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Chimica verde e valorizzazione dei
rifiuti per uno sviluppo sostenibile
Clara Piccirillo
Clara Piccirillo • Laurea in Chimica Industriale. • Dottorato in Scienza dei Materiali. • Ricercatrice: Padova (IT), Londra (UK), Porto (PT), Lecce (IT). • Sviluppo sostenibile. • Chimica verde. • Valorizzazione dei rifiuti/residui. • Alcuni esempi/applicazioni.
Sviluppo sostenibile • Sviluppo sostenibile: raggiungere gli obiettivi dello sviluppo umano senza comprometter le risorse naturali e l’ecosistema.
Sviluppo sostenibile • Concetto molto ampio, che riguarda molte aree diverse della società e molti aspetti delle nostre vite. • Ambiente: chimica verde. • Ambiente/economia: valorizzazione dei rifiuti.
Chimica • Chimica: indispensabile per le nostre vite e per il nostro sviluppo. • Produzione di combustibili, medicine, composti chimici usati quotidianamente. • Chimica = inquinamento. • In parte è vero ma… esiste anche una chimica pulita, la chimica verde.
Chimica verde • 12 principi. • Reazioni chimiche/ preparazione di composti secondo i principi dello sviluppo sostenibile. • Esempi: uso di solventi non tossici, processi con migliore efficienza energetica. • Prevenzione dei rifiuti, uso di fonti rinnovabili (al posto di fonti finite / non rinnovabili).
Prevenzione dei rifiuti • "Dare priorità alla prevenzione dei rifiuti, invece di ripulire / trattare successivamente i rifiuti generati". • Principio molto importante, che dovrebbe essere sempre usato. • 2 miliardi di tonnellate di rifiuti solo nella EU, circa 1/3 proviene dall’industria agro-alimentare. • Dobbiamo ridurre la quantità di rifiuti prodotti; è comunque impossibile eliminarli completamente. • Che possiamo fare con i rifiuti prodotti?
Diverse possibilità
• Depositare i rifiuti in discariche.
• Bruciare i rifiuti per produrre energia (termovalorizzatori).
• Alcuni paesi (i.e. Danimarca) sono all’avanguardia.
• Bisogna fare attenzione a cosa si brucia e alle condizioni (evitare la
formazione di composti tossici come le diossine).
• Valorizzazione dei rifiuti.
Estrazione e/o conversione in
composti ad elevato valore.
Riciclaggio vs. valorizzazione
• Riciclaggio: riuso dei rifiuti per produrre nuovi oggetti dello
stesso materiale.
• Es. riciclaggio di bottiglie di vetri e uso del vetro per la manifattura di
nuovi oggetti.
• Valorizzazione: nella maggior parte dei casi, i
rifiuti/sottoprodotti contengono composti con proprietà
interessanti – composti ad elevato valore aggiunto.
• Estrazione/conversione di/in questi composti.
• Applicazioni tecnologiche e possibile commercializzazione.
Industria ittica
• Testa
• Pelle, scaglie
• Viscere
Sotto-prodotti
• Sangue
e rifiuti
• Residui di carne
• Ossa
• Esocheletro dei crostacei
Al momento alcuni rifiuti sono usati per la produzione di mangimi
animali e/o prodotti per l’acquacultura (farine di pesce) (i.e. basso
valore di mercato)Composti ad elevato valore
TESTA: 13.9 -16.4 % proteine; 0.9 - 10.9 % acidi grassi trigliceridi.
VISCERE: 13 - 15.3 % proteine; 2 - 19.1% acidi grassi trigliceridi.
FEGATO: 50 – 80 % acidi grassi trigliceridi; ~ 23% acido eicosapentanoico, 22:5ω3.
PELLE/SCAGLIE: 50 – 80% collagene; 50% idrossiapatite (ceramico naturale).
OSSA: 60 - 70% idrossiapatite.
CARNE: 0.8 – 3% amminoacidi liberi.
