Titolo della tesi: Conversion of plastic waste into bioplastics
L'aumento dei rifiuti in plastica, in modo particolare quelli che risultano complicati da riciclare come il "Plasmix", costituisce una sfida sempre più pressante per la gestione globale dei rifiuti. Il Plasmix consiste in una combinazione eterogenea di plastica ed altri materiali (come carta, vetro, alluminio e materia organica) che si genera sottoponendo i rifiuti plastici (tipicamente provenienti dalla raccolta differenziata municipale della plastica) ai convenzionali metodi di riciclo meccanico. Esso, a causa della sua eterogeneità, non può essere riciclato attraverso i metodi convenzionali, che richiedono plastiche omogenee per ottenere materiali di alta qualità, risultando sottoprodotto non riciclabile e non ulteriormente trattabile. In numerosi casi, tali rifiuti vengono bruciati o gettati in discarica, aggravando la questione della contaminazione ambientale e ostacolando lo sviluppo di un’economia circolare nel settore. Nel periodo corrente, dunque, arrivare ad una gestione virtuosa di tutte le risorse, che minimizzi gli sprechi di materiali potenzialmente riciclabili e che potrebbero essere reinseriti in altri cicli produttivi, rappresenta una delle principali sfide che i nostri tempi ci propongono. In questo contesto, la liquefazione idrotermale (HTL), potrebbe rappresentare una soluzione interessante per convertire rifiuti di questo tipo in composti a più alto valore. L’HTL è un processo termochimico in grado di convertire diversi materiali organici (tra cui biomasse algali, residui forestali e anche scarti municipali) in biocarburanti e altri prodotti come gas, un char solido e un residuo acquoso (HTL-AP), utilizzando acqua a media temperatura ed alta pressione. Inoltre, questo processo è riuscito a trovare anche applicazione nella decomposizione di diverse poliolefine. Alla luce di ciò si prospetta dunque la possibilità di sfruttare il processo di HTL per facilitare lo smaltimento di rifiuti plastici come il Plasmix, per il quale potrebbe rappresentare un efficace pretrattamento termochimico che, se combinato con ulteriori processi potrebbe contribuire a trasformare il Plasmix in risorse energetiche, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e al contempo riducendo il volume di rifiuti destinati a trattamenti poco virtuosi come discarica o incenerimento. La fase acquosa che si genera dall’HTL, infatti, è un residuo ricco di composti organici che viene generalmente considerata come un sottoprodotto svantaggioso del processo, per via della presenza di composti tossici, ma che in verità offrirebbe un’opportunità di recupero attraverso processi biologici, come la fermentazione acidogenica anaerobica. Attraverso questo metabolismo, è infatti possibile ottenere acidi carbossilici (es. acido acetico, propionico, butirrico, valerico ed esanoico). Questi ultimi, sono infatti composti di interesse commerciale in vari settori, tra cui l’industria chimica, zootecnica, agricola e alimentare. Inoltre, gli acidi carbossilici rappresentano i substrati ideali per la produzione di biopolimeri come i polidrossialcanoati (PHAs), una famiglia di bioplastiche biodegradabili che per le loro proprietà, modulabili sulla base delle unità monomeriche che costituiscono il polimero, stanno emergendo come alternativa biosostenibile rispetto alle plastiche fossili tradizionali. A confronto con queste ultime, tuttavia, la produzione di PHA è sostanzialmente più costosa, principalmente a causa della sterilità necessaria al mantenimento di ceppi microbici puri e di substrati ben definiti. Per
ridurre i costi di produzione, si sta studiando l’utilizzo di culture microbiche miste (MMC) che consentono l’utilizzo di matrici organiche di scarto. Valutare pertanto la possibilità di produrre biopolimeri sfruttando i rifiuti plastici sottoposti a pretrattamento idrotermale rappresenterebbe un approccio per rendere più economica la produzione di PHAs e simultaneamente agevolare la gestione dei rifiuti plastici non riciclabili. Il tema di ricerca investigato nell’ambito della presente tesi di dottorato è dunque improntato all’esplorazione di strategie innovative per il recupero di rifiuti plastici di difficile trattamento, come il Plasmix, sfruttandone il potenziale di conversione in prodotti a valore aggiunto, con l’intento secondario di ridurre il costo della produzione di bioplastiche come i PHA, sfruttando la sinergia tra differenti approcci tecnologici (termochimico, meccanico e biologico), promuovendo un’economia circolare e riducendo l’impatto ambientale delle plastiche fossil-based.
Nel particolare, la tesi è stata suddivisa in tre principali blocchi. Nel primo blocco viene trattata la possibilità di convertire il sottoprodotto acquoso derivante dalla liquefazione idrotermale (HTL) di rifiuti plastici, come il Plasmix e il polistirene, in acidi carbossilici attraverso processi di fermentazione acidogenica. L’obiettivo principale dello studio risiedeva nel valutare l’efficacia del processo di fermentazione su rifiuti plastici pretrattati termochimicamente, confrontandoli con substrati modello per quanto riguarda il processo fermentativo e con particolare attenzione nel valutare le condizioni di HTL più adeguate e l’influenza che le specie
chimiche generate dalla liquefazione di una miscela di Plasmix potessero avere sulla resa del processo. Nel secondo blocco, in collaborazione con l’ Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos (IATA) di Valencia (Spagna) si è approcciato il problema della riqualificazione del Plasmix in maniera più “diretta”, valutando come incorporare quest’ultimo in una matrice di poli(idrossibutirrato-idrossivalerato), PHBV, al fine di ridurre i costi di produzione del materiale e fornire, al contempo, una soluzione innovativa per reintrodurre i rifiuti plastici non riciclabili in materiali commerciali. In particolare, l'intento principale risiedeva nel valutare l'impatto dell'aggiunta di Plasmix, a diverse concentrazioni e grado di polverizzazione, sulle proprietà caratteristiche del materiale mantenendone al contempo la biodegradabilità. Infine, nel terzo blocco, con la collaborazione dell’azienda NextChem s.p.a. è stato investigato l’aspetto economico della trattazione, valutando preliminarmente la fattibilità tecnica ed economica di un impianto industriale per la produzione di PHA da colture microbiche miste a partire da rifiuti plastici come il Plasmix pretrattato mediante HTL, stimando in particolare i principali costi di investimento (CAPEX) e operativi (OPEX).