Creare valore dai rifiuti: risorse rinnovabili per produrre diversi tipi di plastica

Un metodo economico e a bassa pressione per convertire la lignina di scarto delle cartiere in prodotti chimici innovativi

Se vogliamo davvero creare quell’economia sostenibile che può salvare il pianeta, bbiamo bisogno di materiali più sostenibili e che i materiali di origine biologica sono una potenziale opzione, ma devono essere abbastanza economici perché possano utilizzarli tutti. Lo studio “Ambient-pressure lignin valorization to high-performance polymers by intensified reductive catalytic deconstruction”, pubblicato su Science Advances  da un team di ricercatori dell’università del Delaware e di Natural Resources Canada si occupa proprio questo tipo di economia e di come riciclare la biomassa in nuovi prodotti. In particolare la lignina, un componente di piante e alberi che rende resistenti le piante.

All’università del Delaware (UD) evidenziano che però «Nell’industria della cellulosa e della carta, tuttavia, la lignina è uno scarto della produzione di prodotti di carta. Questo tipo di lignina, nota come lignina tecnica, è considerata la più sporca dello sporco, qualcosa che non è utilizzabile, tranne forse per bruciarla per riscaldarsi o da aggiungere agli pneumatici come riempitivo».

Ma i ricercatori dell’UD che hanno guidato il team di ricerca dicono che «Questa risorsa ampiamente disponibile – circa 100 milioni di tonnellate di rifiuti tecnici di lignina vengono generati ogni anno nelle cartiere di tutto il mondo – può essere molto più preziosa» e ,lo studio ha dimostrato che «E’ possibile trasformare in modo efficiente la lignina lavorata industrialmente in materie plastiche ad alte prestazioni, come resine per stampa 3D a base biologica e sostanze chimiche preziose». Un’analisi economica e del ciclo di vita rivela che l’approccio può essere competitivo anche con prodotti simili a base di petrolio.

Lo studio pubblicato su Science Advances descrive il nuovo  e il leader del team di ricerca, Thomas Epps, dei Dipartimenti di chimica e scienza e ingegneria dei materiali e del Center for Research in Soft matter and Polymers dell’UD. evidenzia che «La capacità di prendere qualcosa come la lignina tecnica e non solo scomporla e trasformarla in un prodotto utile, ma di farlo a un costo e un impatto ambientale inferiore ai materiali petroliferi è qualcosa che nessuno è stato davvero in grado di mostra prima».

Uno dei problemi principali con la lignina è che la maggior parte dei processi per trasformarla richiedono pressioni molto elevate e sono costosi. I principali svantaggi delle attuali tecniche industriali riguardano i problemi di sicurezza, i costi di capitale e il consumo di energia associati ai solventi, alle temperature o alle pressioni utilizzati nel processo. Per superare queste sfide, il team di ricerca ha sostituito il metanolo, un solvente tradizionale utilizzato nella decostruzione della lignina, con la glicerina, facendo in modo che il processo potesse essere eseguito a pressione atmosferica (ambiente) normale. La glicerina è un ingrediente poco costoso utilizzato in cosmetici liquidi, saponi, shampoo e lozioni per le sue capacità idratanti. Ma qui, la glicerina aiuta a scomporre la lignina in blocchi chimici che possono essere utilizzati per realizzare un’ampia gamma di prodotti a base biologica, dalle resine per stampa 3D a diversi tipi di plastica, composti aromatici e profumati, antiossidanti e altro ancora.

All’UD sottolineano che «L’uso della glicerina ha fornito la stessa funzionalità chimica del metanolo, ma a una pressione di vapore molto più bassa, il che elimina la necessità di un sistema chiuso. Questa modifica ha consentito ai ricercatori di eseguire simultaneamente le fasi di reazione e separazione, portando a un sistema più conveniente. Il funzionamento a pressione atmosferica è più sicuro. Altrettanto importante, fornisce anche un percorso semplice per andare oltre i piccoli lotti ed eseguire il processo continuamente, creando più materiale con meno manodopera in un processo più economico e veloce».

