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È presente oggi sul mercato internazionale una nuova tecnologia capace di rendere i tradizionali manufatti plastici totalmente biodegradabili in alternativa alle bioplastiche. Questa tecnologia è stata sviluppata da ECM Biofilms Inc. e si basa su un additivo che, combinato ad una percentuale minima dell'1% alle resine plastiche tradizionali, rende il prodotto finale completamente biodegradabile conservando le stesse caratteristiche meccaniche.
I prodotti plastici realizzati con il masterbatch ECM:
• si biodegradano completamente a partire dai 9 mesi ai 5 anni;
• si biodegradano totalmente se riversati in qualunque luogo in cui ci siano sostanze in decomposizione (in condizione sia aerobiche sia anaerobiche) in discariche, in compost, sotterrati o riversati nei rifiuti, utilizzati in ambienti agricoli o a rischio idro-geologico;
• sono riciclabili e possono essere a loro volta realizzati con resine riciclate;
• per attivare il processo di biodegradazione, non necessitano di luce, calore, azione meccanica, trattamenti speciali (a differenza del PLA e dei prodotti oxo-degradabili);
• non contengono metalli pesanti (a differenza della maggior parte dei prodotti oxo-degradabili).
Sebbene siano state introdotte sul mercato molte bioplastiche, ciascuna di esse deve essere compostata (ovvero si biodegrada totalmente solo in condizioni controllate in impianti industriali) e nessuna di esse si biodegrada in discarica.
L'utilizzo del masterbatch ECM non richiede particolari requisiti per la produzione ovvero non bisogna trasformare i vecchi impianti produttivi, ma semplicemente effettuare una corretta miscelazione. La tecnologia ECM consente la fabbricazione di materie plastiche che si biodegradano in condizioni aerobiche o anaerobiche.
MECCANISMI DI BIODEGRADAZIONE
Col termine "biodegradazione" si intende la degradazione e l'assimilazione dei polimeri, con trasformazione in CO2 e acqua, da parte di microorganismi come funghi, batteri e actinomiceti. La conversione chimica può essere così schematizzata: (CH2)n + 3n/2 O2 ? n CO2 + n H2O + biomassa dove (CH2)n è un polimero idrocarburico. Quando all'azione di questi microorganismi si somma l'azione combinata di altri agenti esterni come radiazioni solari, calore, vento, pioggia, etc. si parla di "degradazione ambientale".
La degradazione biologica di materiali organici avviene attraverso l'ossidazione dei gruppi metilici -CH3 terminali della catena catalizzata da enzimi. L'ossidazione, in presenza di acqua e di adatti enzimi, trasforma questo gruppo metile in gruppo carbossilico. Per i polimeri che hanno già nella catena gruppi ossigenati questo processo è molto più facile e rapido e può avvenire, per esempio, per idrolisi.
La degradazione procede per attacco sul carbone adiacente ( ß -ossidazione) che viene ossidato a gruppo carbossilico mentre viene "digerito" il carbonio già ossidato. La reazione procede così per passi successivi: ossidazione e attacco sul carbonio adiacente e passa attraverso la formazione di un complesso attivato fra il gruppo carbossilico e un coenzima.
QUALI CONDIZIONI PER LA BIODEGRADABILITÀ L'IMPORTANZA DI UN AMBIENTE IDROFOBICO
La presenza di adatti enzimi che possano attaccare la catena polimerica è quindi la condizione essenziale per avere un'efficiente biodegradazione. È però necessario non solo che ci sia l'enzima specifico, ma anche che l'enzima possa vivere in un ambiente idrofobico. La stragrande maggioranza dei materiali plastici è idrofobico (respinge l'acqua), mentre gli enzimi sono solubili in acqua e solo in ambienti acquosi possono svolgere efficacemente la loro attività. L'acqua è necessaria, inoltre, anche nei processi iniziali di ossidazione.
Per quanto riguarda la specificità d'azione degli enzimi è da ricordare che gli enzimi sono il risultato di milioni di anni di adattamento biologico a un certo ambiente e hanno la funzione di catalizzare l'ossidazione biologica di una specifica molecola. Abbiamo detto che i più importanti agenti della biodegradazione sono i microorganismi, ed in particolare, batteri e funghi.
