Prodotti chimici dal legno invece che dal petrolio

Il petrolio non è usato solo per produrre carburante. I prodotti petrolchimici sono anche importanti materie prime per l'industria chimica. Senza il petrolio, non ci sarebbe la plastica e solo poche medicine o fertilizzanti. Tuttavia, il declino della produzione di petrolio è prevedibile. Per affrontare la sfida che ne deriva, abbiamo bisogno di risorse rinnovabili come alternative al petrolio.

Due progetti di ricerca del Programma nazionale di ricerca "Risorsa legno" (PNR 66) hanno ora fatto un passo importante verso la sostituzione del petrolio con la biomassa vegetale - specialmente il legno. Si concentrano in modo complementare su uno dei due componenti principali del legno: la cellulosa e la lignina. Queste due sostanze rinnovabili sono i composti organici più abbondanti al mondo.

All'EFPL, Sviatlana Siankevich ha sviluppato nuovi e potenti processi di catalisi che estraggono l'idrossimetilfurfurale (HMF) dalla cellulosa, un importante materiale di base per la produzione di plastica, fertilizzanti e biocarburanti.(*) Il team della FHNW di Muttenz (BL), guidato da Philippe Corvini, si è ispirato ai funghi che scompongono il legno in decomposizione per trovare enzimi che scompongono la lignina in composti aromatici. Questi aromatici servono come materiali di partenza per la produzione di solventi, pesticidi, medicine e plastiche come il polistirolo.

Prodotti chimici al posto della carta
La cellulosa è una molecola di zucchero a catena lunga (carboidrato) e costituisce circa due terzi del peso del legno. "Oggi, la cellulosa è usata principalmente per fare la carta. I residui che ne derivano potrebbero essere messi a frutto nella produzione di prodotti chimici richiesti", dice Sviatlana Siankevich dell'Istituto di Scienze Chimiche e Ingegneria dell'EPFL. Insieme a scienziati della Queen's University in Canada e dell'Università Nazionale di Singapore, il team dell'EPFL guidato da Paul Dyson ha sintetizzato diversi tipi di liquidi ionici (sali liquidi) per produrre HMF dalla cellulosa. Con il loro processo, gli scienziati hanno raggiunto un rendimento record del 62% in una sola fase.

"Il nostro processo funziona in condizioni di reazione blande e non ha bisogno di temperature e pressioni molto alte o di acidi forti", dice Siankevich. "Siamo stati anche in grado di ridurre la quantità di sottoprodotti indesiderati. Questo è un aspetto importante per l'uso industriale del processo. Il nostro processo funziona con il legno, ma spesso è più facile usare la cellulosa ottenuta da piante erbacee".

Chimica verde
All'Università di Scienze Applicate della Svizzera Nordoccidentale (FHNW) a Muttenz, Philippe Corvini sta sviluppando processi per l'utilizzo della lignina insieme al suo dottorando Christoph Gasser. Questa molecola a catena lunga fa parte delle pareti cellulari e dà agli alberi la loro rigidità. Il legno è composto da circa il 15-40 per cento di lignina. "Finora, questo non è stato quasi mai utilizzato, ma spesso solo bruciato", dice Corvini. "Nel processo, può essere scomposto in composti aromatici: molecole basate sugli anelli di carbonio esagonali che sono onnipresenti nella chimica organica. L'industria converte molti di questi composti, che sono quasi esclusivamente derivati dal petrolio. Attualmente, la lignina è l'alternativa più promettente al petrolio".

Ci sono funghi che secernono un cocktail di enzimi per rompere e degradare la lignina. Sotto la guida di Corvini, il team della FHNW ha studiato le combinazioni di decine di questi enzimi per determinare il più efficiente. Con un ulteriore passo catalitico, sono riusciti a scomporre il 40% della lignina in molecole molto piccole - come la vanillina. Il processo è interessante per l'industria chimica: il team sta già lavorando con un produttore di lignina. "Oggi, la lignina viene estratta principalmente dalla paglia di grano o di riso", dice Corvini. "Ma anche il legno dolce - come quello dell'abete rosso - sarebbe adatto, perché la sua lignina può essere facilmente scomposta".

Il team FHNW ha anche sviluppato un processo per riutilizzare gli enzimi. "Abbiamo legato gli enzimi a nanoparticelle di ferro rivestite di biossido di silicio", spiega. "Dopo la reazione, rimuoviamo semplicemente le particelle di ferro usando un magnete per recuperare gli enzimi". Questi possono essere riutilizzati fino a dieci volte, riducendo significativamente l'energia e le risorse necessarie per produrli. Così, il processo si adatta molto bene al concetto di "chimica verde".

Utilizzare tutto il legno
Il legno deve essere utilizzato nel modo più completo possibile in modo che possa essere un'alternativa economica ai prodotti petrolchimici. "Estrarre piccole quantità di un singolo componente non è sufficiente", dice Sviatlana Siankevich. "Abbiamo quindi bisogno di trovare processi complementari per poter utilizzare tutto il legno". Ci sono altri aspetti da considerare quando si valuta se il legno è un sostituto economicamente valido del petrolio. Un terzo progetto NRP 66 ha recentemente studiato la sostenibilità della produzione di acido succinico, un'altra importante sostanza chimica, dai residui di legno. Lo studio, condotto congiuntamente dall'ETH di Zurigo e dall'EPFL, mostra che la progettazione intelligente del processo può permettere un risparmio energetico e proteggere l'ambiente - fattori chiave per bioraffinerie competitive.

Fonte: Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS)