Elettroni e microbi per produrre nylon a base biologica

Ma c'è ancora molta strada da fare prima che il nylon a base di lignina sia pronto per il mercato

[20 Luglio 2023]

Fino ad ora, il nylon è stato prodotto da materie prime a base di petrolio, un procedimento dannoso per l’ambiente perché vengono utilizzate risorse fossili non rinnovabili, è necessaria molta energia e durante la produzione viene emesso protossido di azoto dannoso per il clima. Ma ora lo studio “Integrated electrosynthesis and biosynthesis for the production of adipic acid from lignin-derived phenols”, pubblicato su Green Chemistry da un team di ricercatori dell’Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) e dell’Universität Leipzig, ha sviluppato «Un processo in grado di produrre acido adipico, uno dei due elementi costitutivi del nylon, dal fenolo attraverso la sintesi elettrochimica e l’uso di microrganismi». Il team ha anche dimostrato che «Il fenolo può essere sostituito da materiali di scarto dell’industria del legno. Questo potrebbe quindi essere utilizzato per produrre nylon a base biologica».

Il nylon serve per produrre magliette, calze e corde  e come componente di paracadute e pneumatici per auto, le poliammidi sintetiche – che vennero chiamate nylon negli anni ’30 del secolo scorso – sono utilizzate ovunque come fibre sintetiche. Nylon-6 e Nylon-6.6 sono due poliammidi che rappresentano circa il 95% del mercato globale del nylon. L’autore senior del nuovo studio, Falk Harnisch  dell’UFZ, spiega che «l nostro obiettivo è rendere l’intera catena di produzione del nylon rispettosa dell’ambiente. Questo è possibile se accediamo ai rifiuti a base biologica come materia prima e rendiamo sostenibile il processo di sintesi».

Il team di ricerca guidato da Harnisch e da Rohan Karande dell’Universität Leipzig e del Transfer Center for bioactive Matter b-ACT matter, descrive  come si può ottenere questo risultato: «Ad esempio, il nylon è costituito per circa il 50% da acido adipico, che finora è stato estratto industrialmente dal petrolio. In una prima fase, il fenolo viene convertito in cicloesanolo, che viene poi convertito in acido adipico. Questo processo ad alta intensità energetica richiede alte temperature, alta pressione del gas e una grande quantità di solventi organici. Rilascia anche molto protossido di azoto e anidride carbonica. I ricercatori hanno ora sviluppato un processo in cui possono convertire il fenolo in cicloesanolo utilizzando un processo elettrochimico».

Harnisch spiega ancora: «La trasformazione chimica alla base è la stessa dei processi consolidati. Tuttavia, la sintesi elettrochimica sostituisce l’idrogeno gassoso con energia elettrica, il che avviene in una soluzione acquosa e richiede solo pressione e temperatura ambiente. Affinché questa reazione avvenga nel modo più rapido ed efficiente possibile, è necessario un catalizzatore adatto. Questo massimizzerebbe la resa degli elettroni necessari per la reazione e l’efficienza della conversione del fenolo in cicloesanolo. In esperimenti di laboratorio, le migliori rese (quasi il 70% di elettroni e poco più del 70% di cicloesanolo) sono state quelle dimostrate con un catalizzatore di rodio a base di carbonio».

Il principale autore dello studio, il chimico dell’UFZ Micjel Chávez Morejón, sottolinea che «Il tempo di reazione relativamente breve, la resa efficiente e l’uso efficace dell’energia, nonché le sinergie con il sistema biologico, rendono questo processo interessante per una produzione combinata di acido adipico».

