I ricercatori dell’Istituto Fraunhofer per l’ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB hanno sviluppato un flocculante a base biologica e funzionalizzato per trattare in modo efficiente le acque reflue complesse. Inoltre, i fenoli tossici vengono rimossi dall'acqua dall'enzima laccasi in una matrice di chitosano. Il flocculante funzionalizzato e degradabile LaChiPur sarà presentato per la prima volta all'IFAT di Monaco che si terrà dal 13 al 17 maggio 2024.
Attraverso la flocculazione, le impurità solide più fini vengono rimosse durante la purificazione delle acque reflue e il trattamento delle acque. I flocculanti fanno sì che i solidi sospesi si agglomerino in fiocchi più grandi, che affondano sul fondo o possono essere filtrati:l'acqua diventa di nuovo limpida.
I sali metallici inorganici, come solfati e cloruri di ferro o alluminio, vengono spesso utilizzati per rimuovere le sostanze umiche nel trattamento dell'acqua potabile, per trattare l'acqua di processo durante la produzione di carta o per far precipitare il fosforo negli impianti di trattamento delle acque reflue municipali. In alcuni casi sono inclusi anche flocculanti polimerici, polimeri sintetici ottenuti da risorse fossili.
L'ovvio svantaggio dei metodi convenzionali:a causa dell'aggiunta di sostanze chimiche o polimeri, i fanghi risultanti non possono essere riutilizzati e devono essere smaltiti a caro prezzo.
Ecco perché i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB si sono rivolti al chitosano naturale e completamente biodegradabile. Questo si ottiene dalla chitina rinnovabile, che è contenuta come componente strutturale nei gusci dei crostacei, nei gusci e nelle pelli degli insetti e nei funghi, rendendo la chitina uno dei polimeri naturali più comuni sulla terra, secondo solo alla cellulosa di origine vegetale.
Sono già disponibili prodotti chimici per il trattamento dell’acqua a base di chitosano per purificare piscine e laghetti. Tuttavia, i ricercatori del Fraunhofer stanno portando questo approccio un ulteriore passo avanti funzionalizzando ulteriormente il chitosano con l’enzima laccasi. L'enzima si trova in varie piante, funghi e batteri.
In natura, le laccasi sono coinvolte sia nel collegamento dei monomeri aromatici per formare la lignina, sia nella sua rimozione. A causa della loro capacità di ossidare i fenoli e altre sostanze fenoliche, sono molto richiesti per varie applicazioni industriali, sia durante la rimozione di fenoli tossici nei succhi di frutta, la decolorazione delle acque reflue tessili, o la rimozione di sostanze inquinanti nell'acqua e nel suolo.
"La nostra idea era che la laccasi, legata al chitosano come matrice, potesse essere adatta anche per acque reflue complesse, come quelle generate durante la produzione di vino o olio d'oliva", afferma il dott. Thomas Hahn, la cui ricerca presso il Fraunhofer IGB comprende la purificazione di chitina da un'ampia varietà di flussi di rifiuti e la sua successiva conversione in chitosano.
Dopo la vendemmia, gli impianti di trattamento delle acque reflue comunali raggiungono rapidamente i loro limiti quando un volume di acque reflue tre o quattro volte superiore al normale raggiunge gli impianti di trattamento delle acque reflue, prevalentemente di piccole dimensioni, nelle zone rurali vinicole.
"I fenoli presenti nelle acque reflue hanno un effetto tossico sui batteri nella vasca di aerazione. Di conseguenza è necessario aumentare l'aerazione, il che aumenta notevolmente il fabbisogno energetico dell'impianto di trattamento delle acque reflue", afferma Marc Beckett, esperto in gestione delle acque e trattamento delle acque presso l'IGB.
Nei frantoi, le acque reflue derivanti dal lavaggio e dall'estrazione dell'olio vengono spesso immagazzinate in grandi vasche di raccolta, dove l'acqua evapora nel tempo e lascia dietro di sé fanghi tossici per la flora e la fauna.
L'idea si è trasformata in un progetto di ricerca Fraunhofer della durata di due anni. Il team dell'IGB ha collaborato con l'Istituto Fraunhofer per la ricerca applicata sui polimeri IAP di Potsdam, che ha lavorato alla funzionalizzazione del chitosano con la laccasi.
Per poter testare l'effetto del chitosano funzionalizzato con laccasi utilizzando vere acque reflue, i ricercatori dell'IGB hanno innanzitutto stabilito la metodologia e l'analisi corrispondenti. "Una delle sfide è stata portare il chitosano polimerico in soluzione, permettendogli di essere dosato come flocculante e sviluppare il suo effetto di legare polifenoli e tannini", ricorda Hahn.
"Poiché un ambiente leggermente acido è ideale per la laccasi, abbiamo immediatamente ottenuto risultati molto promettenti per le tipiche acque reflue della produzione di vino o olio d'oliva", afferma il chimico.
"La nostra tecnologia raggiunge prestazioni di flocculazione per acque reflue agroindustriali complesse paragonabili a quelle dei coagulanti utilizzati convenzionalmente contenenti sali metallici o flocculanti polimerici sintetici. Tuttavia, LaChiPur, come chiamiamo il nostro prodotto funzionalizzato, è completamente a base biologica e quindi biodegradabile", riassume Beckett, biologo e scienziato ambientale.
La combinazione con la laccasi si è rivelata un vero vantaggio con queste acque reflue, poiché il chitosano funzionalizzato può essere utilizzato come flocculante e allo stesso tempo ossida e polimerizza i fenoli.
Ulteriori vantaggi della nuova tecnologia rispettosa dell'ambiente:la materia prima chitina viene prodotta localmente in grandi quantità come scarto dell'industria alimentare o della biotecnologia. Ciò garantisce una produzione economica e la sicurezza dell’approvvigionamento, senza le dipendenze delle catene di approvvigionamento internazionali intrecciate. Se i fanghi degradabili prodotti dopo la flocculazione vengono fatti fermentare negli impianti di trattamento delle acque reflue, ciò può addirittura aumentare significativamente la resa di biogas.
"Grazie alla nostra esperienza interdisciplinare, ora possiamo esaminare nel nostro laboratorio le acque reflue e di processo prodotte nelle aziende industriali per vedere come viene purificata l'acqua trattata con LaChiPur", affermano Hahn e Beckett.
Sulla base dei promettenti risultati iniziali, i ricercatori vogliono anche ottimizzare ulteriormente la loro tecnologia con le piccole e medie imprese che vendono o producono flocculanti, trasferirli su scala più ampia e inserirli nell'applicazione industriale.
"LaChiPur è inoltre adatto come materiale filtrante e ha le proprietà di precipitanti. Cerchiamo inoltre di sviluppare ulteriormente il nostro prodotto per l'uso nella precipitazione del fosforo. Grazie alle sue proprietà, è interessante anche per la purificazione delle acque reflue tessili o per l'uso potabile trattamento delle acque", sono convinti gli scienziati dell'IGB.
Dal 13 al 17 maggio 2024 presenteranno LaChiPur presso lo stand congiunto della Fraunhofer Water Systems Alliance (SysWasser) nel padiglione B2, stand 338 all'IFAT di Monaco.
Fornito dall'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB
