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La ricetta per la bioplastica: gamberi in aceto

Come ricavare bioplastica dai crostacei

Il problema dell’eliminazione dei rifiuti in plastica è ormai noto. Meno conosciuto è quello dello smaltimento dei gusci provenienti dall’industria alimentare dei crostacei, che genera circa 8 milioni di tonnellate di scarti all’anno. Ma qual è collegamento tra plastica e carapaci? Ebbene, riciclando quest’ultimi è possibile ottenere un materiale biodegradabile con proprietà simili alla plastica, detto bioplastica.

Chitina e chitosano

I gusci dei crostacei (ma anche quelli degli insetti) contengono chitina, un polisaccaride costituito da più unità di N-acetilglucosammina legate tra di loro con un legame di tipo β-1,4; queste catene di polimeri sono a loro volta legate da legami idrogeno. Dalla deacitilazione della chitina (eliminando il gruppo acetile -COCH3) si ricava il chitosano. Chitina e chitosano, come si può facilmente intuire considerando la loro origine dall’esoscheletro, hanno la caratteristica di essere duri e forti.

Chitosano come bioplastica

Con il termine bioplastica intendiamo un tipo di plastica derivata da sostanze organiche e biodegradabili. Dal chitosano unito all’agar (polisaccaride dalle alghe rosse usato come gelificante) si ottiene un materiale denominato MarinaTex: un foglio flessibile, idrofilo e resistente, utilizzabile come plastica monouso. Per esempio può sostituire le borse di plastica della spesa e la pellicola alimentare (peraltro il chitosano possiede proprietà antibatteriche).

Ma il chitosano è trasformabile in bioplastica anche quando usato singolarmente, infatti solubilizzato in aceto (acido acetico al 5%) da origine a un gel simile alla plastica, malleabile secondo la forma desiderata e modulabile anche in rigidità, flessibilità, chiarezza ottica e spessore. A rendere il tutto più interessante il fatto che l’operazione è reversibile, ovvero una volta fatto essiccare il gel secondo la forma desiderata, è possibile ritornare alla soluzione bioplastica di partenza semplicemente reidratando con acqua e aceto[1].

Limiti della trasformazione del chitosano in bioplastica

Allora perché si sente ancora poco parlare di bioplastiche dai crostacei? Le motivazioni sono sia di natura logistica che economico/tecnologica. Dal punto di vista logistico la materia prima organica dovrebbe trovarsi nelle vicinanze dell’industria poiché deteriorabile, ossia dovrebbe esserci un approvvigionamento locale vicino a ogni impianto di trasformazione.

Per quanto riguarda l’aspetto economico/tecnologico, la plastica sintetica ha un prezzo di produzione molto inferiore poiché il petrolchimico può contare su economie di scala consolidate, mentre la commercializzazione e la ricerca tecnologica per ottimizzare la produzione di bioplastiche sono ancora all’inizio.

Infatti estrarre il chitosano dall’esoscheletro è difficoltoso. Per farlo è necessario separare la chitina dal carbonato di calcio e dalle proteine a cui è legata. Il primo si rimuove impiegando acido cloridrico (HCl), un acido forte, le seconde attraverso l’uso di idrossido di sodio (NaOH), una base forte. La chitina così ottenuta va poi nuovamente miscelata con una soluzione concentrata di NaOH.

Le sostanze chimiche utilizzate nel processo sono altamente corrosive e contaminanti. Ciò comporta per le aziende costi elevati per acquistare apparecchiature resistenti alla corrosione, per la tecnologia atta a catturare le emissioni di CO2 (liberata dalla reazione del carbonato di calcio con HCl) e per il trattamento delle acque reflue. Parlando di acqua va poi fatto presente che per produrre 1 kg di chitina servono circa 530 litri di acqua dolce. Inoltre le sostanze aggressive impiegate provocano reazioni che recidono anche le lunghe catene polimeriche responsabili della resistenza della bioplastica finale[2].

Soluzioni

Evidentemente serve studiare metodiche di estrazione che riducano l’impiego di reagenti corrosivi e lo spreco d’acqua senza far perdere di resistenza ai polimeri. Vediamo allora alcune possibili soluzioni.

Solventi Ionici

Le migliaia di unità di zucchero che compongono la chitina sono unite da legami idrogeno, che né l’acqua né la maggior parte dei solventi organici possono dissolvere. La risposta al problema è data dall’impiego di liquidi ionici, in particolare dall’ 1-etil-3 metilimidazolio acetato, che ha bassissima tossicità chimica. Questo prodotto è molto simile all’aceto per uso domestico, infatti è costituito per la metà da acetato (CH3COO-), che si ottiene dall’acido acetico (CH3COOH) disciolto in acqua: anche l’aceto non è altro che acido acetico diluito in acqua. Il suddetto acetato è una piccola molecola con carica netta negativa che si infiltra nei legami idrogeno della chitina consentendo di separarne le catene polimeriche senza tagliarle[2].

Meccanochimica

Un altro metodo d’estrazione della chitina consiste nel rimacinare più volte la farina di gusci -per allentare i legami idrogeno tra le catene di chitina- e miscelare con NaOH in forma solida. Quindi il composto si trasferisce in una camera a vapore, dove matura per sei giorni producendo chitosano a catene lunghe. Tale processo utilizzerebbe solo un ottavo di idrossido di sodio e un decimo di acqua di quello tradizionale, tuttavia la capacità produttiva è limitata[3].

Microbiologia

Un’ulteriore possibilità è quella di ottenere chitina dai batteri, quindi senza l’impiego di processi chimici indistriali. Infatti certi batteri producono acidi naturali come l’acido lattico, che potrebbero sostituire l’acido cloridrico. In particolare il lattobacillus plantarum si è mostrato il più utile allo scopo[4].

Ultrasuoni

Rispetto al processo tradizionale la sonicazione (uso di ultrasuoni) permette di ottenere una maggior quantità di chitosano dalla chitina e in minor tempo (da 24 a poche ore) utilizzando meno NaOH. Questo metodo è detto deacetilazione ultrasonica[5].

Conclusioni

A differenza delle altre bioplastiche (derivate per lo più da prodotti agricoli come amido di mais, grano e tapioca) quella derivata dalla chitina non richiede sfruttamento di terreno e risorse dedicate, infatti la materia di partenza sono i rifiuti della produzione alimentare. Questo materiale dunque risponde perfettamente ai principi dell’economia circolare, che è la direzione verso cui i paesi più industrializzati, ma anche quelli in via di sviluppo, dovrebbero andare per tutelare il pianeta e garantire un futuro alle prossime generazioni. Per fare ciò è sicuramente ancora necessario investire molto in ricerca e perfezionare le tecnologie, soprattutto per abbassare i costi di produzione, ma come si è visto si è sulla buona strada.

Referenze

  1. Younes I & Rinaudo M – Chitin and chitosan preparation from marine sources. Structure, properties and applications – Mar Drugs. (2015)
  2. Ying Q et al. – Dissolution or extraction of crustacean shells using ionic liquids to obtain high molecular weight purified chitin and direct production of chitin films and fibers – Green chemistry. (2010)
  3. Di Nardo T et al. – Synthesis of high molecular weight chitosan from chitin by mechanochemistry and aging – Green chemistry. (2019)
  4. Gooday GW – Physiology of microbial degradation of chitin and chitosan – Biodegradation 1. (1990)
  5. Sivashankari PR & Prabaharan M – Deacetylation modification techniques of chitin and chitosan – Chitosan Based Biomaterials Volume 1. (2017)
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