Fotosintesi artificiale e biodegradabilità: Combattere la minaccia della plastica con la sostenibilità in mente

Le emissioni di CO2 e la presenza di plastica non biodegradabile sulla Terra sono entrambi pericoli che causano danni irreversibili. In modo significativo, l’anidride carbonica, essendo un gas serra, riscalda il pianeta e alla fine provoca il cambiamento climatico. 

Questo effetto di riscaldamento è sottolineato dalle stime della NASA, che rivelano che le attività umane hanno aumentato il contenuto di anidride carbonica nell’atmosfera del 50% in meno di 200 anni. A peggiorare ulteriormente la situazione sono le plastiche non biodegradabili provenienti da materiali come lo styrofoam, le sacchetti di plastica monouso e le bottiglie d’acqua di plastica, che rappresentano un’altra grave minaccia poiché contaminano le acque sotterranee, la catena alimentare e inquinano l’aria.

Affrontando queste sfide interconnesse, i ricercatori dell’Osaka Metropolitan University hanno ora ideato una svolta che affronta entrambi i problemi attraverso un unico percorso. È emersa una modalità innovativa ed efficiente per produrre acido fumarico che ridurrà i livelli di emissione di anidride carbonica, riutilizzando i rifiuti per produrre plastiche biodegradabili. Approfondiamo cosa significa questa innovazione e come funziona.

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Produzione sostenibile di acido fumarico

L’acido fumarico è un componente delle plastiche biodegradabili. Tradizionalmente proviene dal petrolio, dall’anidride carbonica e da composti derivati dalla biomassa. Ora i ricercatori hanno ideato una soluzione che permette di produrre acido fumarico in modo sostenibile ed efficiente. Sono stati condotti due studi verso lo stesso obiettivo finale. 

Nel primo, un team di ricerca guidato dal professor Yutaka Amao del Research Center for Artificial Photosynthesis dell’Osaka Metropolitan University (OMU) ha mostrato i metodi per sintetizzare l’acido fumarico a partire da bicarbonato e acido piruvico derivato dalla biomassa. L’energia utilizzata nel processo era energia solare rinnovabile. 

Gli scienziati hanno anche ottenuto successo nella produzione di acido fumarico con anidride carbonica che contribuiva come materia prima al processo, provenendo direttamente dalla fase gassosa. Tuttavia, l’esperimento ha incontrato una limitazione: non è stato possibile produrre un volume consistente di acido fumarico. La produzione è rimasta bassa. 

Tuttavia, nella ricerca successiva, gli scienziati hanno superato la sfida. Hanno sviluppato un nuovo fotosensibilizzatore e compiuto progressi nella fotosintesi artificiale che potrebbero raddoppiare la resa dell’acido fumarico rispetto ai metodi tradizionali. 

Gli scienziati hanno sviluppato un metodo efficace per produrre fumarato attivato dalla luce visibile a partire da CO2 gassoso e piruvato, con un sistema composto da trietanolamina, porfirina di zinco cationica solubile in acqua, zinc tetrakis(4-N, N, N-trimetil aminofenil)porfirina, complesso di rodio(III) coordinato a pentametilciclopentadienile e 2,2′-bipiridina, NAD+, malato deidrogenasi (decarbossilante dell’ossalacetato dipendente da NAD+), e fumarasi. 

La ricerca, intitolata “Una produzione efficace di fumarato attivata dalla luce visibile da CO2 gassoso e piruvato mediante un sistema fotocatalitico basato su porfirina di zinco cationica con biocatalizzatori doppi”, è stata supportata dall’Istituto di Fermentazione di Osaka. 

Nel complesso, la ricerca ha dimostrato empiricamente che è possibile realizzare un catalizzatore avanzato di fotosintesi artificiale in grado di utilizzare l’anidride carbonica in modo più efficiente nella produzione di plastiche biodegradabili. 

