convogliato in un cilindro riscaldato, qui viene fuso e omogeneizzato, e quindi fuoriesce e viene foggiato nella forma voluta, dopodiché raffreddato.
• Soffiaggio: la formatura del pezzo avviene per soffiaggio di aria mediante compressore; la materia prima è in lastra e il prodotto è di grandi dimensioni.
• Stampaggio: gli oggetti che si ottengono sono tutti uguali fra di loro; lo stampaggio avviene a caldo a compressione.

I più comuni materiali polimerici sono:

• PE polietilene: è tra i più comuni e viene usato per borse e buste di plastica, come isolante per cavi elettrici ecc;
• PET polietilene tereftalato: film, pellicole, bottiglie, contenitori;
• PS polistirolo: usato nei più diversi settori: alimentare, domestico, industriale;
• PVC polivinilcloruro: è la materia plastica più versatile; le applicazioni più rilevanti le troviamo nell’edilizia (grondaie, tubi per acqua potabile);
• Poliesteri: tra cui il CR39 con proprietà ottiche vantaggiose rispetto al vetro perché è pesante circa la metà ed è 4 volte più resistente all’impatto; molto usato nell’ambito oftalmico (occhiali e lenti infrangibili).

Il mondo al momento consuma circa 200 milioni di tonnellate di plastica, di cui la maggior parte deriva da risorse non rinnovabili. Le conseguenze maggiori sono legate alla difficoltà nell’eliminazione dei rifiuti e all’inquinamento ambientale, dal momento che le plastiche non si corrodono, non arrugginiscono e durano quasi illimitatamente. Per i polimeri sintetici, quindi, non essendo biodegradabili in tempi ragionevoli, l’unica soluzione è il riciclaggio. Le plastiche riciclate vengono dapprima selezionate per tipi (PVC, PET; ecc); quindi triturate in piccole scaglie dette “flakes”; la plastica omogenea riciclata trova di nuovo impiego soprattutto nella produzione di imballaggi.

Per le materie plastiche post-consumo vi sono tre tipi di riciclo: energetico, chimico e meccanico. Nel primo caso, il materiale grazie ai termovalorizzatori viene convertito in fonte di energia; nel secondo caso i polimeri vengono riconvertiti in monomeri e reintrodotti in nuovi cicli produttivi per la sintesi di nuovi polimeri; nel terzo caso il materiale viene sottoposto ad un secondo ciclo di lavorazione e dunque allunga il ciclo di vita del materiale.

Negli ultimi decenni sono nati materiali nuovi, completamente biodegradabili e non tossici da produrre, come i materiali compositi (fibre di carbonio, fibre di vetro e fibre aramidiche), i biopolimeri e i nano materiali (generati dalla manipolazione della materia fino ad un livello estremamente fine).

I biopolimeri trovano vasto campo di applicazione soprattutto per la loro somiglianza con le macromolecole naturali; importanti gli utilizzi in ambito medico, ad esempio come materiali biocompatibili (es. protesi), o materiali assorbibili (es. sistemi per il rilascio di medicinali-capsule farmaceutiche). I biopolimeri possono essere di origine sintetica come i derivati da alcuni poliesteri, oppure derivati da materiale di origine vegetale e quindi rinnovabili come l’amido e le miscele di amido, come ad esempio il Mater-Bi prodotto dalla Novamont di Novara che usa il mais, o il Solanyl che usa le bucce di patate, o il PLA (acido polilattico) che deriva dagli zuccheri. Di estremo interesse sono le sperimentazioni per produrre BP da materiali di scarto, come quelli derivanti dall’industria agroalimentare, o dalla raccolta differenziata dei rifiuti solidi urbani. I Mater-B si presentano in forma di granuli e possono essere lavorati secondo le moderne tecnologie di trasformazione; ha una tenuta ed una resistenza simile alle plastiche tradizionali, ma è perfettamente biodegradabile: trova impiego nel settore agricolo, nella ristorazione, negli imballaggi, ecc.

Il PLA arriva dall’acido lattico prodotto dalla fermentazione lattica del glucosio proveniente da fonti rinnovabili; è un polimero ad alta tollerabilità, interamente riassorbibile e soprattutto anallergico; viene usato, infatti, da oltre 25 anni in chirurgia plastica e ricostruttiva.

I vantaggi nell’uso delle bioplastiche sono:

• Produzione di concime;
• Diminuzione dei contenitori per i rifiuti sul territorio; esse possono essere depositate tutte in discarica vista la rapida biodegradabilità;
• Riduzione emissioni di fumi tossici.

Gli svantaggi sono:

• Costi più alti;
• Difficoltà a riconvertire gli impianti utili per la lavorazione delle bioplastiche;
• Sottrazione di terreni utili alle colture per il consumo umano.

