Il futuro dei poliesteri da fonti rinnovabili

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L’attuale situazione tecnologica, sociale ed economica stimola le ricerche volte a sviluppare materiali da risorse rinnovabili come alternative agli attuali polimeri fossili. Le materie prime rinnovabili sono potenzialmente in grado di fornire un’ampia varietà di polimeri, tanto quanto quelli attualmente prodotti dall’industria petrolchimica.

I poliesteri sono sicuramente i più promettenti tra le famiglie di polimeri basati su risorse rinnovabili, grazie alla loro vasta gamma di proprietà, tra cui la capacità di formare fibre, la potenziale biodegradabilità e, in alcuni casi, la biocompatibilità, ma anche per le loro vaste applicazioni (bottiglie, fibre, ecc.) e per la facilità di reperimento dei bio-monomeri usati per la loro preparazione.

A proposito di quest’ultimo punto, numerose sostanze chimiche provenienti dalle biomasse sono oggi disponibili in grandi quantità e pronte per essere utilizzate come materie prime per la produzione di poliesteri: polisaccaridi (ad es. cellulosa ed emicellulosa), lignina, oli vegetali, acidi organici, glicerolo, suberina, cutina, e molti altri.

Finora non sono state pubblicate rassegne complete dedicate ai poliesteri da fonti rinnovabili, quindi C. Vilela et al. (Polym. Chem., 5, 2014, 3119) hanno raccolto i progressi recenti in questo campo. La trattazione riguarda sia i poliesteri che per le loro proprietà potrebbero sostituire i polimeri derivati dai combustibili fossili, sia quelli con proprietà completamente innovative per nuove applicazioni. I poliesteri possono essere suddivisi in alifatici ed aromatici in base alla loro struttura chimica.

I poliesteri alifatici si degradano in tempi ragionevolmente brevi, ma il loro utilizzo rimane limitato a causa degli elevati costi di produzione e della mancanza di proprietà adeguate per la sostituzione completa delle plastiche convenzionali. Gli esempi più importanti di questa categoria dal punto di vista industriale sono:

  • il PLA, che deriva da monomeri naturali ed è uno dei prodotti industriali più promettenti grazie alla sua potenzialità di sostituire polimeri derivati dal petrolio come il PET, il polistirene e il policarbonato. Le principali applicazioni del PLA sono negli imballaggi a breve termine, a causa dei suoi tempi di biodegradazione molto brevi (da 1 a 4 anni). Attualmente, NatureWorks LLC (Blair, Nebraska, USA) è il principale produttore di PLA con il marchio Ingeo™. La ricerca è attualmente focalizzata sul miglioramento di alcune specifiche proprietà, come la sua scarsa durezza e la sua idrofobicità, al fine di ampliare la gamma delle sue applicazioni.
  • I poli-idrossialcanoati (PHA) sono una classe di polimeri prodotti da una varietà di microrganismi come materiale di immagazzinamento. I PHA sono una classe importante di poliesteri che sono stati identificati come alternative promettenti ai tradizionali polimeri. Il PHA più semplice e il più usato è il poli(3-idrossibutirrato) (PHB). Bio-On (Bologna, Italia) è attualmente il principale fornitore di PHA con il marchio Minerv-PHA™.

I poliesteri aromatici sono i più studiati ed hanno una quota di mercato più elevata dei poliesteri alifatici, essenzialmente grazie alle loro proprietà utili per il packaging, come il peso molecolare elevato, la temperatura di fusione e di transizione vetrosa, le proprietà meccaniche.

Importanti esempi di poliesteri aromatici includono il PET termoplastico, che ha però precursori a base fossile ed è resistente all’attacco microbico e non degradabile in condizioni ambientali normali. Pertanto, uno sforzo significativo nel campo dei poliesteri aromatici deve essere volto ad ottenere i seguenti risultati:

(i)ottenere poliesteri aromatici usando monomeri di origine rinnovabile invece delle controparti petrolchimiche;

(ii)modificare i poliesteri aromatici derivati dal petrolio, al fine di renderli chimicamente o biologicamente degradabili.

I poliesteri alifatici-aromatici sono una classe di poliesteri a metà strada tra le 2 sopra citate, che sono attualmente oggetto di interesse, perché ci si aspetta che mostrino sia una buona biodegradabilità sia buone proprietà applicative. La DuPont™ ha immesso sul mercato poliesteri da fonti parzialmente rinnovabili a base di tereftalato, chiamati Sorona® EP PTT, poly(trimethyleneterephthalate), che sono materiali alifatici-aromatici conformi all’utilizzo per i prodotti alimentari. Un altro esempio viene dalla Coca-Cola Company, che utilizza la PlantBottle™ di prima generazione, una bottiglia in PET completamente riciclabile composta da materiale vegetale al 30%.

Inoltre, la Coca-Cola Company, insieme a Danone e ALPLA, stanno collaborando alla piattaforma di sviluppo congiunto denominata “Avantium” ed hanno annunciato la produzione della prima bottiglia a base di PEF, poly(ethylene-2,5-furandicarboxylate), un polimero a base biologica e riciclabile al 100%, che si spera possa sostituire le bottiglie in PET.

Prospettive future

Nel corso degli anni sono state sollevate diverse giuste questioni relative ai poliesteri provenienti da fonti rinnovabili, tra cui le seguenti 2 domande:

1) Quali poliesteri possono essere prodotti a costi competitivi a partire da risorse rinnovabili?

2) I poliesteri da risorse rinnovabili sono alternative valide alle controparti petrolchimiche?

Le sfide future che dovranno essere affrontate per quanto riguarda la produzione di poliesteri a base di risorse rinnovabili, come anche in generale delle bioplastiche, sono:

(i) realizzare una gestione sostenibile delle materie prime;

(ii) realizzare una produzione sostenibile;

(iii) ottenere materiali con buone proprietà;

(iv) ridurre i costi di produzione, che attualmente sono alti se paragonati a quelli dei corrispondenti prodotti petrolchimici. Attualmente i costi maggiori sono legati alle materie prime a base biologica. Una soluzione indicata da molti per rendere queste sostanze disponibili a prezzi competitivi è quella associata al concetto di bioraffineria.

In termini generali, questo concetto descrive una piattaforma in cui le biomasse vengono trasformate in una serie di prodotti, tra cui carburanti, prodotti chimici e materiali. In effetti, l’uso delle biomasse nell’industria chimica è già una realtà, anche se su piccola scala.

Tra le bioraffinerie del futuro, quelle che tratteranno le materie prime lignocellulosiche saranno probabilmente quelle che avranno più successo, da un lato, a causa della disponibilità di materie prime a prezzi competitivi (ad esempio rifiuti agroalimentari) e, dall’altro, perché non sono in concorrenza con la produzione di alimenti.

Conclusioni

La strada a breve-medio termine per stimolare la diffusione dei poliesteri da fonti rinnovabili può quindi essere vista in 2 passaggi:

  • realizzare bio-versioni degli esistenti poliesteri fossili;
  • sostituire progressivamente i prodotti derivati dal petrolio (polietilene, polipropilene, PET), con i loro omologhi rinnovabili.

Bibliografia, Vilela et al., Polym. Chem., 5, 2014, 3119

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