lezione completa sui polimeri biodegradabili

Plastiche Biodegradabili
Prof.ssa Anna Maria MADAIO
Sono costituiti da molecole a basso impatto ambientale
Sintetici (derivati dal petrolio)
•Poliesteri
FONTE
NON RINNOVABILE
•Polivinilalcoli (PVA)
Naturali (da sorgenti biologiche)
•Polisaccaridi
•Proteine
•Poliesteri da microorganismi
FONTE
RINNOVABILE
RISORSE RINNOVABILI
biomasse: mais, canna da zucchero, microrganismi...
Possono riformarsi con una velocità confrontabile con quella
del loro sfruttamento.
RISORSE NON RINNOVABILI
risorse fossili: carbone, petrolio, uranio.
Limitate, definite e destinate ad esaurimento.
Non si possono riformare in tempi brevi perché derivano da
processi di natura geologica.
La maggior parte dei polimeri e delle plastiche industriali
sono attualmente prodotte a partire da risorse fossili che non
sono rinnovabili.
Polimeri ottenuti da sorgenti naturali rinnovabili, sono
spesso biodegradabili e non tossici da produrre
Prodotti da sistemi biologici:
Piante, Animali, Microrganismi
Polisaccaridi
Proteine
Poliesteri termoplastici
(PHA)
Sintetizzati chimicamente da
molecole di origine biologica:
Carboidrati (es. amido)
Oli o grassi
Bioplastiche
Mater-Bi® (mais)
Solanyl®,
(bucce di patate),
Proprietà delle sostanze e dei materiali naturali, di origine animale o
vegetale, di essere trasformate dai microrganismi (batteri, funghi o
alghe) in sostanze più semplici ed essere così immesse nei cicli
naturali.
Biodegradazione aerobica:
conversione della sostanza organica in CO2 e H2O
Biodegradazione anaerobica:
conversione della sostanza organica in CO2 , CH4 e H2O
ORIGINE VEGETALE
ORIGINE ANIMALE
la definizione di biodegradabile è strettamente legata
all’ambiente e al tempo, cioè alle condizioni e al tempo
impiegati per portare a termine il processo di
biodegradazione.
Senza queste specificazioni , il termine biodegradabile
diventa vago e non utilizzabile in quanto virtualmente
qualunque sostanza organica è biodegradabile se non
ne viene specificato l’arco temporale.
Tempo di biodegradabilita’
OGGETTO/MATERIALE
scarti di mela
tetrapack
quotidiani e riviste
polistirolo
fermalattine
sacchetto di plastica
piatto di plastica
bottiglia di plastica
carta telefonica
pannolino usa e getta
pannolino biodegradabile
TEMPO DI
BIODEGRADABILITA’
2 mesi
3 mesi
4 – 12 mesi
50 anni
450 anni
100 – 1000 anni
100 – 1000 anni
100 – 1000 anni
1000 anni
450 anni
1 anno
I concetti di rinnovabilità e biodegradabilità sono diversi e
non sempre correlabili fra loro.
La rinnovabilità riguarda l’origine del materiale
La biodegradabilità riguarda il fine vita, ed in particolare il
riciclaggio organico.
Origine
Biodegradabilità
Esempio di materiali
Rinnovabile
Biodegradabile
Poliidrossialcanoati
(PHA o PHB e similari)
Non-rinnovabile
Biodegradabile
Policaprolattone
Rinnovabile
Non-biodegradabile
Polietilene da canna da
zucchero
Non-biodegradabile
Polietereterchetone per
applicazioni
biomediche
Non-rinnovabile
Trattamento biologico controllato di rifiuti di plastica
biodegradabile in condizioni aerobiche o anaerobiche.
Decomposizione
molecolare dei
materiali
Biodegradazione: attività microbica
Idrodegradazione: azione dell’acqua
Fotodegradazione: azione della luce
Degradazione aerobica: in presenza di ossigeno (aria).
Degradazione anaerobica : in assenza di ossigeno (aria) e che
avviene in discarica e negli impianti di produzione di biogas.
E’ un processo accelerato di trattamento biologico dei rifiuti organici
(rifiuti di cucina, avanzi di cibo, erba, ecc.) che avviene negli impianti di
compostaggio o in compostiere domestiche, dove i processi naturali di
biodegradazione sono ottimizzati con il raggiungimento di alte
temperature.
I rifiuti organici vengono
accumulati negli impianti
dove i microrganismi presenti
naturalmente nei rifiuti,
biodegradano in presenza di
aria le sostanze organiche,
producendo anidride
carbonica, acqua, compost e
calore. Il calore prodotto non
si disperde facilmente e
causa un incremento di
temperatura che accelera la
reazione di degradazione
Il compost è un terriccio simile all'humus, la parte fertile del
terreno, ricco di sostanze organiche e adatto ad essere usato in
agricoltura come ammendante.
Il compost migliora la
costituzione fisico-meccanica
dei suoli e la fertilità, grazie
all’apporto di sostanza
organica.
Il compost ottenuto dagli impianti
industriali è un prodotto
commercializzabile ed in quanto
tale deve rispondere a specifici
criteri di qualità chimico fisica e
microbiologico-sanitaria fissati
dalla legge.
compostaggio
domestico
compostaggio industrale
 Imballaggio (packaging)






Orticultura
Raccolta differenziata
Resine per compositi
(specie con fibre naturali: materiale interamente biodegradabile)
Applicazioni biomediche:
materiali biocompatibili (es. protesi)
materiali assorbibili (es. sistemi per il rilascio dei
medicinali)
"Requisiti per imballaggi recuperabili mediante compostaggio e
biodegradazione - Schema di prova e criteri di valutazione per
l'accettazione finale degli imballaggi", adottata anche in Italia con
la denominazione UNI EN 13432, definisce le caratteristiche degli
imballaggi “compostabili”, ossia che possono essere riciclati
attraverso il recupero organico (compostaggio e digestione
anaerobica).
In questa norma restano esclusi dal campo di applicazione i
materiali plastici non usati come imballaggi: plastiche usate in
agricoltura, sacchetti per la raccolta dei rifiuti.


Da un punto di vista tecnico la norma UNI EN 14995 permette di
coprire un più ampio numero di applicazioni diverse
dall’imballaggio.
Entrambe le norme sono il più importante riferimento tecnico per
i produttori di materiali, le autorità pubbliche, i compostatori, i
certificatori e i consumatori.


Biodegradabilità, ossia la capacità del materiale di essere
convertito in anidride carbonica (CO2) grazie ai
microrganismi ed in modo analogo a quanto accade ai rifiuti
naturali
Disintegrabilità, cioè la frammentazione e perdita di
visibilità nel compost finale (assenza di contaminazione
visiva)

Assenza di effetti negativi sul processo di compostaggio

Metalli pesanti pressoché assenti e assenza di effetti
negativi sulla qualità del compost.

Assenza di additivi

Ciascuno di questi requisiti è necessario per la definizione della
compostabilità ma non sufficiente.

La compostabilità è provata dal contemporaneo soddisfacimento
di tutti i requisiti.
Ad esempio, un materiale biodegradabile non è necessariamente
compostabile perché deve anche disintegrarsi durante un ciclo di
compostaggio.
D’altra parte, un materiale che si frantuma durante un ciclo di
compostaggio in pezzi microscopici che non sono però poi
totalmente biodegradabili non è compostabile.
Enti preposti al rilascio della certificazione di biodegradabilità
e compostabilità:
VINÇOTTE, DIN CERTCO per l' Europa
BPI WORLD per gli Usa.
Con l' ottenimento della certificazione di compostabilità si ha
diritto all’ impiego dei marchi, OK Compost e/o Compostable
che possono essere impressi sulle confezioni dei granuli e sulla
documentazione pubblicitaria e tecnica che li accompagna
Geo & Geo
http://www.youtube.com/watch?v=s1bkU
_UJPfQ
Le Iene
http://www.video.mediaset.it/video/i
ene/puntata/228498/trincia-sacchettibiodegradabili.html

