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La chimica bioispirata

La chimica verde e i prodotti biobased

L’uso di materie prime rinnovabili, principalmente la biomassa, è una parte importante della chimica verde, i cui principi guidano anche l’intero processo di utilizzo. La biomassa comprende tutti i composti molecolari e macromolecolari derivanti da vegetali, prodotti agricoli, prodotti forestali e tutto ciò che rimane. Per la chimica verde l’utilizzo di biomassa non può essere considerato fine a sé stesso, ma deve rispettare tutti i i principi della disciplina, ovvero: l’efficienza delle reazioni, l’economia dell’atomo, la limita-zione del consumo di risorse, la prevenzione dei rifiuti e la sicurezza dei processi e dei prodotti. I principi si applicano anche quando l’utilizzo della biomassa avviene in tutte le fasi, dalla produzione e conversione in prodotti biobased, fino al loro utilizzo finale. In un certo senso, ciò significa tornare all’era pre-petrolio, quando la biomassa era l’u-unica risorsa di carbonio agli albori della chimica, con l’obiettivo di soddisfare le attuali esigenze di prodotti chimici per una popolazione molto più numerosa e tecnologicamente-te avanzata.

La maggior parte dei prodotti chimici non può essere creata senza una risorsa carboniosa. Pertanto, la biomassa può essere utilizzata come materia prima per la fabbricazione di prodotti energetici e di prodotti chimici e materiali a più alto valore aggiunto. L’enorme quantità di biomassa non alimentare e di rifiuti prodotti ogni anno, in particolare le risorse lignocellulosiche, giustifica il fatto che l’uso della biomassa sia diventato un vero e proprio tema di ricerca. La natura produce continuamente biomassa utilizzando essenzialmente acqua, diossido di carbonio ed energia solare. In tempi di bassi prezzi agricoli e di petrolio costoso, l’uso della biomassa nella chimica mirava essenzialmente a fornire un valore migliore per i raccolti inutilizzati e gli scarti.

Oggi lo slancio è sostenuto da una maggiore consapevolezza della necessità, per i produttori chimici, di rinnovare il loro portafoglio prodotti con composti che incorporano più carbonio rinnovabile, seguendo obiettivi sostenibili universalmente accettati, normative sempre più vincolanti e pratiche dei consumatori. L’impiego della biomassa deve anche affrontare le questioni delle risorse alimentari rispetto a quelle non alimentari, della disponibilità di terreni coltivabili, dell’impoverimento del suolo, della domanda di acqua e della sostenibilità delle pratiche agricole.

I vantaggi della biomassa

I vantaggi dell’uso della biomassa per la chimica in termini di impronta di carbonio non devono essere sopravvaluta­ti. L’impronta di carbonio di un prodotto chimico è una somma di impatti elementari, tra cui le fasi di raccolta, estrazione e trasformazione, il processo chimico con la se­quenza sintetica, la separazione e la purificazione, l’uso del prodotto finale stesso e il suo fine vita.

L’industria chimica è sempre stata all’avanguardia nella creazione di materiali nuovi o migliorati per soddisfare le esigenze della società. Storicamente, ciò si è tradotto nella fornitura di prodotti con le giuste proprietà fisiche o chimiche. Attualmente, l’attenzione si concentra sulla fornitura di prodotti e materiali con un minore impatto ambientale, compresa (ma non solo) una minore impronta di carbonio. Con l’abbandono dei combustibili fossili e la transizione verso le fonti rinnovabi­li, i prodotti chimici svolgeranno un ruolo centrale nel portare l’economia a emissioni nette zero. Preferire l’uso di risorse rinnovabili a quelle fossili deve essere visto innanzitutto come un’opportunità di innovazione, di valo­re aggiunto e come un modo per limitare la dipendenza dell’economia dal petrolio. A lungo termine questo sarà riconosciuto come un passo pionieristico per la chimica dell’era post-petrolifera, quando questa si verificherà.

Oggi, l’industria chimica crea emissioni significative scope 1 e 2 ed è al centro della questione dei rifiuti di plastica. Inoltre, consuma notevoli quantità di combustibili fossili come il gas naturale, il petrolio greggio e, sempre più spes­so, il carbone. Questi fattori ambientali contribuiscono già alla percezione pubblica delle aziende chimiche. Oltre a ciò, molti investitori istituzionali hanno fissato obiettivi di sostenibilità per i loro portafogli. La combinazione di questi due fattori ha portato i team di gestione a conside­rare il modo in cui gli investitori valutano la sostenibilità nell’industria chimica e le azioni da intraprendere per mas­simizzare la creazione di valore in futuro.

