Materiali per imballaggi ricavati da biomasse agricole residuali

L'industria italiana degli imballaggi ha raggiunto il 72% di riciclaggio delle plastiche, contro una media europea del 52%. Un ottimo risultato in percentuale, ma in valore assoluto l'impatto ambientale rimane comunque enorme. Su 14,3 Mton di materiale da imballaggio immesso al consumo ogni anno, 10,5 Mton provengono da materiale riciclato, ma le restanti 3,8 Mton sono plastica vergine, prodotta con petrolio. A titolo d'esempio, per produrre 1 tonnellata di PET (la plastica più utilizzata per le bottiglie di bevande e contenitori di alimenti) sono necessarie 1,9 tonnellate di petrolio. Quindi, malgrado tutti gli sforzi per spingere la raccolta differenziata, l'Italia consuma poco meno di 20 Mton di petrolio all'anno per produrre materie plastiche da imballaggio.

L'utilizzo delle biomasse residue agricole per la produzione di materiali da imballaggio è dunque un'interessante opzione per decarbonizzare l'industria. Mediamente, la quantità di paglia rimanente ad ogni raccolto di cereali è all'incirca pari alla produzione di granella. Alla paglia dei cereali si devono sommare gli scarti agroforestali e della viticoltura, quindi si tratta di una risorsa rinnovabile complessivamente molto abbondante.

Le possibili tecnologie di trasformazione si possono classificare in quattro grandi categorie:

• Biomasse "al naturale", pressate in stampi con o senza agglomeranti.
• Carta e cartone: sono il risultato di un processo di elaborazione di tipo chimico-fisico ben stabilito nell'industria, ma in Europa sono preferite le biomasse forestali, più per motivi storici ed estetici che altro.
• Polimeri: si ottengono mediante trasformazioni chimiche dei polimeri naturali che compongono la biomassa: cellulosa, lignina ed emicellulosa.
• Materiali ibridi: le fibre vegetali fungono da rinforzi strutturali che migliorano le proprietà meccaniche del materiale, ma l'agglomerante è una resina o elastomero, anche a base di petrolio.

Passiamo brevemente in rivista le caratteristiche dei suddetti gruppi:

• Paglia pressata.
  Questo materiale è più diffuso in bioedilizia che nel settore degli imballaggi. La paglia - tipicamente di frumento, orzo o riso - viene triturata e pressata in stampi, con eventuale aggiunta di agglomeranti. Gli stampi vengono sfornati ed è precisamente l'essiccazione che favorisce l'attaccamento fra le fibre. Le proprietà meccaniche di tali manufatti sono piuttosto deboli, perché le fibre sono tenute insieme da deboli forze elettrostatiche note come forze di van der Waals (¹). Le caratteristiche di bassa conduttività termica della paglia consentono la produzione di buoni pannelli isolanti. I manufatti di paglia pressata hanno una discreta resistenza a compressione, per cui sono adatti per produrre riempimenti paracolpi per imballaggi di oggetti fragili.
• Pasta di carta.
  Si ottiene eliminando la lignina mediante bollitura in acqua con soda caustica, calce o altri alcali forti. La lignina si depolimerizza e diventa liquida - nota nell'industria cartaria come black liquor - per cui rimangono le fibre di cellulosa. In medio acquoso queste non hanno alcuna coesione, ma se vengono pressate insieme ed essiccate, le forze di van der Waals le tengono insieme. L'aggiunta di colle ne migliora ulteriormente la tenuta, il colore e la testura. Residui di lignina nella pasta di carta rendono questa più scura, ma anche più resistente. Uno studio dell'Università di Cordoba (²) ha investigato le proprietà meccaniche delle diverse paste di carta ottenute da paglia di orzo, avena, colza e mais, comparate con lo standard di mercato, paglia di frumento. Dopo una bollitura di 150 minuti in una soluzione di soda caustica al 7%, utilizzando un rapporto liquido/solido pari a 10, tutte le suddette biomasse rendono all'incirca il 65% di pasta di cellulosa, ad eccezione della colza che rende il 63%. La paglia di frumento rende il 70%, ma ha un valore di mercato maggiore, in quanto utilizzata anche dal comparto zootecnico. La pasta di carta ottenuta dalle biomasse testate è risultata adatta sia alla termoformatura che alla pressatura a freddo con essiccazione ulteriore.
  La produzione di imballaggi con pasta di carta ricavata da paglia è una tecnologia semplice, che si presta anche alla produzione artigianale. Rispetto alla pasta di carta ottenuta da carta riciclata, la pasta di paglia ha migliori proprietà meccaniche. Il processo di riciclaggio della carta di giornale riduce la lunghezza delle fibre, indebolendo il prodotto finale, e richiede l'utilizzo di candeggina e altri prodotti inquinanti per sbiancare le tracce di inchiostro. La pasta di paglia è dunque più ecosostenibile rispetto alla pasta di carta riciclata.
• Polimeri ricavati dalla biomassa vegetale.
   • Polimeri da lignina. La lignina costituisce circa il 30% della biomassa vegetale erbacea. Esistono tre tipi di lignina: S-lignina, H-lignina (la meno abbondante nelle biomasse erbacee) e G-lignina, le cui proporzioni dipendono dalla biomassa dalla quale proviene l'estratto, e che ne determinano le caratteristiche fisico-chimiche. La lignina costituente il black liquor - residuo del processo di produzione della pasta di carta descritto prima - si può utilizzare per la produzione di poliuretani, poliesteri, resine epossidiche, resine e colle fenoliche. Tutti i suddetti processi richiedono in maggiore o minore misura l'aggiunta di solventi o ingredienti più o meno inquinanti. La tecnologia nota come "reazioni click" o Raft, Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Reactions, consente di ripolimerizzare la lignina in nuovi materiali, senza ricorrere ad additivi inquinanti o tossici (³).
   • Polimeri da cellulosa. La cellulosa è il polimero naturale più abbondante, costituente circa il 50% della biomassa vegetale. Il più noto dei polimeri derivati dalla cellulosa è il cellofan, acronimo dal francese cellulose e diaphane, inventato nel 1908 dal chimico svizzero Jacques Brandenberger. I polimeri di cellulosa si ottengono sottoponendo la pasta di carta a reazioni chimiche con acidi. Si ottengono così le cinque resine cellulosiche termoplastiche più utilizzate nell'industria da quasi un secolo: nitrato di cellulosa, acetato di cellulosa, acetato butirrato di cellulosa, etilcellulosa e acetato propionato di cellulosa (⁴). Il trattamento alcalino della cellulosa, invece, si applica per la produzione di fibre di rayon, noto anche come viscosa.
   • Polimeri da emicellulosa. L'emicellulosa rappresenta il 20-30% della biomassa vegetale. È costituita da diversi monomeri di zuccheri che la rendono solubile o almeno parzialmente solubile in acqua. I polimeri di emicellulosa sono adatti alla produzione di pellicole per la confezione di alimenti (⁵).
• Materiali ibridi.
  NeoPalea è un materiale sviluppato all'Università degli Studi di Firenze e costituito da fibre di paglia agglomerate con MaterBi, una plastica biodegradabile prodotta con amido di mais. Il materiale si può termoformare in pezzi dalle ottime proprietà meccaniche - utili ad esempio per la produzione di paracolpi per il trasporto di prodotti fragili - ed è facilmente compostabile e vermicompostabile (⁶). Le pellicole di PHBV (polyhydroxy-co-3-butyrate-co-3-valerate) sono 100% biodegradabili e hanno proprietà antibatteriche che rendono questo materiale atto per la conservazione di alimenti. È possible produrre il PHBV con scarti agroalimentari. L'aggiunta di nanofibre di cellulosa ricavate da stocchi di mais migliora ulteriormente le proprietà meccaniche e di protezione degli alimenti delle pellicole (⁷).