Ecoflex®
Costituito da poliesteri aromatici ed alifatici
Prodotto dalla BASF (Germania)

Mater-Bi®
Amido di mais
Poli(ε-caprolattone)
Polivinilalcoli
Prodotto dalla Novamont(Italia)
TG R Leonardo
http://www.youtube.com/watch?v=f7YmJ
qMPAG0&feature=player_embedded
Famiglia di bioplastiche sviluppate da Novamont,
biodegradabili e compostabili naturalmente
Mater-Bi® è ottenuto combinando componenti vegetali (amido di
mais, di patate o di grano allo stato naturale, circa 85%) con altri
polimeri biodegradabili (soprattutto il policaprolattone –PCL),
ottenuti sia da materie prime di origine rinnovabile, sia da
materie prime di origine fossile.
Novamont
http://www.youtube.com/watch?feature=
player_embedded&v=644IsFYieo4
Creato attraverso un processo di destrutturazione e di "complessazione"
dell'amido con quantità variabili di agenti complessanti biodegradabili .
Questi complessi creano un nuovo ordine cristallino aumentando la resistenza
all'acqua e cambiando le proprietà meccaniche dell'amido originale, senza
modificarne la struttura chimica ma potendone graduare le caratteristiche.
http://www.materbi.com/
Mater-Bi®
AMIDO (da vegetali)
POLIESTERE sintetico
(copolimero a blocchi alifatici ed aromatici)
Amilosio
20%
(PBA)
Amilopectina
80%
blocchi poli(butilene adipato)
Veloce biodegradazione
(PBT)
Blocchi poli(butilene tereftalato)
Lenta biodegradazione
Si presentano in forma di granulo e possono essere lavorati secondo
le più comuni tecnologie di trasformazione, per realizzare prodotti
dalle caratteristiche analoghe o migliori rispetto alle plastiche
tradizionali, ma perfettamente biodegradabili e compostabili,
minimizzando l'impatto ambientale, con resistenza e tenuta del tutto
simili alle plastiche tradizionali .
Biodegrada in un
periodo pari ad
un ciclo di
compostaggio
(minimo 90% in
massimo 180
giorni)
I diversi Mater-Bi® sono indicati come “gradi” e sono identificati ciascuno da
un diverso codice.
Nell’ampia famiglia Mater-Bi® , i più recenti gradi di “seconda generazione”
nascono dalla ricerca su materie prime ottenute da olii vegetali.
Nel Mater-Bi® non vengono impiegati nè polimeri non biodegradabili,
come il polietilene e il polipropilene, nè plastificanti della classe degli
“ftalati”.

I gradi Mater-Bi® sono caratterizzati da:
- completa biodegradabilità in diversi ambienti, come ad
esempio in compostaggio e in suolo (in accordo con la norma
europea EN 13432 e con i programmi di certificazione rilasciati da
primari enti certificatori internazionali);
- lavorabilità con le stesse tecnologie delle plastiche tradizionali
e con produttività simile;
- stampabilità con normali inchiostri e tecnologie di stampa,
senza bisogno di trattamento corona;
- colorabilità in massa con Master-batch biodegradabili;
- intrinseca antistaticità;
- sterilizzabilità con raggi gamma.

settore agricolo (pacciamatura, legacci)

ristorazione (piatti, posate, bicchieri, vassoi),

imballaggio (frutta e verdura freschi, muesli, prodotti da forno)

accessori, giocattoli

biofiller per il settore auto.

