La Germania produce circa 38 chilogrammi di rifiuti di plastica pro capite ogni anno. In un progetto congiunto con l'Università di Stoccarda e LCS Life Cycle Simulation, i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB e l'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria di processo e l'imballaggio IVV stanno ora lavorando per stabilire un concetto olistico per l'uso sostenibile di materiali di imballaggio biodegradabili nell'industria cosmetica. Il progetto si concentra sui poliidrossialcanoati (PHA), che hanno proprietà simili alle plastiche convenzionali ma sono prodotte da microrganismi e senza l'utilizzo di materie prime di origine fossile.

Ad oggi, i batteri nel laboratorio della dott.ssa Susanne Zibek al Fraunhofer IGB di Stoccarda sono stati nutriti con un'intera varietà di materiali di scarto, che vanno dagli scarti di legno e residui di olio e zucchero al glicerolo dalla produzione di biodiesel. Ognuna di queste fonti di mangime a base di carbonio fa sì che i batteri producano specifici granuli di stoccaggio intracellulari. Questi cosiddetti poliidrossialcanoati (PHA) sono al centro di SusPackaging, un progetto di ricerca condotto in collaborazione con Fraunhofer IVV a Freising, l'Università di Stoccarda e LCS Life Cycle Simulation, che si trova nella città di Backnang. I ricercatori del Fraunhofer IGB stanno cercando di creare, su base biologica, polimeri biodegradabili in sostituzione degli imballaggi in plastica nell'industria cosmetica. Ciò che distingue il progetto è il suo tentativo di stabilire una catena del valore completamente verde. Come spiega la dott.ssa Ana Lucía Vásquez-Caicedo del Fraunhofer IGB, un concetto olistico con un focus sulla sostenibilità è nuovo:"Molti studi si concentrano su aspetti individuali, ma è raro vedere una considerazione dell'intera catena di processo fino a una valutazione della qualità dei materiali."

Il processo inizia con la coltivazione dei batteri. Dott.ssa Susanne Zibek, capogruppo del Gruppo Tecnologie per la Lavorazione Alimentare, e il suo collega, il dott. Thomas Hahn, stanno studiando come è possibile utilizzare microrganismi specifici per produrre diversi PHA con strutture diverse, e come la scelta del mangime ne influenza le caratteristiche. "Fondamentalmente, stiamo cercando di creare nuove varianti strutturali, in modo da poter poi vedere se il polimero prodotto è adatto come materiale da imballaggio, " Spiega Zibek. Il gruppo di lavoro ha il supporto di ricercatori dell'Università di Stoccarda, che stanno esaminando più da vicino le varie caratteristiche dei microrganismi, compresa la misura in cui possono adattarsi alle sostanze tossiche che potrebbero essere contenute nelle fonti naturali di alimentazione.

Sostituzione dei solventi nocivi con la tecnologia del cambio di pressione

Prima che i PHA possano essere elaborati e testati, devono prima essere estratti dai microrganismi. Questo è il campo specialistico di Vásquez-Caicedo, capogruppo del gruppo di tecnologia per la lavorazione degli alimenti presso Fraunhofer IGB. Di regola, questo cosiddetto processo di purificazione utilizza solventi come il cloroformio. Però, come lei spiega, l'obiettivo è quello di allontanarsi dai solventi dannosi per l'ambiente. Anziché, ha sviluppato un metodo puramente meccanico/fisico di distruzione cellulare. Conosciuta come tecnologia di variazione della pressione (PCT), ciò comporta l'aggiunta di un gas di processo al brodo di fermentazione contenente i microrganismi. Il brodo viene quindi pressurizzato, con il risultato che il gas penetra nel citoplasma delle cellule. Un rapido abbassamento della pressione nel brodo distrugge le cellule e rilascia il PHA.

Dopo la purificazione, il PHA viene inviato sotto forma di polvere bianca al Fraunhofer IVV di Freising. Qui, si trasforma prima in granuli e poi in film polimerico. I test iniziali su piccoli fogli di questo polimero hanno esaminato le caratteristiche del materiale come la stabilità termica, plasticità e varie proprietà barriera, essenziali se il futuro imballaggio deve fornire ingredienti cosmetici, Per esempio, protezione efficace contro il disseccamento.

La dott.ssa Cornelia Stramm del Fraunhofer IVV è soddisfatta dei risultati finora ottenuti:"In termini di proprietà meccaniche, alcuni tipi di PHA si stanno ancora rivelando alquanto difficili da elaborare. Dobbiamo apportare alcune modifiche lì. Ma in termini di proprietà barriera, I PHA mostrano un grande potenziale rispetto ad altri biopolimeri." Alla fine di ogni ciclo di test, invia i risultati a Stoccarda insieme alle raccomandazioni per ulteriori azioni, e poi il processo ricomincia.

Sulla base di questo feedback di Fraunhofer IVV, Il gruppo di lavoro di Zibek al Fraunhofer IGB ha modificato la sua strategia di alimentazione. Ai batteri viene ora somministrato un cosubstrato aggiuntivo, che aumenta il contenuto di valerato del PHA, rendendo così il prodotto finale più flessibile.

Ulteriori miglioramenti con ogni ciclo di feedback

Sebbene i volumi siano ancora molto bassi e la produzione richieda molto tempo, il processo sta migliorando costantemente con ogni ciclo di feedback.

Una volta completati i vari passaggi, un'analisi del ciclo di vita condotta dal partner di progetto esterno LCS Life Cycle Simulation valuterà l'efficienza energetica e la sostenibilità dell'intero processo al fine di confrontarlo con i processi esistenti. All three researchers from Fraunhofer see big potential for PHAs. Nel futuro, particularly for small items of disposable packaging, they could offer a genuine alternative to conventional petroleum-based plastics.