Trasformare i rifiuti in bioplastica
L'acido polilattico è sempre più utilizzato come plastica biodegradabile negli imballaggi e nei prodotti monouso. Per soddisfare la crescente domanda, i ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un processo per produrre acido lattico da un prodotto di scarto dell'industria dei biocarburanti.
I rifiuti di plastica sono uno dei maggiori problemi ambientali del nostro tempo. La maggior parte delle materie plastiche non è degradabile, ma si decompone semplicemente in frammenti sempre più piccoli. Inoltre, la maggior parte delle materie plastiche è prodotta a partire dal petrolio greggio, una materia prima in via di esaurimento. Esistono però alternative promettenti, come l'acido polilattico (PLA): Questo polimero a base di acido lattico è biodegradabile e si basa su una materia prima rinnovabile. Il PLA è già ampiamente utilizzato in bicchieri monouso, sacchetti di plastica e imballaggi. La domanda di questa bioplastica è in costante aumento e gli esperti prevedono una richiesta fino a un megatone di PLA all'anno entro il 2020.
I gruppi di ricerca dei professori Konrad Hungerbühler e Javier Pérez-Ramírez dell'Istituto di ingegneria chimica e bioingegneria dell'ETH presentano ora un nuovo processo per la produzione di acido lattico. Il loro metodo è più produttivo, più efficiente in termini di costi e più rispettoso del clima rispetto alla fermentazione, che è il modo in cui l'acido lattico viene solitamente prodotto. Il vantaggio maggiore è che il nuovo processo si basa su un prodotto di scarto: la glicerina.
Materiale di scarto dell'industria del biodiesel
La glicerina è un sottoprodotto della produzione di biocarburanti di prima generazione. Come tale, non è pura, ma contiene tracce di ceneri e metanolo. "Nessuno sa cosa fare con questa quantità di glicerina", afferma Merten Morales, dottorando del Gruppo Sicurezza e Tecnologia Ambientale dell'ETH Hungerbühler. E si stanno producendo quantità sempre maggiori: Le stime prevedono un aumento da tre megatonnellate nel 2014 a Chi siamo nel 2020. A causa delle sue impurità, questa glicerina non può essere utilizzata nell'industria chimica o farmaceutica. Inoltre, brucia molto poco e non è quindi adatta alla produzione di energia. "Normalmente dovrebbe essere trattata e trasformata come acqua di scarico. Ma per risparmiare e perché non è molto tossica, alcune aziende la scaricano nei fiumi o la danno in pasto al bestiame", dice Morales. Tuttavia, ci sono sicuramente delle preoccupazioni riguardo agli effetti della glicerina contaminata sugli animali.
Il fatto che il nuovo metodo si basi su un prodotto di scarto è uno dei vantaggi che lo rende più ecologico rispetto ai processi convenzionali. Si basa su due fasi: Nella prima, gli enzimi convertono la glicerina nel prodotto intermedio diidrossiacetone. Successivamente, un catalizzatore eterogeneo guida l'ulteriore reazione per produrre acido lattico.
Catalizzatore ad alte prestazioni
I ricercatori del gruppo di ingegneria catalitica dell'ETH del professor Pérez-Ramírez sono riusciti a ottimizzare il catalizzatore in modo che sia altamente reattivo e abbia una lunga durata. ? costituito da un minerale microporoso, una zeolite, la cui struttura favorisce le reazioni chimiche nei microspazi dei pori. Lavorando a stretto contatto, i due gruppi di ricerca sono stati in grado di migliorare la catalisi passo dopo passo e allo stesso tempo di analizzare la valutazione del ciclo di vita dell'intero processo. "Senza questa analisi e il confronto della valutazione del ciclo di vita con il processo convenzionale, avremmo potuto essere soddisfatti della prima versione del catalizzatore. Ma questa si è rivelata ancora meno ecologica della fermentazione", spiega Pierre Dapsens, dottorando del gruppo Pérez-Ramírez. Migliorando vari aspetti della progettazione del catalizzatore, i ricercatori sono riusciti a superare il processo di fermentazione sia dal punto di vista ambientale che economico.
Spesso i processi industriali vengono resi "sostenibili" semplicemente passando a una materia prima rinnovabile, spiega Cecilia Mondelli, collaboratrice scientifica del Catalysis Engineering Group e anch'essa coinvolta nello studio. "Ma se si considera l'intero processo - dalla fonte della materia prima al prodotto finito, comprese le vie di smaltimento - i processi presumibilmente sostenibili non appaiono necessariamente più sostenibili di quelli convenzionali".
Un terzo in meno di CO2
Tenendo conto dell'aumento della produttività e dell'energia che il nuovo processo consente di risparmiare riciclando un materiale di scarto, le emissioni di CO2-emissioni del 30% rispetto alla fermentazione. Per ogni chilogrammo di acido lattico prodotto, il nuovo processo genera 6 chilogrammi di CO2 rispetto ai 7,5 kg del metodo convenzionale. Inoltre, il processo costa complessivamente meno, il che consente di aumentare il profitto di 17 volte, come hanno calcolato i ricercatori. "Abbiamo fatto ipotesi piuttosto prudenti", dice Morales. "Abbiamo ipotizzato una qualità relativamente alta della glicerina. Ma il processo funziona anche con glicerina più contaminata, che sarebbe ancora più conveniente", consentendo ai produttori di migliorare ulteriormente i loro margini di profitto.
"Sebbene i maggiori produttori di bioplastiche abbiano attualmente sede negli Stati Uniti, il processo è relativamente semplice e può essere utilizzato anche in altri Paesi, ovunque si produca biodiesel e glicerina come sottoprodotto", afferma Dapsens.
Letteratura di riferimento
Morales M, Dapsens PY, Giovinazzo I, Witte J, Mondelli C, Papadokonstantakis S, Hungerbühler K, Pérez-Ramírez J: Environmental and economic assessment of lactic acid production from glycerol using cascade bio- and chemocatalysis. Energy & Environmental Science, 5 novembre 2014, doi: pagina esterna10.1039/C4EE03352C