Poliestere termoplastico e biodegradabile che si può sintetizzare
a partire dall’acido lattico prodotto dalla fermentazione lattica del
glucosio, proveniente da fonti rinnovabili, ad opera di alcuni
batteri anaerobi.
Fermentazione omolattica (produzione industriale)
glucosio
acido piruvico
acido lattico
O
Fermentazione eterolattica:
H3C
OH
OH
glucosio
acido piruvico
acido lattico
etanolo
CO2
Streptococcus thermophilus
microrganismo termofilo
(temperatura ottimale di crescita
fra i 37 e i 42°C). E’, insieme a
Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus, uno dei due
componenti della microflora
dello yoghurt.
Lactobacillus delbrueckii
ssp. bulgaricus :
microrganismo termofilo
(temperatura ottimale di crescita
vicina ai 45°C),
Lb. acidophilus;
Lb. crispatus;
Lb. Jensenii;
Lb. helveticus;
Lb. salivarius.
 Condensazione diretta dell’acido lattico (sfavorita dalla produzione di
acqua)
 Polimerizzazione a più fasi (richiede la formazione del dimero - lactide)
H2 O
O
O
HO
Acido lattico
(O
OH
H
CH3
H
O
H
O
H
CH3
O
O
Lattide
CH3
n
PLA
Reazione catalizzata H2O
H3C
)
Reazione catalizzata
Condensation process
O
(
Purification
by
distillation
O
Products
Packaging,
Textiles,
Medicine
)n
O
H
CH3
H
O
H
CH3
O
H3C
O
O
Lactic acid
HO
from
Dextrose
H
OH
Through
a special
condensationof
Ring
opening
polymerization
Carbon
AWith
wide
the
dioxide
variety
proper
of
is
infrastructure
products
removed
that
from
process
aiscyclic
intermediate
lactide
accomplished
with
a
the
vary
atmosphere
inmade
molecular
by
when
lactic
weight
growing
acidand
can
the
dimer,
referred
as
lactide
is
AAproduct
reduction
of
annually
renewable
solvent
free
melt
process
renewable
resource
corn
be
feed
crystallinity
recycled
stock
crop
back
can
and
to
bemonomer
itinto
produced
issuch
returned
and
Dextrose
turns
lactic
acid
formed
sources
is
achieved
is milled,
separating
starch
from
tousing
the into
earth
polymer
when PLA process
is
a fermentation
the degraded
raw material
Reduction to
monomer
CH3
Biomass, corn
La materia prima
per la produzione
industriale dell’acido
polilattico è costituita
principalmente da carboidrati.
Ad oggi, la coltura
principalmente utilizzata su
larga scala è il mais
Reduction of
annually
renewable
resources
Reduce Global
Green House Effect
M. L. Tutino Dip.- Chimica Organica e Biochimica – Facoltà
Scienze Biotecnologiche-Napoli
45 days
33 days
0 days
Polimeri biodegradabili
: 6 mesi a 2 anni
Plastiche convenzionali (PE & PS) : 500 – 1000 anni (approssimativo)
imballaggi alimentari e non
stoviglie
materiali per uso agricolo
fibre tessili
applicazioni biomediche
(es. viti per fratture)
 chirurgia plastica e ricostruttiva





Impiegato da oltre 25 anni in chirurgia
plastica e ricostruttiva, l’Acido L –
Polilattico è un polimero ad alta
tollerabilità, biocompatibile e
interamente riassorbibile e soprattutto
anallergico perché di origine non
animale.
Le prestazioni meccaniche e di resistenza agli agenti termici dei prodotti in
PLA sono assolutamente paragonabili a quelle delle plastiche tradizionali
Nuovo materiale biodegradabile trasparente, a base di cellulosa. Il
principale vantaggio del materiale è la facilità di lavorazione con le
convenzionali linee di estrusione, che non richiede quindi modifiche agli
impianti tradizionali.
Materiale composto da amido derivato dalle patate,
termoplastico, mescolato con un polimero sintetico
biodegradabile, a cui vanno aggiunti specifici additivi
per compensare l’immiscibilità dei due componenti.