Ma, se riflettiamo ulteriormente e cerchiamo di valutare perché la fotosintesi artificiale e il suo contributo alla produzione sostenibile ed efficiente di plastiche biodegradabili sia considerato una svolta, vedremo che le plastiche sono state una minaccia, e qualsiasi sforzo per renderle biodegradabili e prodotte in modo sostenibile dovrebbe essere apprezzato e incoraggiato. 

Uno dei danni più gravi legati alla plastica sul pianeta Terra è causato dalle microplastiche. La National Oceanic and Atmospheric Administration degli Stati Uniti definisce le microplastiche come piccoli frammenti di plastica inferiori a cinque millimetri di lunghezza che danneggiano la nostra salute, gli oceani e la vita acquatica. La categoria comprende anche plastiche progettate intenzionalmente per essere piccole. Chiamate microperle, queste sono utilizzate in molti prodotti per la salute e la bellezza. Queste microplastiche comportano diverse implicazioni nocive.

Le microplastiche entrano nel nostro corpo attraverso diversi percorsi, tra cui l’acqua che beviamo, il cibo che consumiamo e i contenitori alimentari che usiamo, tutti vie di assunzione orale di microplastiche. Inoltre, respiriamo microplastiche attraverso l’aria, e i nostri prodotti per la cura personale e le custodie dei telefoni cellulari, che contengono microplastiche, creano vie di contatto personale.

Una volta all’interno del corpo umano, queste microplastiche possono causare una serie di problemi di salute. Sono note per indurre stress ossidativo e danni al DNA, provocare disturbi metabolici e causare disfunzioni in organi vitali come fegato, intestino, cervello e vie respiratorie. Inoltre, la tossicità delle microplastiche può compromettere le nostre capacità riproduttive e di sviluppo, evidenziando la gravità del loro impatto sulla salute umana.

Il problema delle microplastiche va oltre la salute umana, poiché queste particelle danneggiano anche la vita marina. Esercitano un effetto tossico su pesci e altri organismi acquatici, inibendo la loro crescita e sviluppo, aumentando i tassi di mortalità, provocando infiammazioni, riducendo la velocità di nuoto, diminuendo vitalità e lunghezza corporea e causando lesioni intestinali. Questa evidenza sottolinea l’urgente necessità di affrontare e fermare l’inquinamento del nostro ambiente da microplastiche.

Alla luce di ciò, recenti indagini subacquee hanno evidenziato l’urgente necessità di soluzioni innovative per la raccolta dei rifiuti. Ad esempio, un’indagine rivoluzionaria condotta da ricercatori del Desert Research Institute sul fondo del lago Tahoe ha rivelato una media allarmante di 83 pezzi di rifiuti plastici per chilometro, senza alcuna sezione del fondo priva di rifiuti plastici. Gli oggetti comuni identificati includono contenitori per alimenti, bottiglie, sacchetti di plastica e giocattoli, con i sei tipi di plastica più comuni che sono cloruro di polivinile (PVC), polistirene, poliestere/poli(ethylene tereftalato), polietilene, polipropilene e poliammide.

Mentre sono presenti diversi fornitori di soluzioni che offrono alternative valide per pulire le plastiche subacquee, i ricercatori sono anche interessati a valutare il potenziale di una ‘metrica di sostenibilità’ per ridurre l’inquinamento da plastica. I ricercatori dell’Woods Hole Oceanographic Institution hanno sviluppato una metrica di sostenibilità per la progettazione ecologica di prodotti plastici a bassa persistenza nell’ambiente. I ricercatori ritenevano che questa metrica potesse fornire benefici ambientali e sociali.

Lo studio ha mostrato un modo innovativo e creativo per affrontare la minaccia dell’inquinamento da plastica. L’approccio può essere visto come in parte simile agli esercizi di contabilità dell’impatto sociale a cui siamo abituati. Ha confrontato gli indici dell’impatto ambientale delle plastiche e dei loro sostituti, dimostrando che contabilizzare la persistenza ambientale della plastica e sostituirla in modo efficiente potrebbe tradursi in guadagni di centinaia di milioni di dollari per un singolo prodotto di consumo.