SANGUE: 5 - 35 mg/ml proteine anti-gelo (pesci di acqua fredda)
ESOSCHELETRO CROSTACEI: 15 – 40 % chitina. 20 – 50% carbonato di calcio;
2.3 - 33% pigmenti (astaxantina).Alto valore commerciale
Le farine di pesce fatte dai sottoprodotti hanno un valore di mercato fra i 46 e 108
euro/tonnellata.
Acidi grassi ω-3, 24 - 10.000 EURO/kg
Chitosano, 750 EURO/kg
Il prezzo di mercato
dei composti ad Gelatina, 14 EURO/kg
elevato valore è molto
Idrossiapatite, 1.800 EURO/kg
più alto.
Astaxantina, 3000 – 12.000 EURO/kg
Amminoacidi, 200 - 6.000 EURO/kg
Gelatina: valore di
mercato 30 volte più alto Enzimi, 10.000 - 35.000 EURO/kg (protease)
della farina di pesce.
Proteine anti-gelo, 50.000 EURO/ kgValorizzazione dei sotto-prodotti del baccalà • Ricerca iniziata in Portogallo all’Università Cattolica di Porto. • Il baccalà è il piatto nazionale. • Grandi quantità di sotto-prodotti. • Potenziale per una valorizzazione.
Valorizzazione della pelle: gelatina
Pelle Ammollo Acidificazione
Filtrazione Estrazione
Lavaggio
Polvere di
gelatina
(Usi della gelatina
Usi
• Industria alimentare (agente stabilizzante e gelificante, consistenza
degli alimenti).
• Industria farmaceutica (capsule).
• Cosmetica.
Gelatina di pesce
• È kosher e halal.
• Non c’è il rischio di malattie dagli animali (i.e. BSE, “mucca pazza”).
• Odore?
Gelatina estratta dal baccalà: processo sviluppato in Portogallo, uso in
pasti pronti di baccalà con panna, per ridurre il contenuto calorico (ricerca fatta
in collaborazione con WeDoTech e Pascoal).Valorizzazione delle spine di baccalà • Grandi quantità di spine come sottoprodotto (fino a 3000 kg/giorno). • Composizione: proteine (i.e. collagene) and minerali. • Minerali: idrossiapatite HAp Ca10(PO4)6(OH)2 • Materiale biocompatibile. • HAp sintetica è usata per sostituti ossei e protesi. • Produzione di HAp da una fonte naturale e rinnovabile.
Estrazione della HAp • Trattamento termico ad alte temperature (600 – 1250 oC). • Eliminazione di tutta la materia organica, prodotto ad elevato grado di purezza.
Test di biocompatibilità • Test: crescita di cellule simili a quelle delle ossa (osteoblasti). • Confronto con HAp commerciale (controllo). • Biocompatibilità comprovata.
Modifica del materiale • Trattamento delle spine in soluzione prima del trattamento termico. • Introduzione di altri elementi. • Proprietà migliori o funzionalità aggiuntive. • Trattamento con soluzione di fluoro F. • F sostituisce parzialmente OH nella formula della HAp . • Ca10(PO4)6(OH)2 e Ca10(PO4)6F2. • Il materiale col fluoro è più adatto ad applicazioni dentarie (protesi dentarie, dentifrici).
Trattamento con argento Ag
• Ag sostituisce parzialmente Ca nella formula della Hap.
• Ca10-xAg2x(PO4)6(OH)2 .
• Materiale biocompatibile ma con proprietà antibatteriche.
10
2 (c) 10
2
Concentrazione Ag: 2.5 %.
1
(d)
10 Concentrazione campione:
Survival rate (%)
Survival rate (%)
0
10
0.1 e 0.25 mg/ml.
-1
10
-2
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1
10 -3
10
-4
10
0 2 4 6 8 0 2 4 6 8
Time (h) Time (h)
MRSA. E. coli.Trattamento con argento Ag
• Infezione: formazione di un biofilm di batteri sulla superficie della
protesi.
• Problema per i pazienti.
• Costi elevati per curare le infezioni.
2
10
2 (c) 10
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Concentrazione Ag: 2.5 %.
