BIOPLASTICHE: COME VENGONO PRODOTTE, TIPOLOGIE, VANTAGGI, SVANTAGGI - AMBIENTE - 2024

Le bioplastiche sono qualsiasi materiale malleabile a base di polimeri di origine petrolchimica o biomasse biodegradabili. Simili alle plastiche tradizionali sintetizzate dal petrolio, queste possono essere modellate in vari oggetti.

A seconda della loro origine, le bioplastiche possono essere ottenute da biomasse (biobased) o essere di origine petrolchimica. D'altra parte, a seconda del loro livello di decomposizione, ci sono bioplastiche biodegradabili e non biodegradabili.

Posate in poliestere amido biodegradabile. Fonte: Scott Bauer

L'aumento delle bioplastiche nasce in risposta agli inconvenienti generati dalle plastiche convenzionali. Questi includono l'accumulo di plastica non biodegradabile negli oceani e nelle discariche.

D'altra parte, le plastiche convenzionali hanno un'elevata impronta di carbonio e un alto contenuto di elementi tossici. Al contrario, le bioplastiche presentano diversi vantaggi poiché non producono elementi tossici e sono generalmente biodegradabili e riciclabili.

Tra i principali svantaggi delle bioplastiche ci sono il loro alto costo di produzione e la minore resistenza. Inoltre, alcune delle materie prime utilizzate sono potenziali prodotti alimentari, il che pone un problema economico ed etico.

Alcuni esempi di oggetti in bioplastica sono borse biodegradabili e parti di veicoli e telefoni cellulari.

Caratteristiche delle bioplastiche

Importanza economica e ambientale delle bioplastiche

Vari oggetti utilitari realizzati con bioplastiche. Fonte: Hwaja Götz, tramite Wikimedia Commons

Recentemente c'è stato un maggiore interesse scientifico e industriale nella produzione di plastica da materie prime rinnovabili e che sono biodegradabili.

Ciò è dovuto al fatto che le riserve mondiali di petrolio si stanno esaurendo e c'è una maggiore consapevolezza riguardo ai gravi danni ambientali causati dalla petroplastica.

Con una crescente domanda di plastica nel mercato mondiale, è in aumento anche la domanda di plastica biodegradabile.

biodegradabilità

I rifiuti di bioplastica biodegradabile possono essere trattati come rifiuti organici, a rapida degradazione e non inquinanti. Ad esempio, possono essere utilizzati come ammendanti del suolo nel compostaggio, poiché sono naturalmente riciclati da processi biologici.

Bioplastiche con innumerevoli usi commerciali. Fonte: F. Kesselring, FKuR Willich, tramite Wikimedia Commons

Limitazioni delle bioplastiche

La produzione di bioplastiche biodegradabili deve affrontare grandi sfide, perché le bioplastiche hanno proprietà inferiori alle petroplastiche e la loro applicazione, sebbene in crescita, è limitata.

Miglioramento delle proprietà delle bioplastiche

Per migliorare le proprietà delle bioplastiche, si stanno sviluppando miscele di biopolimeri con vari tipi di additivi, come nanotubi di carbonio e fibre naturali modificate chimicamente.

In generale, gli additivi applicati alle bioplastiche migliorano proprietà quali:

• Rigidità e resistenza meccanica.
• Proprietà barriera contro gas e acqua.
• Termoresistenza e termostabilità.

Queste proprietà possono essere ingegnerizzate nella bioplastica attraverso metodi di preparazione e lavorazione chimica.

Come vengono prodotte le bioplastiche?

Bioplastica per imballaggi in amido termoplastico. Fonte: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Breve storia

Le bioplastiche sono anteriori alle plastiche sintetiche convenzionali derivate dal petrolio. L'utilizzo di polimeri di materia vegetale o animale per la produzione di materiale plastico risale al XVIII secolo con l'utilizzo della gomma naturale (lattice di Hevea brasiliensis).

La prima bioplastica, anche se non le è stato dato quel nome, fu sviluppata nel 1869 da John Wesley Hyatt Jr., che produsse una plastica derivata dalla cellulosa di cotone in sostituzione dell'avorio. Allo stesso modo, alla fine del XIX secolo, la caseina del latte veniva utilizzata per la produzione di bioplastiche.