Una delle autrici dello studio, Paula Pranda, ora all’università del Colorado – Boulder, ha contribuito a ottimizzare il processo e ha anche studiato i dataset disponibili sui tipi di prodotti che il team potrebbe creare e ne ha stimato le proprietà fisiche. Questo ha permesso al coautore Yuqing Luo, di modellare il sistema per vedere se fosse economicamente fattibile. Luo ha dimostrato che «Il metodo a bassa pressione del team UD può ridurre i costi di produzione di un adesivo biosensibile alla pressione dalla lignina Kraft di legno tenero fino al 60% rispetto al processo a pressione più elevata». In termini di costi, il vantaggio è stato meno pronunciato per gli altri tipi di lignina tecnica utilizzati nello studio, ma la lignina Kraft di legno tenero è tra i tipi di lignina tecnica più abbondanti generati con me scarto dall’industria della cellulosa e della carta.

Per la Pranda, «Collaborare con studenti mei coetanei al di fuori della mia area di competenza, come Luo, il cui lavoro si concentra sulla modellazione dei processi chimici per comprenderne i costi, è stato illuminante. Non avevo mai fatto parte di una collaborazione prima e ho acquisito informazioni su come funzionano questi altri campi dell’ingegneria chimica».

Secondo il principale autore dello studio,  Robert O’Dea del Department of chemical and biomolecular engineering dell’UD, «I contributi dei modelli economici di Luo sono stati fondamentali per sapere se perseguire questa linea di ricerca. Sapevamo di poterlo fare fisicamente, ma dovevamo sapere se avesse effettivamente un senso finanziario per farlo sulla scala di un impianto chimico. L’analisi di Yuqing ha mostrato di sì».

La valutazione dei rifiuti tecnici di lignina provenienti da diversi tipi di processi di spappolamento, ottenuta grazie alla collaborazione della canadese CanmetENERGY, ha consentito a Luo di capire come i costi a monte, come il prezzo o la resa della materia prima, avrebbero un impatto sull’economia a valle del processo.

E i ricercatori del team di Epps dicono che «Sebbene l’analisi abbia dimostrato che la resa gioca un ruolo importante nell’economia dell’impianto, il costo per far funzionare il nuovo processo a bassa pressione è stato in tutti i casi significativamente inferiore a quello del processo convenzionale a causa dei costi di capitale ridotti e della generazione di preziosi co-prodotti».

Luo ha anche eseguito una valutazione del ciclo di vita per comprendere la quantità di emissioni di gas serra risultanti dalla produzione dei materiali e ricorda che «Avere una buona gestione dei costi in ogni fase può aiutare i ricercatori a esplorare modi per ottimizzare il processo e l’infrastruttura della catena di approvvigionamento dei materiali. Stavamo cercando di avere il quadro più ampio, non solo i costi del processo, ma anche gli impatti ambientali durante l’intera operazione»

Questo progetto collaborativo è nato dagli incontri tra docenti e studenti coinvolti nel lavoro di gestione del ciclo di vita dei materiali dell’UD, nell’ambito del programma NSF GCR, e per Epps questo tipo di approccio «Crea un lavoro naturalmente ad alto impatto perché il programma NSF GCR ci incoraggia ad affrontare allo stesso tempo aspetti come la scienza dei materiali e l’impatto ambientale. Quindi, stiamo superando più colli di bottiglia e ostacoli contemporaneamente attraverso la collaborazione interdisciplinare.

La Pranda  conclude: «E che dire del potenziale del metodo sviluppato da UD per trasformare i rifiuti in prodotti di valore? Dimostra che esiste un grande potenziale per l’utilizzo di risorse rinnovabili per produrre diversi tipi di plastica. Non è necessario utilizzare combustibili fossili, anche la plastica proveniente da risorse rinnovabili può essere economicamente fattibile».

fonte: greenreport.it