Survival rate (%)
Survival rate (%) 10
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Time (h) Time (h)
MRSA. E. coli.Trattamento con ferro Fe • Materiale misto: HAp, a-Fe2O3, Ca9FeH(PO4)7. • La polvere assorbe la luce UV – può essere usata come protettore solare.
Importanza di nuovi protettori solari
• Accumulo nell’ambiente dei protettori solari tradizionali.
• Possibili effetti negativi.
• Esempio: oxibenzone. • TiO2 e ZnO possono formare radicali
liberi.Protettore FeHAp derivato dalle spine di pesce
• Protezione in tutto l’intervallo UV – classificazione 5 stelle nel
sistema di rating di Boots.
• Incorporazione della polvere in una crema, che non ha provocato
irritazione alla pelle.
• L’efficacia (fattore SPF) deve essere migliorata. Brevetto depositato
ulteriori ricerche in corso.
R
H-15Applicazioni in diversi settori
• Esempio: industria edilizia.
• Materiali da costruzione secondari: materiali derivati dai residui di
altre industrie (i.e. industria agroalimentare).
• Uso di tali residui come additivi per cementi e/o malte.
• Sostenibilità dell’industria edilizia – Green Building Rating.
• Efficienza energetica, etc. ma anche origine/composizione dei
materiali.Materiali da costruzione con funzionalità aggiuntive • Materiali che possono ridurre l’inquinamento. • Es. l’edificio dell’Expo 2015 a Milano; cemento con biossido di TiO2. • La nostra ricerca: sostitutire TiO2 con HAp derivata dalle spine di pesce modificata con titanio. • Riduzione della concentrazione di ossidi di azoto (i.e. aria più pulita). • Ricerche ancora in corso...
Dalla polvere alle strutture 3D • La polvere di HAp è usata per preparare strutture 3D – scaffolds. • Inserimento degli scaffolds nelle ossa per riparare difetti e/o sostituire parti mancanti delle ossa (ossa rotte o malate). • Favoriscono la crescita cellulare e la riformazione dell’osso mancante.
Dalla polvere alle strutture 3D • Gli scaffolds hanno una struttura molto porosa. • Possono avere forme diverse, a seconda delle parti del corpo in cui sono usate. Ricerche in corso al CNR NANOTEC, con spine di salmone, in collaborazione con il CNR ISTEC (Faenza, Italia).
Valorizzazione completa delle spine • Spine: proteine (collagene) + minerali (HAp). • Di solito si riesce ad estrarre solo una componente, l’altra si degrada. • Estrazione della HAp con la temperatura degradazione del collagene. • Estrazione del collagene con acido dissoluzione della HAp. • Sviluppo di un nuovo processo per estrarre entrambe le componenti ed avere una valorizzazione completa.
Valorizzazione completa delle spine
• Trattamento con una soluzione non acida per estrarre le proteine.
• Trattamento termico successivo per estrarre l’HAp.
• Ricerche ancora in corso.
Soluzione contenente Separazione
le proteine proteine
Trattamento con
soluzione non acida
Spine
Residui solidi Estrazione
minerali HApImportanza della valorizzazione • Uso di fonti rinnovabili. • Produzione di HAp senza usare fosforo P. • P è usato in agricultura come fertilizzante. • Uso sempre maggiore (aumento della popolazione, consumo maggiore di alimenti). • Picco del fosforo.
Picco del fosforo • Non ci sarà abbastanza P per soddisfare la domanda. • Disaccordo su “QUANDO” questo succederà, non su “SE” succederà. • Effetti notevoli sulla produzione degli alimenti (no food!). • Obiettivo no. 2 dello sviluppo sostenibile: “zero hunger”. • È FONDAMENTALE riutilizzare tutto il fosforo disponibile, da qualsiasi fonte.
Conclusioni La valorizzazione dei rifiuti può essere uno strumento efficace per avere uno sviluppo sostenibile. Esempi nell’industria alimentare. La stessa impostazione può essere / è usata in altri settori. Effetti positivi sia per l’ambiente che per l’economia. Tante opportunità diverse, da prendere in considerazione.
Pubblicazioni
Ackowledgments Grazie dell’attenzione!
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