Negli anni '40, la società Ford esplorò alternative per l'uso di materie prime vegetali per realizzare parti per le sue auto. Questa linea di ricerca è stata stimolata dalle restrizioni sull'uso dell'acciaio durante la guerra.

Di conseguenza, durante l'anno 1941 la società sviluppò un modello di auto con una carrozzeria costruita principalmente da derivati ​​della soia. Tuttavia, dopo la fine della guerra, questa iniziativa non è stata portata avanti.

Nel 1947 fu prodotta la prima bioplastica tecnica, Polyamide 11 (Rilsan come marchio). Successivamente, negli anni '90, sono emersi PLA (acido polilattico), PHA (poliidrossialcanoati) e amidi plastificati.

-Materiale grezzo

Le bioplastiche a base biologica sono quelle prodotte dalla biomassa vegetale. Le tre fonti fondamentali di materia prima per biobased sono le seguenti.

Polimeri naturali di biomassa

Possono essere utilizzati polimeri naturali prodotti direttamente dalle piante, come l'amido o gli zuccheri. Ad esempio, la "plastica di patate" è una bioplastica biodegradabile a base di fecola di patate.

Polimeri sintetizzati da monomeri di biomassa

Una seconda alternativa è sintetizzare polimeri da monomeri estratti da fonti vegetali o animali. La differenza tra questa via e la precedente è che qui è richiesta una sintesi chimica intermedia.

Ad esempio, il Bio-PE o polietilene verde è prodotto dall'etanolo ottenuto dalla canna da zucchero.

Le bioplastiche possono anche essere prodotte da fonti animali come i glicosaminoglicani (GAG), che sono proteine ​​del guscio d'uovo. Il vantaggio di questa proteina è che permette di ottenere bioplastiche più resistenti.

Biotecnologia basata su colture batteriche

Un altro modo per produrre polimeri per bioplastiche è attraverso la biotecnologia attraverso colture batteriche. In questo senso, molti batteri sintetizzano e immagazzinano polimeri che possono essere estratti e processati.

Per questo, i batteri vengono coltivati ​​in modo massiccio in terreni di coltura adeguati e quindi elaborati per purificare il polimero specifico. Ad esempio, PHA (poliidrossialcanoati) è sintetizzato da diversi generi batterici che crescono in un mezzo con un eccesso di carbonio e senza azoto o fosforo.

I batteri immagazzinano il polimero sotto forma di granuli nel citoplasma, che vengono estratti elaborando le masse batteriche. Un altro esempio è il PHBV (PolyhydroxyButylValerate), che si ottiene da batteri alimentati con zuccheri ottenuti da resti vegetali.

Il limite maggiore delle bioplastiche ottenute in questo modo è il costo di produzione, dovuto principalmente ai terreni di coltura richiesti.

Combinazione di polimero naturale e polimero biotecnologico

L'Università dell'Ohio ha sviluppato una bioplastica abbastanza forte combinando gomma naturale con bioplastica PHBV, perossido organico e triacrilato di trimetilolpropano (TMPTA).

-Processo produttivo

Le bioplastiche sono ottenute con vari processi, a seconda della materia prima e delle proprietà desiderate. Le bioplastiche possono essere ottenute attraverso processi elementari o processi industriali più complessi.

Processo di base

Può essere fatto cuocere e modellare nel caso di utilizzo di polimeri naturali, come amido o mais o fecola di patate.

Quindi, una ricetta elementare per produrre una bioplastica è mescolare amido di mais o fecola di patate con acqua, aggiungendo glicerina. Successivamente, questa miscela viene cotta fino a quando non si addensa, modellata e lasciata asciugare.

Processi di media complessità

Nel caso delle bioplastiche prodotte con polimeri sintetizzati da monomeri di biomassa, i processi sono un po 'più complessi.

Ad esempio, il Bio-PE ottenuto dall'etanolo della canna da zucchero richiede una serie di passaggi. La prima cosa è estrarre lo zucchero dalla canna per ottenere l'etanolo attraverso la fermentazione e la distillazione.

