Biopolimeri

Biodegradazione e chimica della degradazione

La biodegradazione è un fenomeno di decomposizione della materia organica che, attraverso la perdita di proprietà meccaniche, la modificazione chimica e per azione di microorganismi (funghi, batteri, enzimi) permette la conversione del materiale degradato in anidride carbonica, acqua, metano ed eventualmente biomasse e residui. È misurata mediante test standardizzati durante un periodo di tempo preciso.

La biodegradazione avviene essenzialmente in due fasi, il deterioramento del polimero (bioframmentazione) e la bioassimilazione. La prima fase è quella del deterioramento fisico-chimico del prodotto (meccanico, chimico o termico) o una bioframmentazione causata da organismi viventi. Il risultato di questa prima fase ha come scopo l'aumento della superficie di contatto con i microrganismi della seconda fase. La bioassimilazione o digestione biologica del materiale trasforma il polimero in

metaboliti che sono assimilabili da microrganismi ed enzimi ed essere infine mineralizzati. Il processo porterà infine a molecole semplici come CO2, CH4, H2O e nuova biomassa.

I parametri che influenzano la biodegradazione sono essenzialmente la struttura e le proprietà dei polimeri biodegradabili e le condizioni di esposizione.

Per quanto riguarda la struttura, affinché possa essere biodegradabile, parte della sua catena dovrebbe essere simile alle sostanze presenti nell'ambiente, permettendo ai microrganismi di rompere la catena con enzimi esistenti in modo da utilizzarla come fonte di energia.

I polimeri derivati dalla famiglia delle poliolefine (PP, HDPE, LDPE, LLDPE) e dei vinilici contenenti catene di solo carbonio, sono molto stabili e resistenti alla degradazione. Al contrario i poliesteri biodegradabili (PLA, PHA) hanno legami esteri degradabili chimicamente con acqua (idrolisi). Le condizioni di lavorazione (pressione e temperatura) e gli additivi (plastificanti,

• Dimensione e forma - Oggetti con aree più grandi si degraderanno più rapidamente poiché una percentuale maggiore del polimero viene in contatto con l'umidità e i microrganismi
• Struttura e flessibilità - Mostra quanta energia è necessaria per ruotare le molecole. Se una catena è più flessibile, più siti saranno disponibili per il processo di idrolisi.
• Cristallinità - Reazione di idrolisi possibile grazie all'infiltrazione di acqua nel polimero, nelle regioni amorfe più flessibili, mentre le regioni cristalline sono idrorepellenti.
• Peso Molecolare - I polimeri sono protetti da attacchi microbici se il loro peso molecolare è alto perché le molecole sono troppo grandi per permettere l'ingresso di

microrganismi• Composizione del copolimero - Un copolimero sarà dipendente dai vari monomeri componenti. L'aumento della irregolarità delle catene causa una riduzione della cristallinità aumentandone la biodegradabilità, a meno che non si aggiungano strutture che aumentano la rigidità della catena.

Condizioni di esposizione• Acqua ed umidità – L'acqua è necessaria per la crescita e la riproduzione dei microrganismi; in presenza di umidità ci può essere attività microbica e i polimeri degradano più rapidamente. L'idrolisi aumenta in ambienti umidi, portando ad un aumento del numero dei siti disponibili per l'attacco dei microrganismi.

• Acidità – Può essere influenzata dal pH, il tasso di idrolisi del PLA è più lento a pH 5,0 e più rapido in soluzioni più alcaline o più acide. I prodotti di degradazione, come

L'acido lattico da PLA può modificare il pH dell'ambiente. Variazioni di pH possono cambiare non solo il grado di idrolisi, ma anche la crescita di microrganismi.

Temperatura - la velocità di reazione di idrolisi e l'attività microbica aumentano quando la temperatura aumenta. Se le temperature sono molto alte, l'attività microbica diminuisce o si ferma.

Condizioni di aerobicità o anaerobicità - I microrganismi utilizzano ossigeno e consumano il carbonio del biopolimero; questo si traduce in CO2 e acqua, che corrisponde ad una ossidazione biologica enzimatica. Questa reazione domina se è presente un elevato contenuto di ossigeno (almeno il 6%). In condizioni anaerobiche consumano il carbonio del polimero e liberano CH4 e CO2.

Parametri microbiologici

Compostabilità

Il compostaggio è un processo naturale attraverso il quale la materia organica si decompone in una sostanza ricca di

nutrienti chiamata humus e si verifica principalmente mediante microrganismi compresii batteri, funghi e attinomiceti. Questo processo richiede carbonio, azoto, acqua ed ossigeno. I microrganismi utilizzano carbonio come fonte di energia e azoto per costruire le loro strutture cellulari. Il compostaggio avviene in tre fasi: la prima, mesofila, che dura pochi giorni, poi una fase attiva di compostaggio, in cui la temperatura aumenta e rimane elevata con conseguente intensa attività microbiologica. Infine, la maturazione, in cui la temperatura diminuisce, ma il compostaggio dei materiali continua a bassa velocità. Un biopolimero è compostabile se si deteriora a seguito di processi biologici che si verificano durante il compostaggio. Materie plastiche e imballaggi compostabili possono essere definiti come gli imballaggi che, una volta introdotti in un ambiente di compostaggio industriale con altri materiali compostabili, degradano senza inconvenienti. La norma europea EN 13432

Il testo fornito definisce le caratteristiche che un materiale deve avere per essere definito compostabile. Si basa su quattro caratteristiche:

1. Biodegradabilità
2. Disintegrazione durante il trattamento biologico
3. L'effetto sul processo di trattamento biologico
4. L'effetto sulla qualità del compost risultante

Oxodegradazione (frammentazione)

È un processo associato ad altri tipi di degradazione che comporta la reazione del polimero con ossigeno.