Oggettivamente, misurare l’ecologicità di un’azienda chi­mica (o di qualsiasi altra azienda, se è per questo) non è semplice. Le metriche ambientali, sociali e di governance (ESG) tipicamente utilizzate per determinare il profilo di sostenibilità di un’azienda spesso comprendono un ampio elenco di criteri relativi alle ultime due catego­rie. Gli investitori e gli stakeholder sono inoltre scettici nei confronti del greenwashing e vedono poca o nessuna correlazione tra le valutazioni ESG e i risultati finanziari del settore chimico. Questo non deve sorprendere più di tanto, perché molti criteri ESG hanno solo un impatto indiretto sul flusso di cassa. Per l’attuazione dei princi­pi della chimica verde e sostenibile e per la più ampia promozione della sostenibilità sono necessari ingenti investimenti finanziari. La ricerca di mezzi di produzio­ne alternativi mirati alla conservazione dell’ambiente ha portato allo sviluppo del concetto di finanza verde, che mira a dirottare gli stock e i flussi finanziari a sostegno del raggiungimento degli obiettivi di sviluppo sosteni­bile  legati all’ambiente e al clima. Per coprire in modo più ampio le questioni e i rischi ambientali, sociali e di governance (ESG), il concetto di finanza sostenibile ha guadagnato maggiore attenzione. In particolare, la tasso­nomia dell’UE mira a stabilire criteri tecnici di screening per la classificazione e priorizzare delle attività sostenibili rispetto a sei obiettivi ambientali ovvero: mitigazione dei cambiamenti climatici, adattamento ai cambiamenti cli­matici, uso sostenibile e protezione delle risorse idriche e marine, transizione verso un’economia circolare, preven­zione e controllo dell’inquinamento e protezione e ripri­stino della biodiversità e degli ecosistemi. La tassonomia stabilisce che un’attività ambientalmente sostenibile deve contribuire al miglioramento sostanziale di almeno un obiettivo ambientale, senza danneggiare in modo signifi­cativo gli altri, ovvero il cosiddetto principio di non arre­care danni significativi.

Le sfide della conversione selettiva della biomassa

La complessità strutturale della biomassa e la maggiore sensibilità al calore e alle condizioni chimiche difficili portano a risultati di reazione chimica più complessi e, di conseguenza, a fasi di separazione e isolamento più difficili. Ogni famiglia di biomolecole, tra cui, ad esem­pio, lignina, carboidrati e grassi, presenta sfide specifiche in termini di reattività chimica e stabilità, rispetto agli idrocarburi, in quanto le loro strutture chimiche differi­scono in modo significativo. Per ciascuna di queste fami­glie, queste caratteristiche definiscono le tendenze natu­rali della loro reattività chimica e, quindi, l’ambito delle possibili trasformazioni e della progettazione molecolare di nuovi derivati.

Ulteriori sfide sono associate allo stato fisico delle biomolecole, sia come bio­polimeri che come piccole molecole, al modo in cui sono imprigionate nella pianta grezza e al modo in cui sono associate in reti attraverso inte­razioni non covalenti, anche se forti, che richiedono specifici pretrattamenti e/o fasi di estrazione. Un’opzione è la com­bustione o il cracking ad alta temperatura della biomassa grezza, si può ottenere una miscela di ossidi di carbonio e idrogeno (approccio syngas), risolvendo così i problemi di selettività rispetto ai processi che por­tano a miscele complesse di biomassa parzialmente scom­posta. La formazione catalizzata di legami carbonio-car­bonio dal syngas può quindi fornire facilmente prodotti chimici di rilevanza industriale già esistenti, anche se per prodotti a basso valore aggiunto. Un’alternativa è quella di puntare a prodotti o intermedi più elaborati (mole­cole piattaforma), quando sono disponibili biomolecole sufficientemente pure e ben caratterizzate, con un pre­trattamento limitato o nullo. In effetti, sfide importanti e molto diverse limitano ancora la possibilità che i pro­dotti chimici bioispirati raggiungano il mercato con va­lutazioni soddisfacenti sia in termini economici che di sostenibilità.

L’industria chimica svolge anche un ruolo fondamentale nel guidare lo sviluppo economico e sociale, ma questo comporta anche problemi ambientali e di sicurezza. A tal fine, i prodotti chimici e i processi dovrebbero essere progettati per soddisfare i requisiti di funzionalità, sicu­rezza e sostenibilità dal punto di vista del ciclo di vita. In linea con i principi dell’econo­mia circolare, la chimica verde offre un approccio per la progettazione di pro­dotti e processi chimici finalizzato a massimizzare l’efficienza delle risorse e a minimizzare gli effetti pericolo­si lungo il ciclo di vita dei prodotti. Nell’ingegneria chimica, ciò può esse­re ottenuto, ad esempio, riprogettando i processi per ridurre la dipendenza da risorse non rinnovabili ed evitare l’uso di sostanze pericolose. Poiché l’integrazione de­gli aspetti ambientali e di sicurezza nei sistemi chimi­ci non è sufficiente per affrontare le sfide della società e promuovere una transizione verso la sostenibilità, di recente è stato adottato il concetto di “chimica verde e sostenibile”, secondo il quale devono essere considerati anche i fattori economici, sociali, politici e tecnologici. Tutto ciò rende l’industria chimica un settore chiave per la transizione verso la sostenibilità e l’allocazione intelli­gente delle risorse finanziarie necessarie.