Quindi l'etanolo viene disidratato e si ottiene etilene, che deve essere polimerizzato. Infine, utilizzando macchine termoformatrici, vengono prodotti oggetti basati su questa bioplastica.

Processi complessi e più costosi

Quando si fa riferimento alle bioplastiche prodotte da polimeri ottenuti dalla biotecnologia, la complessità e i costi aumentano. Questo perché sono coinvolte colture batteriche che richiedono terreni di coltura e condizioni di crescita specifici.

Questo processo si basa sul fatto che alcuni batteri producono polimeri naturali che sono in grado di immagazzinare all'interno. Pertanto, a partire dagli elementi nutritivi appropriati, questi microrganismi vengono coltivati ​​e processati per estrarre i polimeri.

Le bioplastiche possono essere prodotte anche da alcune alghe come il Botryococcus braunii. Questa microalga è in grado di produrre e persino espellere idrocarburi nell'ambiente, da cui si ottengono combustibili o bioplastiche.

-Fabbricazione di prodotti a base di bioplastiche

Il principio di base è lo stampaggio dell'oggetto, grazie alle proprietà plastiche di questo composto mediante pressione e calore. La lavorazione avviene per estrusione, iniezione, iniezione e soffiaggio, soffiaggio di preforme e termoformatura e infine viene sottoposta a raffreddamento.

tipi

Confezione in acetato di cellulosa. Fonte: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

Gli approcci alla classificazione delle bioplastiche sono diversi e non sono privi di controversia. In ogni caso, i criteri utilizzati per definire le diverse tipologie sono l'origine e il livello di decomposizione.

-Origine

Secondo un approccio generalizzato, le bioplastiche possono essere classificate in base alla loro origine come biobased o non biobased. Nel primo caso i polimeri sono ottenuti da biomasse vegetali, animali o batteriche e sono quindi risorse rinnovabili.

D'altra parte, le bioplastiche non biobased sono quelle prodotte con polimeri sintetizzati dal petrolio. Tuttavia, poiché provengono da una risorsa non rinnovabile, alcuni specialisti ritengono che non debbano essere trattati come bioplastiche.

-Livello di decomposizione

Per quanto riguarda il livello di decomposizione, le bioplastiche possono essere biodegradabili o meno. Quelli biodegradabili si decompongono in periodi di tempo relativamente brevi (da giorni a pochi mesi) se sottoposti a condizioni adeguate.

Da parte loro, le bioplastiche non biodegradabili si comportano come le plastiche convenzionali di origine petrolchimica. In questo caso, il periodo di decadimento viene misurato in decenni e persino secoli.

C'è polemica anche su questo criterio, poiché alcuni studiosi ritengono che una vera bioplastica debba essere biodegradabile.

-Origine e biodegradazione

Quando i due criteri precedenti vengono combinati (origine e livello di decomposizione), le bioplastiche possono essere classificate in tre gruppi:

1. Proveniente da materie prime rinnovabili (biobased) e biodegradabili.
2. Quelli ottenuti da materie prime rinnovabili (biobased), ma non biodegradabili.
3. Ottenuto da materie prime di origine petrolchimica, ma biodegradabili.

È importante notare che per considerare un polimero come bioplastica, deve entrare in una di queste tre combinazioni.

Base biologica biodegradabile

Tra le bioplastiche biobased e biodegradabili abbiamo l'acido polilattico (PLA) e il poliidrossialcanoato (PHA). Il PLA è una delle bioplastiche più utilizzate ed è ottenuto principalmente dal mais.

Questa bioplastica ha proprietà simili al polietilene tereftalato (PET, plastica di tipo poliestere convenzionale), sebbene sia meno resistente alle alte temperature.

Da parte sua, il PHA ha proprietà variabili a seconda del polimero specifico che lo costituisce. È ottenuto da cellule vegetali o mediante biotecnologia da colture batteriche.

Queste bioplastiche sono molto sensibili alle condizioni di lavorazione e il loro costo è fino a dieci volte superiore rispetto alle plastiche convenzionali.

Un altro esempio di questa categoria è PHBV (PolyhydroxyButylValerate), che si ottiene da resti vegetali.

Base biologica-non biodegradabili

In questo gruppo abbiamo il bio-polietilene (BIO-PE), con proprietà simili a quelle del polietilene convenzionale. Da parte sua, il Bio-PET ha caratteristiche simili al polietilentereftalato.