Il capo autore dello studio, Bryan James, scienziato dei materiali e ingegnere, ha dichiarato:

“Ciò che è importante determinare è come possiamo progettare materiali, prodotti e processi funzionali, sostenibili e benigni che incarnino tutti i principi dell’ingegneria dei materiali verdi nel futuro mondo in cui vivremo.”

Nel complesso, la produzione di plastiche adeguatamente biodegradabili e l’individuazione di alternative idonee hanno tenuto occupata la comunità scientifica e tecnologica. Numerose aziende, grandi e piccole, stanno lavorando attivamente in questo settore.  

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group è stato un partecipante attivo in questo settore da molto tempo. Come membro della Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), istituita nell’ottobre 2012, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) ha partecipato a un progetto di fotosintesi artificiale condotto dalla New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Da allora, Mitsubishi ha spinto i limiti per ottenere maggiore efficienza e ottimizzazione del processo. 

Si trattava della produzione sostenibile di acido fumarico nella ricerca che abbiamo presentato come introduzione della nostra discussione. Tuttavia, gli sforzi di Mitsubishi Chemical Group sono orientati alla produzione di Olefine. 

In questo processo, un catalizzatore sintetico svolge un ruolo fondamentale consentendo la reazione tra idrogeno separato e anidride carbonica. Il lavoro innovativo di Mitsubishi nello sviluppo di un catalizzatore adeguato e nel perfezionamento delle tecnologie di processo necessarie ha notevolmente aumentato la resa, rendendo la produzione di Olefine più efficiente. 

Di conseguenza, l’Olefine è diventata una materia prima prodotta in modo efficace per la creazione di plastiche, dimostrando il contributo di Mitsubishi all’avanzamento delle pratiche di produzione sostenibile nell’industria chimica.

Il Green Innovation Project, gestito da NEDO, ha selezionato lo sviluppo commerciale da parte di Mitsubishi della produzione di materie prime chimiche basate sulla fotosintesi artificiale per il finanziamento nel febbraio 2022. 

Nelle fasi successive di sviluppo, il processo convertirà materie prime provenienti dal petrolio e aiuterà a sviluppare tecnologie di produzione di plastica sfruttando l’anidride carbonica, utilizzando tecnologie di produzione petrolchimica, tecnologie di sviluppo di catalizzatori e altre tecnologie che ha coltivato collaborando con università e istituti di ricerca. 

The Mitsubishi Corporation ha pubblicato un rapporto integrato per l’anno fiscale chiuso il 31 marzo 2023. L’azienda ha guadagnato più di 159 miliardi di dollari USA.

#2. Evonik and Siemens

In quella che viene chiamata fotosintesi tecnica, due società, Evonik e Siemens, stanno utilizzando energia rinnovabile e batteri per convertire l’anidride carbonica in prodotti chimici speciali. Le società stanno svolgendo questo compito nell’ambito di un progetto di ricerca congiunto chiamato Rheticus. La prima fase della ricerca ha visto la produzione di sostanze chimiche come butanolo e esanol, entrambi materie prime per plastiche speciali e integratori alimentari. 

Secondo il Dr. Thomas Haas, responsabile del progetto nel dipartimento di ricerca strategica Creavis di Evonik: 

“Con la piattaforma Rheticus, vogliamo dimostrare che la fotosintesi artificiale è fattibile.”

Per rendere concreta questa affermazione, sia Evonik che Siemens stanno contribuendo secondo le loro competenze fondamentali. Ad esempio, Siemens sta potenziando il processo con la tecnologia dell’elettrolisi, che sarà utilizzata nella prima fase per convertire anidride carbonica e acqua in idrogeno e monossido di carbonio mediante elettricità. 

I contributi di Evonik mirano a rafforzare il processo di fermentazione, in cui i gas contenenti monossido di carbonio verrebbero convertiti in prodotti utili tramite processi metabolici facilitati da microorganismi speciali. 