L’Italia nel 2007 ha avviato una ricerca per una plastica biodegradabile, ricavata dalla barbabietola da zucchero, che si scioglie completamente in acqua. Le plastiche si classificano con un sistema americano detto SPI (society of the plastics industry), che consiste in un triangolo (simbolo del riciclo) con un numero dentro che corrisponde al tipo di plastica.

Alluminio

L’alluminio è il terzo elemento più abbondante sulla crosta terrestre (sottoforma di silicati è uno dei costituenti principali della maggior parte delle rocce) dopo ossigeno e silicio, ed è l’unica alternativa al rame come conduttore elettrico. È un metallo molto malleabile e come tale può essere sottoposto a tutte le lavorazioni plastiche; ha resistività maggiore e un costo minore rispetto al rame; ha una temperatura di fusione piuttosto bassa per cui è difficile da saldare, però ha ottime proprietà tecnologiche.

Per l’estrazione dell’alluminio non si può ricorrere ai procedimenti metallurgici classici, e per questo l’esistenza dell’alluminio è stata ignorata fino alla metà dell’800, quando fu possibile produrre delle piastre sottili evidenziando la leggerezza e la malleabilità di questo metallo. La produzione veniva effettuata in piccoli laboratori nei quali il metallo veniva ottenuto dalla riduzione dell’ossido utilizzando il potassio. Successivamente venne definito quello che è anche l’attuale processo produttivo dell’alluminio, il ciclo Hall-Heroult, cioè un procedimento di riduzione elettrochimica dell’ossido, l’allumina, e contemporaneo fu anche il brevetto Bayer per ottenere l’allumina dal minerale, la bauxite.

L’alluminio si può produrre a partire dal minerale, cioè la bauxite, e questo viene chiamato alluminio primario (o fonte primaria), oppure dal riciclo di materiali di alluminio, alluminio secondario (o fonte secondaria). Il processo Bayer è il processo che permette di ottenere l’allumina pura dalla bauxite; esso consiste in più fasi:

• La prima fase consiste nella macinazione della bauxite, che viene poi solubilizzata ad alte temperature per separare gli insolubili, segue una riprecipitazione dell’allumina per abbassamento della temperatura, ed infine la rigenerazione della soluzione e la calcinazione.

Il secondo stadio per la produzione dell’alluminio è il processo Hall-Heroult (dagli studiosi che lo hanno definito), che permette di ottenere l’alluminio partendo dall’allumina, attraverso reazioni di elettrolisi. L’alluminio è resistente alla corrosione, quindi atossico e non altera il gusto o il colore degli alimenti che contiene; è leggero ma resistente agli urti; è un ottimo conduttore elettrico ed è riciclabile al 100%.

Generalmente l’alluminio richiede l’aggiunta di piccole quantità di altri metalli che ne esaltano alcune proprietà, come ad es. Cu, Mg, Mn, Si ed altri (le lattine delle bibite contengono piccole quantità di manganese e magnesio che ne aumentano la rigidità). Le leghe di alluminio più usate sono: Aldrey, utilizzato soprattutto come conduttore nelle linee aeree; e Anticorodal utilizzato per accessori e connessioni di linea.

Il riciclo consente di:

• Recuperare materiale senza decadimento di qualità;
• Risparmiare energia necessaria alla produzione;
• Riduzione emissioni serra;
• Riduzione attività estrattive e riduzione degli oneri di smaltimento.

L’alluminio secondario è equivalente al metallo primario ottenuto dal minerale anche dopo numerosi cicli di vita.

Carbone

Il carbone fa parte delle materie prime minerarie energetiche, dalle quali si ottiene energia per le attività domestiche e industriali. Il carbone è formato da due tipi di sostanze: il carbonio, in percentuale altissima, che è il materiale organico ed è quello che bruciando fornisce calore; e il rimanente materiale inorganico costituito da sostanze argillose e sali di zolfo. Il carbone fossile deriva da materiali organici sedimentari di origine vegetale accumulatisi in ere geologiche lontane; i giacimenti migliori si trovano in rocce del Paleozoico. È una fonte energetica storica e nonostante i vincoli ambientali contribuisce ancora per il 25% al consumo energetico mondiale. È il combustibile fossile più abbondante sulla terra; è stabile quindi trasporto, stoccaggio e uso non implicano grossi rischi; le attuali tecnologie consentono di bruciarlo con ridotto impatto ambientale ed è economicamente il più conveniente.

In base alla classificazione internazionale i carboni sono classificati in:

• Classi: da 1 a 9 in base alle materie volatili e al potere calorifero;
• Gruppi: secondo le proprietà agglomeranti;
• Sottogruppi: in base alle proprietà cokificanti.

Il processo che porta alla formazione del carbone si chiama...