Entrambe le bioplastiche sono comunemente prodotte dalla canna da zucchero, ottenendo il bioetanolo come prodotto intermedio.

Anche la bio-poliammide (PA), bioplastica riciclabile con ottime proprietà di isolamento termico, appartiene a questa categoria.

-Non-biobased biodegradabili

La biodegradabilità ha a che fare con la struttura chimica del polimero e non con il tipo di materia prima utilizzata. Pertanto, le plastiche biodegradabili possono essere ottenute dal petrolio con una lavorazione adeguata.

Un esempio di questo tipo di bioplastica sono i policaprolattoni (PCL), che vengono utilizzati nella produzione di poliuretani. Si tratta di una bioplastica ottenuta da derivati ​​del petrolio come il polibutilene succinato (PBS).

Vantaggio

Involucro di caramelle in PLA (acido polilattico). Fonte: F. Kesselring, FKuR Willich

Sono biodegradabili

Sebbene non tutte le bioplastiche siano biodegradabili, la verità è che per molte persone questa è la loro caratteristica fondamentale. La ricerca di quella proprietà, infatti, è uno dei motori fondamentali del boom delle bioplastiche.

Le plastiche convenzionali a base di petrolio e non biodegradabili impiegano centinaia e persino migliaia di anni per rompersi. Questa situazione rappresenta un problema serio, poiché le discariche e gli oceani si riempiono di plastica.

Per questo motivo, la biodegradabilità è un vantaggio molto rilevante, poiché questi materiali possono decomporsi in settimane, mesi o pochi anni.

Non inquinano l'ambiente

Poiché sono materiali biodegradabili, le bioplastiche smettono di occupare lo spazio come spazzatura. Inoltre, hanno l'ulteriore vantaggio che nella maggior parte dei casi non contengono elementi tossici che possono rilasciare nell'ambiente.

Hanno un'impronta di carbonio inferiore

Sia nel processo di produzione delle bioplastiche, sia nella loro decomposizione, viene rilasciata meno CO2 rispetto al caso delle plastiche convenzionali. In molti casi, non rilasciano metano o lo fanno in quantità ridotte e quindi hanno scarso impatto sull'effetto serra.

Ad esempio, le bioplastiche ottenute dall'etanolo dalla canna da zucchero riducono le emissioni di CO2 fino al 75% rispetto a quelle derivate dal petrolio.

Più sicuro per trasportare cibo e bevande

In generale, nell'elaborazione e nella composizione delle bioplastiche non vengono utilizzate sostanze tossiche. Pertanto, rappresentano un minor rischio di contaminazione per gli alimenti o le bevande in essi contenuti.

A differenza delle plastiche convenzionali che possono produrre diossine e altri componenti inquinanti, le bioplastiche biobased sono innocue.

svantaggi

Gli inconvenienti sono principalmente legati al tipo di bioplastica utilizzata. Tra gli altri abbiamo i seguenti.

Meno resistenza

Un limite che la maggior parte delle bioplastiche ha rispetto alle plastiche convenzionali è la loro minore resistenza. Tuttavia, questa proprietà è ciò che è associato alla sua capacità di biodegradarsi.

Costo maggiore

In alcuni casi, le materie prime utilizzate per la produzione di bioplastiche sono più costose di quelle del petrolio.

D'altra parte, la produzione di alcune bioplastiche implica costi di lavorazione più elevati. In particolare, questi costi di produzione sono più elevati in quelli prodotti attraverso processi biotecnologici, compresa la coltivazione di massa di batteri.

Conflitto di utilizzo

Le bioplastiche prodotte da materie prime alimentari competono con i bisogni umani. Pertanto, poiché è più redditizio dedicare le colture alla produzione di bioplastiche, queste vengono rimosse dal circuito di produzione alimentare.

Tuttavia, questo svantaggio non si applica a quelle bioplastiche ottenute da rifiuti non commestibili. Tra questi rifiuti abbiamo resti di colture, alghe non commestibili, lignina, gusci d'uovo o esoscheletri di aragosta.