Questi organismi sono adattabili nella loro azione di degradazione, si riproducono e si evolvono continuamente come risultato di mutazioni genetiche e di naturali processi di selezione. Sono appunto questi microorganismi a produrre enzimi in grado di promuovere processi di biodegradazione, la cui entità dipende molto dalle condizioni ambientali e spesso diverse specie possono essere presenti contribuendo, ognuno per la propria parte, a un processo di degradazione di un qualunque materiali di scarto sia esso plastico o meno.
La biodegradazione dei materiali plastici implica l'azione di un "enzima extracellulare" che è trasportato dalla cellula microbica al materiale plastico in mezzi acquosi. L'enzima è in grado di disgregare le macromolecole al fine di renderle abbastanza piccole per entrare nella cellula affinché i microorganismi possano meglio "digerirle".
L'accessibilità nel substrato plastico di un sistema di enzimi allo stato acquoso è dunque vitale per il processo degradativo. La natura idrorepellente, impermeabile e non porosa delle comuni plastiche rappresenta il maggiore ostacolo alla biodegradazione. Con questi materiali la degradazione deve essere iniziata alla superficie e quindi lo stato di suddivisione del materiale plastico è un fattore importante.
I processi biologici si svolgono grazie all'azione di microrganismi che utilizzano la sostanza organica biodegradabile come substrato nutritizio e per la sintesi di nuove cellule. La trattabilità biologica di una sostanza organica, o di una miscela di sostanze, non è altro che la proprietà di tali composti di venire degradati, del tutto o in parte, nei tempi e nei modi considerati convenienti dalla specifica biotecnologia applicata. La degradazione biologica può essere di tipo aerobico o anaerobico.
Le trasformazioni di tipo aerobico avvengono in presenza di ossigeno molecolare, utilizzato come accettore di elettroni e alla fine del processo si ottengono anidride carbonica e acqua. La degradazione anaerobica avviene invece in assenza di ossigeno molecolare; come accettore di elettroni è usato un ossidante inorganico o altri composti organici.
I prodotti finali della degradazione, pur dipendendo dal tipo di microrganismi utilizzati, sono in generale metano, idrogeno, alcoli e acidi. La scelta tra un trattamento aerobico ed uno anaerobico non è facile, perché è legata all'individuazione del giusto compromesso tra l'efficacia del trattamento e i suoi costi.
In generale le cinetiche dei processi aerobici sono più veloci di quelli anaerobici; inoltre i primi sono più semplici da gestire, con costi di impianto modesti e permettono di abbattere la flora batterica patogena. La biodegradabilità di tutte le sostanze è determinata, oltre che dalla presenza di microrganismi specifici, dalla loro struttura chimica e da vari fattori ambientali come temperatura, umidità, pH, etc.
Tali parametri fisico-chimici possono infatti, agendo sull'attività di enzimi e microorganismi, far variare la velocità di biodegradazione ( ovvero il tempo di biodegradazione). Sebbene l'influenza dei fattori ambientali dipenda fortemente dal tipo di microorganismo implicato nel processo, si può in generale affermare che i processi biodegradativi sono favoriti dall'umidità, da un adeguato substrato nutritivo, dall'assenza di radiazioni ultraviolette.
L'effetto della temperatura, del pH e dell'ossigeno cambia da un organismo all'altro. Per esempio, i batteri mesofilici necessitano di ossigeno, vivono in ambiente a pH leggermente acido (4,5 - 5) e si accrescono soprattutto in un campo di temperature compreso fra 30 e 37°C. Batteri e actinomiceti termofilici preferiscono temperature più alte (40 70°C),mentre batteri anaerobici si accrescono bene, ovviamente, in assenza di ossigeno. Per quanto riguarda la struttura e la morfologia del polimero, la cinetica di biodegradazione è influenzata soprattutto dal grado di cristallinità, dal peso molecolare e dalla presenza di ramificazioni e reticolazioni.
La natura semicristallina di alcuni polimeri è un ostacolo alla biodegradazione. Infatti, solo le zone amorfe sono permeabili alla diffusione dell'acqua e quindi ai processi biodegradativi. La biodegradazione è confinata, nel primo stadio, solo alle regioni amorfe del polimero; soltanto quando la zona amorfa è biodegradata, partono i processi di attacco idrolitico delle zone cristalline agevolati dalla disgregazione del manufatto. La cinetica di biodegradazione è accelerata da bassi pesi molecolari, e fortemente ridotta dalla presenza di ramificazioni e reticolazioni.
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