I potenziali vantaggi nell’utilizzo delle bioplastiche

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Scritto da Marco Cordani il 4 – dicembre – 2009

In questo articolo parlerò di plastiche, sia di quelle tradizionali che di quelle biologiche, al fine di spiegarne le problematiche nell’utilizzo delle prime, e il potenziale vantaggio che potrebbe derivarne dall’utilizzo in larga scala delle seconde; naturalmente darò ampio spazio all’aspetto biotecnologico, più che a quello chimico, della produzione di bioplastiche da parte dei microrganismi. La plastiche tradizionali, impiegate fin dall’inizio del secolo scorso, sono tanti tipi di materiali polimerici diversi, come il polietilene (PE), il polistirene (PS), il polivinilcloruro (PV) e il polipropilene (PP); tutte queste hanno la caratteristica di essere costituite da una molecola ripetuta tante volte, sono perciò dei polimeri che hanno una notevole resistenza meccanica e al calore e si prestano ad essere impiegate nelle più svariate applicazioni; tuttavia ci sono almeno due grossi problemi che riguardano il loro utilizzo, l’uso di fonti di energia non rinnovabile, e il problema dell’accumulo nell’ambiente. E’ infatti noto che la sintesi chimica di questi materiali polimerici derivi dalla combustione del petrolio, che oltre ad inquinare l’atmosfera viene sottratto per altri scopi energetici; inoltre è risaputo che sono materiali molto resistenti alla degradazione, pertanto possono rimanere nell’ambiente anche secoli o millenni, in quanto le comunità microbiche della biosfera non sono in grado di degradare questi composti, o comunque in un tempo assai lungo. Le biotecnologie, intese come lo sfruttamento dei microrganismi per ottenere beni o servizi utili alla società, possono venire in aiuto nel risolvere questi problemi derivanti dall’utilizzo delle plastiche tradizionali; infatti ci sono tante specie di batteri che producono delle molecole che potrebbero essere impiegate nella produzione delle plastiche, che in questo caso si chiamano bioplastiche in quanto ottenute dai microrganismi. Esempio di poliidrossialcanoti, si noti la periodicità delle strutture che si ripete n volte Molte specie di batteri, sia aerobiche che anaerobiche, producono dei polimeri detti poliidrossialcanoati (PHA) che servono per immagazzinare il carbonio quando nel loro ambiente di crescita c’è una carenza di altri nutrienti; quindi se sono in una condizione in cui abbonda una fonte di carbonio (come glucosio), ma scarseggia la fonte di azoto o fosforo, non possono crescere, in quanto N e P sono dei micronutrienti fondamentali nella sintesi delle DNA e delle proteine, ma possono immagazzinare quel carbonio, sottoforma appunto di PHA, e riutilizzarlo quando c’è disponibilità di N e P. Cellule di batteri con i granuli di poliidrossialcanoati I polimeri di PHA, come per esempio il poliidrossibutirrato (PHB), o valerato, sono conservati nella cellula in granuli, e producono molte di quelle molecole, tant’è che alcuni batteri possiedono in certe condizioni dei granuli che occupano fino all’85% del volume cellulare. In particolare si è visto che il PHB, omopolimero dell’idrossibutirrato, è però più fragile rispetto al PE, mentre il PHB/V, copolimero contenete sia il monomero di HB che di HV, ha una maggiore resistenza alla tensione; questo per dire che le proprietà meccaniche dei polimeri dipendono dalla loro composizione che dipende da quella del terreno di crescita. Alcuni microrganismi per esempio, come la Ralstonia Eutrofa, da un unico substrato sono in grado di fare un omopolimero, mentre altri come il Rodococcus, da un’unica fonte di C fanno un copolimero di HV/HB in proporzioni variabili. La biosintesi di questi polimeri, parte dall’acetil-coenzima A, che in seguito a segnali metabolici è sottratto al ciclo di Krebs che è l’importante via metabolica che serve per la formazione di energia sotto forma di ATP; l’acetil-CoA è trasformato da una chetotiolasi in acetoacetil-CoA, il quale diventa substrato di una acetoacetil-CoA reduttasi che lo riduce a idrossibutirril-CoA, e questo è a sua volta substrato di una PHA sintasi che sintetizza il PHB rigenerando il coenzima A. I passaggi schematici di questo processo sono illustrati in figura. In figura sono illustrate le tappe biosintetiche per la sintesi del PHB; il phaA è l'enzima chetiotiolasi, phaB è acetoacetilCoa reduttasi e phaC è la PHB sintetasi. Si noti la competizione dell'acetil-Coa con il ciclo di Krebs Quindi in caso di stress nutritivi si attiveranno quei geni che codificano per l’apparato enzimatico coinvolto nella sintesi dei PHA, mentre se la cellula è in piena fase di crescita prevarrà la via metabolica centrale, che passa appunto per il ciclo di krebs. Si potrebbe quindi sfruttare il metabolismo batterico per ottenere questi macropolimeri, racchiusi nelle loro cellule sottoforma di granuli, e poi da questi sintetizzare plastiche biodegradabili, in quanto i batteri hanno naturalmente gli enzimi per degradare queste molecole visto che le producono loro. Un esempio di questa produzione risale agli anni 80, quando la ICI (imperial chimica industries) produsse un flacone per uno shampoo grazie al recupero del PHB; tale flacone indistinguibile da quello di un polimero derivato dal petrolio, è stato visto che era molto biodegradabile, soprattutto in condizioni di anaerobiosi (fig), infatti in appena 2 mesi il flacone aveva perso l’80% del suo peso; tuttavia gli elevati costi di produzione, ben 10 volte maggiori rispetto al PE, hanno impedito altre produzioni di bioplastiche su scala industriale, e negli ultimi anni la ricerca è volta soprattutto ad abbattere i costi, cercando per esempio ceppi batterici in grado di produrre PHA in condizioni di crescita più “economiche”. Un altro tipo di plastiche biodegrabili sono quelle derivate dall’acido polilattico, polimero sintetizzato chimicamente dell’acido lattico che è il prodotto della fermentazione lattica a partire da amido di mais o canna da zucchero; anche in questo caso i costi di produzione più elevati di quelli dei composti del petrolio hanno ridotto la produzione su larga scala di questa bioplastica. La produzione di bioplastiche è quindi un’attività più sostenibile da un punto di vista ambientale rispetto alle petrol-plastiche, in quanto si usano meno fonti di energia non rinnovabili e introduce meno CO2 se degradata; tuttavia la produzione di bioplastiche risulta ancora legata al petrolio come fonte di energia, anche se solo in parte, in quanto serve energia per le macchine agricole, per poter irrigare coltivazioni e campi, per poter produrre insetticidi e fertilizzanti (a meno che non si utilizzino colture ogm), per il trasporto e per gli impianti di fermentazione. La principale industria italiana produttrice di bioplastiche, la Novamont, afferma che per produrre i suoi prodotti a base d’amido risparmia solo il 20% dell’energia necessaria per produrre un polimero di polietilene (plastica tradizionale).

Fonte: http://www.climatemonitor.it/?p=5807

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