Non sono facili da riciclare

La bioplastica PLA è molto simile alla plastica PET (polietilene tereftalato) convenzionale, ma non è riciclabile. Pertanto, se entrambi i tipi di plastica vengono mescolati in un contenitore per il riciclaggio, questo contenuto non può essere riciclato.

A questo proposito, si teme che il crescente utilizzo del PLA possa ostacolare gli sforzi esistenti per riciclare la plastica.

Esempi e loro usi di prodotti realizzati con bioplastiche

Contenitore per vino realizzato con bioplastica da scarti agricoli e miceli. Fonte: Mycobond

-Oggetti usa e getta o usa e getta

Gli articoli che generano più rifiuti sono contenitori, involucri, piatti e posate legate a fast food e shopping bag. Pertanto, in questo campo le bioplastiche biodegradabili svolgono un ruolo rilevante.

Per questo motivo sono stati sviluppati diversi prodotti a base di bioplastiche per influenzare la riduzione della produzione di rifiuti. Tra gli altri abbiamo il sacchetto biodegradabile realizzato con Ecovio di BASF o la bottiglia di plastica in PLA ottenuta dal mais da Safiplast in Spagna.

Capsule d'acqua

L'azienda Ooho ha creato capsule biodegradabili di alghe con acqua, invece delle tradizionali bottiglie. Questa proposta è stata molto innovativa e di successo ed è già stata testata nella maratona di Londra.

agricoltura

In alcune colture come le fragole, una pratica comune è quella di coprire il terreno con un telo di plastica per controllare le erbacce ed evitare il congelamento. In questo senso, le imbottiture in bioplastica come Agrobiofilm sono state sviluppate per sostituire le plastiche convenzionali.

-Oggetti per applicazioni durevoli

L'uso delle bioplastiche non è limitato agli oggetti di utilizzo e smaltimento ma può essere utilizzato in oggetti più durevoli. Ad esempio, l'azienda di Zoë b Organic produce giocattoli da spiaggia.

Componenti di apparecchiature complesse

Toyota utilizza la bioplastica in alcuni ricambi auto, come componenti per condizionatori d'aria e pannelli di controllo. Per questo utilizza bioplastiche come Bio-PET e PLA.

Da parte sua, Fujitsu utilizza la bioplastica per realizzare mouse per computer e parti di tastiere. Nel caso dell'azienda Samsung, alcuni telefoni cellulari hanno alloggiamenti realizzati in gran parte in bioplastica.

-Edilizia e ingegneria civile

Le bioplastiche a base di amido sono state utilizzate come materiali da costruzione e bioplastiche rinforzate con nanofibre negli impianti elettrici.

Inoltre, sono stati utilizzati nella produzione di legni da arredamento in bioplastica, che non vengono attaccati da insetti xilofagi e non marciscono con l'umidità.

-Applicazioni farmaceutiche

Sono stati realizzati con capsule di bioplastica contenenti farmaci e veicoli farmacologici che vengono rilasciati lentamente. Pertanto, la biodisponibilità dei farmaci è regolata nel tempo (la dose che il paziente riceve in un dato tempo).

-Applicazioni mediche

Le bioplastiche di cellulosa applicabili negli impianti, l'ingegneria dei tessuti, le bioplastiche di chitina e chitosano sono state prodotte per la protezione delle ferite, l'ingegneria del tessuto osseo e la rigenerazione della pelle umana.

Sono state prodotte anche bioplastiche di cellulosa per biosensori, miscele con idrossiapatite per la produzione di impianti dentali, fibre bioplastiche nei cateteri, tra gli altri.

-Trasporto aereo, marittimo e terrestre e industria

Sono state utilizzate schiume rigide a base di oli vegetali (bioplastiche), sia in dispositivi industriali che di trasporto; ricambi auto e parti aerospaziali.

Anche componenti elettronici di telefoni cellulari, computer, dispositivi audio e video sono stati prodotti dalla bioplastica.

-Farming

Gli idrogel in bioplastica, che assorbono e trattengono l'acqua e possono rilasciarla lentamente, sono utili come coperte protettive per i terreni coltivati, mantenendone l'umidità e favorendo la crescita delle piantagioni agricole nelle regioni aride e nelle basse stagioni piovose.

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