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Approfondire le conoscenze sulla bioraffinazione sostenibile

La biomassa di rifiuti lignocellulosici è una delle materie prime più abbondanti al mondo, eppure è sottoutilizzata. LIGNINFIRST ha approfondito le conoscenze necessarie per bioraffinare la lignocellulosa, aprendo nuove prospettive per una bioeconomia sostenibile.

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La lignina è un polimero naturale presente nei tessuti vegetali ed è uno dei principali componenti della lignocellulosa o biomassa. Annualmente, l’industria della pasta di legno e della carta rilascia circa 130 milioni di tonnellate di tale materiale. Tuttavia, nonostante rappresenti il 30 % della biomassa vegetale e il 40 % del suo contenuto energetico, la lignina è sottoutilizzata, fungendo principalmente solo da fonte per combustibili solidi a ridotto consumo energetico. La bioraffinazione «prima la lignina» (lignin-first) è una tecnica che si avvale della catalisi chimica e che considera la valorizzazione della lignina nella fase di progettazione inerente alla decomposizione della biomassa. LIGNINFIRST (The Lignin-First Approach for the Full Valorisation of Lignocellulosic Biomass), un progetto sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca e ospitato dall’Imperial College di Londra, è stato istituito per approfondire i processi complessi legati alla decomposizione della biomassa e per sviluppare nuove strategie volte a migliorare il rendimento individuale di composti preziosi rilasciati durante tale bioraffinazione. «Il nostro gruppo di ricerca ha introdotto l’approccio di bioraffinazione “prima la lignina” utilizzando molecole organiche come fonte di idrogeno per controllare la reattività di frammenti di lignina», spiega Roberto Rinaldi, il ricercatore principale. «Una maggiore comprensione della chimica complessa in questione migliorerà il nostro procedimento brevettato.»

Stabilizzare i prodotti della lignina

La lignina ha una struttura chimica complessa: non esistono due molecole uguali. Agli albori della bioraffinazione della lignina, i ricercatori hanno scoperto che indipendentemente dalla qualità dei catalizzatori, gli approcci tradizionali davano luogo costantemente a misture molto complesse di composti, rendendo difficile il loro uso. I catalizzatori, che decompongono la lignocellulosa, funzionano tramite la depolimerizzazione, la quale scompone grandi molecole in frazioni di cellulosa, emicellulosa e lignina. Il lavoro pionieristico di Rinaldi ha contribuito alla consapevolezza che il problema non erano i catalizzatori, ma piuttosto la degradazione della lignina nel processo di estrazione e in che modo ciò si ripercuote sulla sua ricettività nei confronti della lavorazione chimica. Poiché i frammenti di lignina sono reattivi, spesso il processo di bioraffinazione li induce a ricombinarsi, formando strutture di polimeri meno reattive ma più complesse o lignine «tecniche». Il progetto LIGNINFIRST ha permesso al team di sviluppare ulteriormente la propria strategia di trasformazione della lignina nella sua forma originaria. «Abbiamo scoperto che attraverso l’impiego di un catalizzatore nella fase di estrazione della lignina, quindi “prima la lignina”, invece di trasformare tale polimero ricavato in presenza di un catalizzatore, regolavamo la ricombinazione dei frammenti della lignina stessa. Ciò ha generato un numero inferiore di composti di elevato valore invece di una mistura complessa caratterizzata da molti composti», afferma Rinaldi. Inoltre, il gruppo ha dimostrato che il rapporto tra la catalisi e la valorizzazione della lignina non è più limitato alla lavorazione a valle: il trattamento dei rifiuti della lignina tecnica generato dall’industria della pasta di legno e della carta. Le soluzioni di catalizzatori per lo stesso procedimento di macero hanno introdotto metodi per la decomposizione della lignocellulosa, definita come «bioraffinazione catalitica a monte». Inoltre, è stata altresì ottenuta la filtrazione a membrana come prova di concetto per affinare la lignina. «È fondamentale sviluppare i processi utili a separare i composti nella soluzione di prima la lignina, in modo da contribuire al riciclaggio dei solventi della soluzione e a trasformare i prodotti della lignina in biocarburanti avanzati», osserva Rinaldi.

Benefici per la bioeconomia

L’industria della pasta di legno e della carta crea oltre 180 000 posti di lavoro in Europa e indirettamente 1,5 milioni. Con un fatturato di 90 miliardi di euro, tale settore aggiunge 20 miliardi di euro al PIL dell’UE. La ricerca fondamentale di LIGNINFIRST trae beneficio dai tentativi per aumentare il valore della lignocellulosa a partire dai residui colturali e legnosi. «Non concepiamo un barile di greggio come rifiuto poiché possediamo la tecnologia per convertirlo in materiali utili, a differenza dei sacchi di trucioli nonostante il loro potenziale», dichiara Rinaldi. «Grazie a una migliore comprensione dell’interazione dei processi chimici in questa bioraffinazione, LIGNINFIRST ha contribuito non solo ai tentativi di valorizzazione della lignina, ma anche a sfruttare al massimo la biomassa come una materia prima rinnovabile per una produzione sostenibile.»

Parole chiave

LIGNINFIRST, lignina, bioraffineria, biomassa, bioeconomia, lignocellulosa, catalisi, depolimerizzazione, industria della pasta di legno e della carta, rifiuti, composti

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