Produzione di bioplastica dalle acque reflue

Gli impianti di trattamento delle acque reflue non si limitano a trattarle. In futuro potranno anche riutilizzare le risorse. I ricercatori dell’Eawag stanno lavorando all’utilizzo di batteri per convertire il carbonio organico delle acque reflue in bioplastiche.

Il trattamento delle acque reflue per proteggere la salute umana e i corsi d’acqua rimane il compito principale degli impianti di trattamento delle acque reflue. Inoltre, il recupero delle risorse sta diventando sempre più importante nel contesto di un’economia circolare. Le acque reflue contengono molto carbonio organico, che spesso viene trasformato in metano per produrre energia. Antoine Brison e Nicolas Derlon del Dipartimento Tecnologie di Processo di Eawag hanno studiato le possibilità e i modi per convertire il carbonio organico in una preziosa bioplastica. Stanno lavorando con batteri in grado di immagazzinare carbonio organico sotto forma di poliidrossialcanoati (PHA). Questi biopolimeri servono come fonte di energia e di carbonio per i batteri. Possono essere estratti dalle cellule batteriche e trasformati in plastica biodegradabile.

Se fosse possibile recuperare la bioplastica dalle acque reflue, si avrebbero diversi vantaggi rispetto all’attuale metodo di produzione. Attualmente i PHA sono prodotti in condizioni sterili a partire da materie prime primarie come zucchero o oli vegetali. I costi di produzione sono molto elevati, motivo per cui la bioplastica PHA non è in grado di competere con le plastiche a base di petrolio, nonostante le sue interessanti proprietà, e rimane quindi un prodotto di nicchia. L’uso di carbonio organico liberamente disponibile dalle acque reflue e di colture microbiche miste che non richiedono condizioni sterili ad alta intensità energetica è quindi un approccio promettente.

Per produrre queste bioplastiche dalle acque reflue sono necessarie tre fasi: innanzitutto, è necessario recuperare la maggior quantità possibile di carbonio organico. Questo carbonio deve poi essere fermentato in acidi grassi volatili, i precursori dei PHA. In questo substrato ricco di acidi grassi, i ricercatori possono poi coltivare in modo mirato i batteri che immagazzinano PHA.

Micro-sieves compatte per separare il carbonio

Per separare il carbonio organico dalle acque reflue, i ricercatori hanno confrontato due metodi diversi: da un lato, i decantatori primari presenti nella maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue e, dall’altro, i micro-sieves, una tecnologia di separazione alternativa. I risultati mostrano che entrambi i metodi sono ugualmente efficaci nel separare il carbonio organico dalle acque reflue. L’efficienza è stata particolarmente elevata quando alle acque reflue è stato aggiunto un flocculante, in modo che le piccole particelle si agglomerassero in particelle più grandi e fossero meglio separate. In questo modo è stato possibile recuperare il 60% del carbonio organico presente nelle acque reflue.

La fermentazione del carbone ottenuto da entrambe le tecnologie di separazione ha prodotto substrati con composizione e quantità di acidi grassi simili, e quindi ugualmente adatti alla produzione di plastiche PHA. Tuttavia, le micro-sieve hanno il grande vantaggio di essere significativamente più piccole: richiedono solo il 10-15% dello spazio dei decantatori primari. Questo ha convinto alcuni impianti di trattamento delle acque reflue svizzeri, come quello di Sihltal (Zurigo), che inizierà a utilizzare le micro-sieves nel 2023.

I batteri che immagazzinano PHA traggono vantaggio da ambienti poveri di nutrienti

Per la produzione di plastiche PHA, è necessario coltivare una biomassa contenente numerosi batteri che immagazzinano PHA sul substrato di partenza ricco di acidi grassi. I ricercatori hanno quindi studiato le condizioni in cui questi batteri crescono meglio e possono competere con altri batteri che non immagazzinano PHA. Poiché gli HAP sono sostanze di stoccaggio che i batteri producono solo in condizioni di crescita difficili, ad esempio quando manca un nutriente importante come il fosforo, si potrebbe ipotizzare che la mancanza di nutrienti rappresenti un vantaggio selettivo per i batteri che immagazzinano HAP. Nel centro di prova Eawag, i ricercatori hanno quindi sperimentato acque reflue sintetiche con diversi rapporti carbonio-fosforo. L’équipe ha scoperto che la quota di batteri accumulatori di HAP nella comunità microbica aumentava al diminuire della disponibilità di fosforo. Nel caso migliore, i batteri che immagazzinano HAP dominavano per oltre il 90%, producevano contemporaneamente la maggior quantità di plastica HAP e rimuovevano completamente il carbonio e il fosforo dalle acque reflue.

Gli esperimenti sono stati poi condotti con acque reflue reali, la cui composizione variava nel corso dei 150 giorni di sperimentazione. Sebbene i nutrienti fosforo e azoto non fossero costantemente limitanti, alla fine della sperimentazione il 70% della biomassa era sotto forma di HAP.

Possibili usi della bioplastica dalle acque reflue

Saranno necessari ulteriori esperimenti per comprendere e ottimizzare i processi di produzione di bioplastica dalle acque reflue prima di poter condurre prove pilota negli impianti di trattamento delle acque reflue pubbliche.

Ma dove vedono il potenziale di utilizzo i ricercatori, se mai sarà possibile produrre bioplastiche dalle acque reflue? "Anche se queste plastiche fossero un giorno economicamente redditizie, sarebbe impossibile produrle in quantità sufficienti a coprire la domanda della società di equivalenti a base di petrolio", spiega Antoine Brison. Inoltre, uno dei principali ostacoli all’uso di bioplastiche da acque reflue è la mancanza di un quadro giuridico e di accettazione da parte della società. Per questa bioplastica, Brison vede un potenziale in applicazioni specifiche di nicchia, ad esempio come rivestimento per i fertilizzanti, al fine di ottenere un rilascio lento. Un’altra possibilità è il cemento auto-riparante, su cui sta lavorando un’azienda olandese. I PHA potrebbero servire come fonte di carbonio per i batteri, che riparano le crepe nel calcestruzzo quando l’acqua si infiltra stimolando la formazione di calcare.

Brison, A.; Rossi, P.; Gelb, A.; Derlon, N. (2022) La tecnologia di cattura conta: la composizione dei solidi delle acque reflue municipali determina la complessità della struttura della comunità microbica e del profilo degli acidi grassi volatili durante la fermentazione anaerobica, Science of the Total Environment, 815, 152762 (13 pp.), doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.152762 , Repository Istituzionale

Brison, A.; Rossi, P.; Derlon, N. (2022) Influent carbon to phosphorus ratio drives the selection of PHA-storing organisms in a single CSTR, Water Research X, 16, 100150 (11 pp.), doi: 10.1016/j.wroa.2022.100150 , Repository Istituzionale