La bioeconomia rappresenta un'opportunità per migliorare il reddito delle aziende agricole. Considerando il volume degli scarti colturali prodotti, l'Italia potrebbe risparmiare alcuni milioni di tonnellate di petrolio all'anno e nel contempo aumentare la competitività delle aziende agricole se i governi prendessero atto che le biomasse di scarto hanno un valore intrinseco che va ben oltre il loro potere calorifico o il loro potenziale metanigeno: sono materie prime a tutti gli effetti. L'utilizzo delle biomasse residue come ingredienti per la produzione di materiali meriterebbe dunque di beneficiare di politiche di incentivazione al pari di quelle già stanziate per la produzione di energia.

Bibliografia

(¹) Wolfgang Stelte, Jens K. Holm, Anand R. Sanadi, Søren Barsberg, Jesper Ahrenfeldt, Ulrik B. Henriksen, A study of bonding and failure mechanisms in fuel pellets from different biomass resources, Biomass and Bioenergy, Volume 35, Issue 2, 2011, Pages 910-918, ISSN 0961-9534.

(²) Vargas, F., González, Z., Sánchez, R., Jiménez, L., and Rodríguez, A. (2012). "Cellulosic pulps of cereal straws as raw material for the manufacture of ecological packaging" BioRes. 7(3), 4161-4170.

(³) James Sternberg, Olivia Sequerth, Srikanth Pilla, Green chemistry design in polymers derived from lignin: review and perspective, Progress in Polymer Science, Volume 113, 2021, 101344, ISSN 0079-6700.

(⁴) Pratima Bajpai, Chapter 2 - Wood and Fiber Fundamentals, Editor(s): Pratima Bajpai, Biermann's Handbook of Pulp and Paper (Third Edition), Elsevier, 2018, Pages 19-74, ISBN 9780128142400.

(⁵) Hu, L., Fang, X., Du, M., Luo, F. and Guo, S. (2020) Hemicellulose-Based Polymers Processing and Application. American Journal of Plant Sciences, 11, 2066-2079. doi: 10.4236/ajps.2020.1112146.

(⁶) Giuseppe Rossi, Leonardo Conti, Lorenzo Fiorineschi, Massimiliano Marvasi, Massimo Monti, Federico Rotini, Marco Togni, Matteo Barbari, A new eco-friendly packaging material made of straw and bioplastic, Journal of Agricultural Engineering 2020; volume LI:1088.

(⁷) A. Berthet, H. Angellier-Coussy, V. Chea, V. Guillard, E. Gastaldi, N. Gontard, Sustainable food packaging: Valorising wheat straw fibres for tuning PHBV-based composites properties, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 72, 2015, Pages 139-147, ISSN 1359-835X.