Mentre spiegava il suo potenziale per aiutare l’industria della plastica e dei prodotti chimici speciali, il Dr. Haas ha dichiarato:

“La sua natura modulare e la flessibilità in termini di ubicazione, fonti di materie prime e prodotti fabbricati rendono la nuova piattaforma particolarmente attraente per l’industria dei prodotti chimici speciali. Siamo fiduciosi che altre aziende utilizzeranno la piattaforma e la integreranno con i propri moduli per produrre i loro prodotti chimici.”

Secondo gli ultimi bilanci annuali disponibili, il Gruppo Evonik ha registrato vendite di quasi 18,5 miliardi di euro nel 2022. Di questo fatturato, gli additivi speciali e la nutrizione & cura hanno contribuito per il 23% ciascuno. I ricavi dei materiali intelligenti hanno rappresentato il 26% del fatturato, mentre i materiali di prestazione hanno contribuito per il 20%, e i prodotti e servizi di tecnologia e infrastruttura per l’8%. 

Nell’anno fiscale 2023, Siemens ha registrato un fatturato annuo di quasi 22 miliardi di euro, un aumento significativo rispetto ai 19,5 miliardi di euro registrati nell’anno fiscale 2022. 

Plastica e il nostro percorso verso la sostenibilità

Attraverso sforzi collettivi, dobbiamo assicurarci di compiere i passi giusti verso un futuro ricco di bioplastiche, che sono sia plastiche biodegradabili sia materiali di origine biologica, ottenendo energia da risorse rinnovabili. Queste bioplastiche, in termini di durata e usabilità, non sarebbero inferiori alle plastiche convenzionali. Potrebbero essere lavorate con macchine plastiche tradizionali e conservate in magazzini tradizionali, eliminando efficacemente la ridondanza delle risorse.

Il fallimento nel trovare un’alternativa valida alla minaccia dei rifiuti plastici si tradurrebbe in pericoli gravi per diversi paesi del mondo. Il Sud‑Est asiatico, ad esempio, è già diventato un ‘punto caldo’ per l’inquinamento da plastica, una situazione aggravata dall’urbanizzazione rapida e da una classe media in crescita. Ulteriormente complicato dalla mancanza di infrastrutture efficienti, ciò ha portato a una scarsa efficienza per le plastiche riciclabili.

Questo problema di cattiva gestione dei rifiuti è stato ulteriormente aggravato durante la stagione COVID a causa del consumo di mascherine, bottiglie di disinfettante e imballaggi per le consegne online. Secondo i dati presentati dalla Banca Mondiale, in paesi come Thailandia, Filippine e Malesia, più del 75% del valore materiale della plastica riciclabile viene perso – l’equivalente di 6 miliardi di dollari all’anno quando la plastica monouso viene scartata anziché recuperata e riciclata.

Alla luce di tale cattiva gestione dei rifiuti e dell’inadeguatezza delle infrastrutture, le bioplastiche emergono come l’alternativa più efficace, indipendente da tali errori gestionali. Inoltre, le bioplastiche supportano i nostri sforzi di sostenibilità poiché dipendono meno dai combustibili fossili convenzionali. L’uso di plastiche biodegradabili significa anche scenari di fine vita migliorati per lo smaltimento e il riciclo.

Tuttavia, la quota di bioplastiche è ancora molto inferiore a quella necessaria per un futuro completamente dipendente da mezzi sostenibili. Secondo una stima, su 367 milioni di tonnellate di plastica prodotte a livello globale ogni anno, la quota di bioplastiche è ancora inferiore all’1%. Tuttavia, si prevede una crescita significativa nei prossimi anni in una vasta gamma di settori applicativi, tra cui imballaggi, beni di consumo, edilizia e costruzioni, automotive e trasporti, tessuti, agricoltura e orticoltura, elettronicità, rivestimenti e adesivi, e altro ancora.

Tecnologie all’avanguardia supportate dalla ricerca, come la fotosintesi artificiale e la produzione sostenibile di componenti plastici alimentata da fonti di energia rinnovabile, avranno un impatto significativo sui modi di affrontare la plastica. Questi processi non solo porteranno a plastiche più ecologiche, ma anche a un ecosistema produttivo sostenibile e quasi privo di emissioni.