martedì 17 aprile 2012

Plastica buona: i poli-idrossi-alcanoati

Le materie plastiche sono polimeri a base di carbonio (policarbonati, PVC, polietilene, polistirene, butadiene e isoprene) miste carbonio/azoto (poliammidi, poliuretani). Lo scheletro dei polimeri plastici è dato da atomi di carbonio, a cui sono legati residui chimici che conferiscono particolari proprietà (rigidità, capacità di formare filati): rispetto all'asse dello scheletro di carbonio, questi residui possono essere posizionati a destra o a sinistra, conferendo propietà di chiralità e stereo-specificità (la chiralità è una proprietà della materia del tipo chiave-serratura, come un guanto che entra solo nella mano corrispondente).
Giulio Natta, Nobel per la Chimica nel 1963
  • la sua principale scoperta scientifica ebbe un'applicazione quasi immediata sul piano pratico e questo è un evento che avviene di rado. Poco importa che il suo lavoro sia stato più applicativo che di ricerca pura. Il nome di Giulio Natta è legato allo sviluppo impetuoso della chimica macromolecolare che risale agli anni cinquanta, e si fonda sul processo detto di polimerizzazione. Esso consiste nel passaggio da un componente chimico a basso peso molecolare a un composto ad alto peso molecolare;  utilizzando il metodo elaborato da Ziegler per la trasformazione del gas in sostanze plastiche, lo applicò ad un gas diverso dall'etilene, sul quale aveva operato lo scienziato tedesco. Il ricercatore italiano impiegò il propilene, da cui ottenne una nuova sostanza plastica: il polipropilene. La sua migliore qualità sta nel fatto che essa fonde a 180 gradi; essa può inoltre prendere sia la forma di materia plastica (il moplen), sia quella di filato sintetico (il meraklon), ambedue di facile lavorazione e di elevata resistenza. Un alto punto di fusione in una materia plastica significa soprattutto che la si puo usare senza danno per contenere liquidi bollenti o la si può stirare se è in forma di fibra.Alcune materie plastiche di sintesi sono tossiche, o perchè il monomero da cui sono polimerizzate è nocivo, o perchè contengono additivi che sono tossici (bisfenolo A), additivi che servono a dare resistenza (ftalati)  o conferire elasticità (oli plasticizzanti).

I poli-idrossi-alcanoati sono polimeri naturali a base di acidi grassi a catena media e corta, utilizzati per contenitori e bottiglie (PHB, più rigido) o per fogli plastici ed elastici (PHA). Sono di natura cristallina, ma una volta estratti dai batteri , eliminando le proteine e i lipidi che facevan oda protezione, diventano amorfi
  • Fixation and orthopaedic applications have included sutures, suture fasteners, meniscus repair devices, rivets, tacks, staples, screws (including interference screws), bone plates and bone plating systems, surgical mesh, repair patches, slings, cardiovascular patches, orthopedic pins (including bone.lling augmentation material), adhesion barriers, stents, guided tissue repair/regeneration devices, articular cartilage repair devices, nerve guides, tendon repair devices, atrial septal defect repair devices, pericardial patches, bulking and filling agents, vein valves, bone marrow scaffolds, meniscus regeneration devices, ligament and tendon grafts, ocular cell implants, spinal fusion cages, skin substitutes, dural substitutes, bone graft substitutes, bone dowels, wound dressings, and hemostats
Questo prodotto naturale è formato da un monomero di acido grasso idrossilato, e ne può contenere da 1000 a  30000 unità.
Le materie plastiche non derivate dal petrolio possono essere più economiche, più economia-sostenibili, più ecologiche, e biodegradabili. I primi polimeri utilizzati sono stati a base di bioplastiche da cellulosa e amido, polietilene e acido poli-lattico, che andarono sostituendo le buste della spesa prodotte precedentemente dal petrolio, che è troppo costoso.

 I PHA sono sintetizzati dai batteri, specie quelli del suolo, sia Gram negativi (Ralstonia che produce polimeri di acdi grassi a catena corta, e Pseudomonas che produce polimeri di acidi grassi a catena media) che Gram positivi (Bacillus), Il polimero più sfruttato è il poliidrossibutirrato (PHB), che è rigido, mentre il poliidrossivalerato è elastico.

I PHA sono composti di accumulo di energia chimica nei batteri.

La sintesi microbica di PHA avviene attraverso la condensazione di due molecole di acetil-Coenzima A a formare Acetoacetil-Coenzima A (questi composti chimici sono endotermici, contengono energia nel legame tio-estere che viene liberata durante la la cessione di acetoacetato su un altro gruppo accettore, carbonile o carbossile).
L'enzima chiave o gli enzimi (alcuni battteri posseggono due geni per le PHA sintasi) sono abbastanza conservati nei domini attivi, per cui è possibile eseguire una Amplificazione mediante PCR con primers degenerati, e fare uno screening da piastra per trovare le colonie che possono essere utili.
Alcuni batteri hanno una attività di sintesi anche nelle fasi di crescita esponenziale, in presenza di fonti di carbonio, azoto e fosforo, ma non accumulano PHA, anche perchè lo depolimerizzano facilmente. Le specie come la Ralstonia invece lo sintetizza nella fase stazionaria, a fine fermentazione, quando si creano le condizioni in cui c'è grande disponibilità di fonti di carbonio (zuccheri e polisaccaridi, acidi grassi, residui di produzioni agroindustriali e scarti vegetali) mentre le fonti di azoto sono quasi esaurite (C:N= 25:1). Queste specie sono sfruttate nella produzione industriale di PHA perchè arrivano a contenerne fino all'80% in peso secco.
I Bio-Based-Biochemicals sono prodotti chimici di sintesi enzimatica prodotti tramite fermentazione microbica, con batteri, lieviti o funghi, alimentati con scarti a basso costo (residui di altre lavorazioni). Tra  questi ci sono l'acido succinico, l'acido lattico, e i suoi esteri, che sono unità di partenza per prodotti chimici dell'industria agroalimentare e non, per produrre colle, resine e altri tipi di plastiche.
All'inizio degli anni '70 l'industria petrolchimica aveva a disposizione petrolio a basso costo, e proponeva una crescita economica indiscriminata a base di plastiche derivanti dal petrolio, e ci proponeva di utilizzare i batteri degradativi degli alcani per produrre biomasse, mediante reazioni biochimiche intracellulari. Oggigiorno l'economia sostenibile tiene conto dei costi complessivi della produzione, includendo l'impatto dello smaltimento, dell'inquinamento e dell'effetto serra (CO2 footprint, su cui incide anche il costo del trasporto delle materie, il cosidetto chilometro zero). Per questo i Bio-Based Biochemicals sono molto più convenienti perchè prodotti con cellule biologiche, centrali nella biosintesi chimica. I costi sono fatti lievitare per le elaborate separazioni post-fermentazione, pensiamo alla purificazione di acido succinico, ma per i PHA l'estrazione è molto più semplice, ed il rapporto PHA/composti batterici e proteine di parete è di 80:20. L'uso di solventi come l'esano e l'alcool isopropilico è già applicato nell'industria dell'estrazione dell'olio di semi, e sono solventi che vengono ridistillati o riutilizati per evaporazione.
Questo post vuole essere un contributo al Carnevale della chimica #16 di aprile, ospitato sul blog di Annarita Ruberto, dal tema: il cabonio e la chimica del carbonio
  • il versatile Carbonio, il sesto elemento della tavola periodica e il primo del  IV  Gruppo, che  possiede  la caratteristica peculiare di formare un numero illimitato di composti, in cui  più atomi di carbonio si legano stabilmente tra loro, ma può combinarsi con alcuni altri elementi chimici (ossigeno, idrogeno, azoto, zolfo, fosforo) per formare un’infinità di composti (diversi milioni), che comprendono i materiali plastici, le vernici, i tessuti, i medicamenti, i coloranti, i costituenti dei tessuti viventi (grassi, zuccheri, proteine) e altri ancora.
  • I composti del carbonio possono essere naturali (carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici…) o prodotti di sintesi (materie plastiche, prodotti farmaceutici, sostanze alimentari, carburanti…).
  • Ma pensate anche alle forme allotropiche del Carbonio presenti in natura (Grafite, Diamante, Fullerene), ai vari ossidi, ai carbonati che hanno importantissime attività biologiche (interazione con emoglobina, tamponare il sangue, equilibrio chemiostatico). Il carbonio si trova anche nell’atmosfera, sotto forma di diossido di carbonio, comunemente nota come anidride carbonica (CO2)…e non è finita qui....

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