In una ricerca precedente, altri due working groups dell’UFZ guidati da Katja Bühler e da Bruno Bühler hanno scoperto come il batterio  Pseudomonas taiwanensis può convertire il cicloesanolo in acido adipico in una seconda fase.  “Fino ad ora, non era stato possibile convertire microbicamente il fenolo in cicloesanolo. Abbiamo colmato questa lacuna con la reazione elettrochimica”, afferma il dott., che ora sta continuando questo lavoro in collaborazione con l’UFZ dell’Università di Lipsia.le migliori rese (quasi il 70% di elettroni e poco più del 70% di cicloesanolo) sono state mostrate con un catalizzatore di rodio a base di carbonio. “Il tempo di reazione relativamente breve, la resa efficiente e l’uso efficace dell’energia, nonché le sinergie con il sistema biologico, rendono questo processo interessante per una produzione combinata di acido adipico”, afferma il dott. Micjel Chávez Morejón, chimico dell’UFZ e primo autore dello studio. In una ricerca precedente, altri due gruppi di lavoro dell’UFZ guidati dalla dott.ssa Katja Bühler e dal dott. Bruno Bühler hanno scoperto come il batterio le migliori rese (quasi il 70% di elettroni e poco più del 70% di cicloesanolo) sono state mostrate con un catalizzatore di rodio a base di carbonio. “Il tempo di reazione relativamente breve, la resa efficiente e l’uso efficace dell’energia, nonché le sinergie con il sistema biologico, rendono questo processo interessante per una produzione combinata di acido adipico”, afferma il dott. Micjel Chávez Morejón, chimico dell’UFZ e primo autore dello studio. In una ricerca precedente, altri due gruppi di lavoro dell’UFZ guidati dalla dott.ssa Katja Bühler e dal dott. Bruno Bühler hanno scoperto come il batterio afferma il dott. Micjel Chávez Morejón, chimico dell’UFZ e primo autore dello studio. In una ricerca precedente, altri due gruppi di lavoro dell’UFZ guidati dalla dott.ssa Katja Bühler e dal dott. Bruno Bühler hanno scoperto come il batterio afferma il dott. Micjel Chávez Morejón, chimico dell’UFZ e primo autore dello studio. In una ricerca precedente, altri due gruppi di lavoro dell’UFZ guidati dalla dott.ssa Katja Bühler e dal dott. Bruno Bühler hanno scoperto come il batterioPseudomonas taiwanensis può convertire il cicloesanolo in acido adipico in una seconda fase. Un altro autore dello studio, Rohan Karande, che sta continuando il lavoro di  Bühler e Bühler ricorda che «Fino ad ora, non era stato possibile convertire microbicamente il fenolo in cicloesanolo. Abbiamo colmato questa lacuna con la reazione elettrochimica»

I ricercatori di Lipsia sono stati in grado di colmare un’altra lacuna nella produzione di nylon ecocompatibile sviluppando un’alternativa al fenolo prodotto da materie prime di origine fossile. Per farlo hanno utilizzato monomeri come siringolo, catecolo e guaiacolo, tutti prodotti dalla degradazione della lignina, un prodotto di scarto dell’industria del legno. Harnisch racconta che «Per queste sostanze modello, siamo stati in grado di dimostrare che insieme possiamo arrivare fino all’acido adipico». Karande aggiunge: «In tutto il mondo vengono prodotti circa 4,5 milioni di tonnellate di acido adipico. Se dovessimo utilizzare i prodotti di scarto dell’industria del legno per questo, avrebbe un effetto considerevole sul mercato mondiale».

Ma all’UFZ avvertono che «C’è ancora molta strada da fare prima che il nylon a base di lignina sia pronto per il mercato. Ad esempio, gli scienziati hanno finora raggiunto una resa del 57% per il processo complessivo di 22 ore (vale a dire dai monomeri dai residui di lignina mediante fasi di reazione microbiche ed elettrochimiche all’acido adipico)». Per Chávez Morejón, «Questa è una resa molto buona».

Harnisch e Karande concordano e concludono «I risultati sono ancora basati su test di laboratorio su scala millilitro. I prerequisiti per intensificare il processo devono essere creati nei prossimi due anni. Questo trasferimento tecnologico richiede non solo una migliore comprensione dell’intero processo ma anche, tra l’altro, l’utilizzo di miscele di lignina reali invece di miscele modello (come è avvenuto finora) e il miglioramento dei reattori elettrochimici».