Forodegradazione

Un polimero la cui degradazione iniziale avviene attraverso la luce (UV) viene definito fotodegradabile. La degradazione è generalmente indotta dall'aggiunta di additivi sensibili alla luce che rilasciano radicali liberi.

Idrodegradazione o Idrolisi

È un processo di degradazione che richiede gruppi idrolizzabili che assorbono umidità dal loro ambiente e successiva rottura della catena polimerica. L'idrolisi crea fratture nelle catene polimeriche, con conseguente riduzione rapida di peso.

molecolare.Utilizzo dei Biopolimeri Le materie plastiche biodegradabili fanno già parte della nostra vita quotidiana come materiali per il confezionamento degli alimenti o per oggetti monouso. L'utilizzo dei biopolimeri è limitato dalla concorrenza, in termini di costo, dei polimeri tradizionalmente conosciuti e usati. Bisognerebbe impiegare significativi investimenti per le infrastrutture atte allo smaltimento, riciclo o riutilizzo. Senza riciclo o compostaggio, infatti, i biopolimeri sono destinati allo smaltimento in discarica. Altre loro debolezze non trascurabili rispetto alle altre plastiche sono la insufficiente resistenza meccanica e una durata non prevedibile del prodotto finale. Vengono pertanto sfruttati per applicazioni a breve termine, dove la loro biodegradabilità rappresenta di fatto un vantaggio. I campi di maggiore utilizzo sono dunque il packaging alimentare, nel quale viene adoperato il PLA e i polimeri a base di amido o cellulosa. Un ulteriorecampo di applicazione è quello dell'agricoltura per prodotti tipo vasi e archetti per il rilascio controllato di pesticidi e sostanze nutritive. Bibliografia e Sitografia: - "Scienza e tecnologia dei materiali polimerici", S.Brückner, Edises (2016) - "Bioplastica", https://www.ecoage.it/bioplastica.htm - "Biodegradable and Bio-Based Polymers: Future Prospects of Eco-Friendly Plastics", Tadahisa Iwata 2014 Nel campo medico l'alto costo è compensato dall'elevato valore aggiunto richiesto; il vantaggio è rappresentato dal fatto che molti di questi polimeri risultano non solo biodegradabili, ma anche biocompatibili. Vengono pertanto utilizzati ad esempio per incapsulamento di farmaci a rilascio controllato, fili di sutura, abbigliamento medico, pannolini di carta, etc. (Figura 5). Il loro vero uso

Il pratico è, però, ostacolato da molti problemi. Uno di questi riguarda la fusione con altri polimeri. Quando una plastica biodegradabile da sola non ha le proprietà desiderate, un altro polimero deve essere miscelato per ottenere le proprietà desiderate.

Quando una plastica non biodegradabile viene miscelata con una plastica biodegradabile, solo i componenti biodegradabili saranno degradati nell'ambiente. Di conseguenza, le materie plastiche non biodegradabili, che sono suddivise in particelle più piccole, si diffondono nell'ambiente e causano inquinamento ambientale. Inoltre, l'uso di copolimeri costituiti da monomeri biodegradabili e non biodegradabili potrebbe causare un inquinamento ancora più grave. Questi copolimeri non dovrebbero mai essere usati come plastiche biodegradabili.

Un altro problema della plastica biodegradabile è il controllo del tasso di biodegradazione e l'aggiunta di un innesco biodegradabile.

La velocità desiderata di biodegradazione e bioassorbimento dipende dall'obiettivo dell'uso. È noto che la cristallinità, lo spessore lamellare e la conformazione molecolare sono fattori importanti che controllano il tasso di biodegradazione, oltre ai vari fattori biotici e abiotici in diversi ambienti. Tale tasso di biodegradazione può essere ottenuto elaborando i migliori processi di stampaggio e controllando la struttura molecolare altamente ordinata dei materiali. Le materie plastiche biodegradabili, dunque, richiedono anche prestazioni superiori durante tutto il loro uso. In altre parole, è necessario essere in grado di innescare la biodegradazione immediatamente dopo l'uso e lo smaltimento. A tal fine, è innegabile l'aggiunta di una funzione di avvio per la biodegradazione. Ciò che preoccupa a lungo termine in merito alle plastiche biodegradabili è l'influenza dei prodotti biodegradati sull'ambiente.

comprese piante e animali. L'influenza delle sostanze chimiche in tali materie plastiche ha destato s