Produzione di concime

I rifiuti possono essere depositati tutti in discarica data la loro
rapida biodegradabilità. Il tempo di decomposizione può essere
di qualche mese in compostaggio contro i 1000 anni richiesti dalle
materie plastiche sintetiche derivate dal petrolio.

Diminuzione dei contenitori dei rifiuti sul territorio (eliminando
quelli di carta, vetro e materiale plastico)

Minori emissioni di fumi tossici nel caso di incenerimento.

Igiene dei contenitori alimentari

Costi più alti (un sacchetto di Mater-Bi costa 3 centesimi in più di un
sacchetto in PE)

Ricorso a risorse non rinnovabili (Ecoflex) o a molecole estraibili da
specie adibite ad uso alimentare (Mater-Bi)

Difficoltà a riconvertire gli impianti per la lavorazione del PE in impianti
utili per la lavorazione delle bioplastiche

Caratteristiche tecniche che conferiscono una versatilità minore rispetto
ai sacchetti di PE

Riduzione di disponibilità di derrate alimentari, se prodotte a partire da
prodotti agricoli come il granturco ecc.

La coltivazione sottrae terreni prima destinati alle colture per il consumo
umano e pertanto contribuiscono alla crisi globale dei prezzi alimentari.

La totale biodegradabilità può verificarsi solo quando questi materiali
sono smaltiti correttamente in un sito di compostaggio

Poliidrossialcanoato ricavato dalla barbabietola da zucchero, e
non da oli o amido di cereali e derivati, capace di biodegradarsi
completamente in acqua a temperatura ambiente.
Questo risultato viene da una ricerca tutta italiana, avviata nel 2007,
condotta da Bio on e da Co.pro.bi, Cooperativa produttori bieticoli
Possibili fonti
Scarti dalla
lavorazione di:

Frutta

Ortaggi

Prodotti caseari

Riduzione del volume degli scarti

Riutilizzo di sostanze ad alto valore salutistico e nutrizionale
(fibre, vitamine, proteine nobili)

“Edibilità” (Film edibili per proteggere alimenti)
Film polisaccaridici
offrono una migliore barriera all’O2
Film proteici
offrono una migliore barriera alla CO2 ed esibiscono
buone proprietà meccaniche
Film lipidici
offrono una migliore barriera al vapore acqueo
Polisaccaridi + Proteine del siero di latte
Network
RETICOLANTE
Transglutaminasi
Film idrocolloidale con proprietà barriera alla CO2, all’O2 e con
buone proprietà meccaniche
Materiale plastico biodegradabile dagli scarti della
lavorazione industriale dei pomodori (bucce)
(B. Nicolais, M. Malinconico- CNR-ICB Pozzuoli )
http://www.youtube.com/watch?v=f33RO
ADn0ik&feature=player_embedded
Polisaccaridi
Scarto del
Finocchio:
(il 30% del raccolto
rappresenta il valore
medio di scarto della
lavorazione)
(L. Mariniello, Facoltà di Agraria- Napoli)
Proteine
Siero di latte:
(rappresenta il 70% dei
reflui delle industrie
casearie)
Bioplastica!
Polisaccaridi
Omogenati di
fragola, albicocca,
finocchio, albedo di
pompelmo
Proteine
Proteine della soia
Proteine del siero di latte
Ovalbumina
Faseolina
BIOPLASTICHE
Sequenza delle operazioni
t0
t7
Siero di latte e finocchio
Siero di latte e fragole
Siero di latte e albicocche
t21
1)
http://www.pslc.ws/italian/index.htm
2)
http://www.novamont.com/default.asp?id=421
3)
http://www.bioplastica.it/
4)
http://www.fedoa.unina.it/134/1/giosafatto_tesi_dottorato.pdf
5)
http://www.ilfattoalimentare.it/bioplastica-bucce-pomodoro-scarti.html
6)
http://www.teatronaturale.it/tracce/ambiente/4585-plasticabiodegradabile-dagli-scarti-della-lavorazione-industriale-deipomodori.htm