La questione della plastica

All’interno del settore, la plastica è oggi considerata uno dei temi più cruciali a causa del suo uso diffuso e dei gravi impatti ambientali generati durante il suo ciclo di vita. Tuttavia, le materie plastiche sono una delle prin­cipali aree di intervento del nuovo Piano d’azione per l’economia circolare (CEAP), che funge da uno dei prin­cipali elementi costitutivi. Pertanto, la ricerca di pratiche sostenibili di produzione, consumo e fine vita apre una finestra di opportunità per il settore delle materie plasti­che di adottare gli approcci della chimica verde.

Le bioplastiche stanno diventando una componente chiave della chimica verde grazie al loro potenziale di “chiusura del ciclo” attraverso l’utilizzo di materie pri­me in fase di ricrescita e la loro biodegradazione. Inoltre, sostituendo le plastiche di origine fossile, possono con­tribuire al progresso verso un’economia a basse emissioni di carbonio. Le bioplastiche offrono ampie aree di appli­cazione in molti settori come l’imballaggio, l’agricoltura, il rivestimento, il tessile, l’edilizia e l’automotive e, come conseguenza dell’aumento della domanda, potrebbero diventare economicamente competitive rispetto alle loro controparti a base fossile.

La biodegradazione delle bioplastiche dipende dalla loro struttura fisica e chimica in termini di catene polimeriche, gruppi funzionali e cristallinità, ma anche dall’ambiente naturale in cui si trovano (umidità, ossigeno, temperatu­ra e pH). La biodegradazione è una reazione enzimatica catalizzata in diversi ecosistemi da microrganismi, come attinobatteri, batteri e funghi. Le bioplastiche, inoltre, producono meno gas a effetto serra rispetto alle plastiche normali durante il loro periodo di vita contribuendo a una società più sostenibile. Alternative bioplastiche alle materie plastiche convenzionali sono disponibili e svol­gono già un ruolo fondamentale in diversi campi di ap­plicazione.

Le bioplastiche a base biologica hanno le stes­se proprietà delle plastiche generiche e offrono ulteriori vantaggi perché hanno un’impronta di carbonio minore sull’ambiente. Tuttavia, la loro bassa resistenza meccanica ne limita l’applicazione. Le fibre di vetro e di carbonio sono fibre sintetiche comunemente utilizzate per rin­forzare le bioplastiche, ma non sono biodegradabili. Per questo motivo, possono essere sostituite da materiali più ecologici, abbondanti e a basso costo, come le fibre ligno­cellulosiche e la lignina. Altri metodi di rafforzamento fisico sono l’aumento della temperatura dello stampo, il trattamento deidrotermico e l’applicazione di ultrasuo­ni. Applicati alle bioplastiche a base di proteine di soia, il trattamento termico ha migliorato le proprietà mec­caniche, il trattamento deidrotermico ha aumentato la capacità superassorbente e gli ultrasuoni hanno portato a una struttura con pori più piccoli. Di conseguenza, le bioplastiche trattate possono essere utilizzate in diverse applicazioni.

Le recenti tendenze indicano i poliidrossialcanoati (PHA) biocompatibili e biodegradabili come alternative alle pla­stiche convenzionali, che presentano un’ampia varietà di caratteristiche termiche e meccaniche. I PHA sono polie­steri lineari, prodotti mediante processi microbiologici, enzimatici o chimici, ma la loro produzione industriale non è ancora competitiva dal punto di vista dei costi. Per ridurre i costi di produzione sono state studiate fonti di carbonio rinnovabili e poco costose, come macroalghe, olio di arachidi, glicerolo grezzo e siero di latte. Una ri­cerca innovativa ha proposto la produzione di PHA me­diante un processo a tre fasi che consiste nella riduzione del diossido di carbonio ad acetato e butirrato mediante elettrosintesi microbica, nell’estrazione/concentrazione di acetato e butirrato e nella produzione di PHA dagli acidi grassi volatili. Questo processo soddisfa la richiesta di ridurre le emissioni e di convertire un gas a effetto serra in bioplastiche.

Conclusioni

Da quanto esposto in precedenza, la preferenza per le risorse rinnovabili nella chimica deve essere certamente incoraggiata. Per la sintesi dei prodotti organici è neces­saria una fonte di carbonio. Pertanto, l’esaurimento delle risorse di carbonio fossile, petrolio o carbone, annuncerà una nuova era della chimica che si basa solo sulla bio­massa. Ciò avverrà entro la stessa scadenza di fine secolo che si considera per altre questioni ambientali essenziali, e deve quindi essere affrontato ora con un’intensa atti­vità di ricerca. Inoltre, va detto che anche gli incentivi politici verso un’economia biobased sono importanti per promuovere lo sviluppo di questo settore.

Fonte

Chimica Magazine, n. 13 Maggio/Giugno 2023