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Depolimerizzazione enzimatica e derivatizzazione della cellulosa in liquidi ionici

Il progetto di tesi concerne lo studio dell’utilizzo di solventi non convenzionali, i liquidi ionici, nella depolimerizzazione enzimatica e nella carbossimetilazione della cellulosa. I liquidi ionici si definiscono come sali organici aventi un punto di fusione inferiore ai 100 °C. Per le loro interessanti proprietà, come la pressione di vapore pressoché nulla, la non infiammabilità e, in taluni casi, la tossicità estremamente contenuta, si ritiene che in futuro i liquidi ionici possano essere utilizzati come solventi industriali per una chimica sostenibile, avendo anche la proprietà di saper dissolvere polisaccaridi complessi, quali appunto la cellulosa.
La cellulosa rappresenta una risorsa rinnovabile estremamente interessante, che può essere sfruttata sia per la produzione di zuccheri fermentescibili destinati alla filiera dei biocarburanti, che per la sintesi di prodotti chimici. Tuttavia, la maggior problematica che ne ostacola uno sfruttamento intensivo è rappresentata dalla sua scarsa reattività da un punto di vista chimico.
La prima parte del lavoro è stata focalizzata sullo studio della stabilità e dell’attività di quattro preparazioni enzimatiche commerciali (IndiAge® Super GX Plus, IndiAge® Excel, Primafast® 200, Novoprime® A328) in tre liquidi ionici da noi selezionati e, successivamente, sul loro possibile diretto utilizzo come solventi nelle reazioni di depolimerizzazione enzimatica della cellulosa. I liquidi ionici utilizzati nell’ambito del progetto sono l’1-butil-3-metilimidazolio cloruro ([BMIm][Cl]), l’1-etil-3-metilimidazolio acetato ([EMIm][Ac]) e l’1-etil-3-metilimidazolio dietilfosfato ([EMIm][DEP]).
Le prove svolte hanno messo in luce come l’IndiAge® Super GX Plus ed il Primafast® 200 rimangono attive e sono in grado di idrolizzare la cellulosa nei tre liquidi ionici a disposizione. Per quanto i livelli più alti di depolimerizzazione del substrato si ottengano, tuttavia, in tampone, il fatto che due preparati enzimatici siano attivi sulla cellulosa in un mezzo di reazione inusuale come un liquido ionico rappresenta un risultato di assoluto rilievo.
La seconda parte del progetto, ha voluto studiare la possibilità di carbossimetilare la cellulosa depolimerizzata, eseguendo il processo senza isolare il composto intermedio, come avviene, invece, nella sintesi industriale classica della carbossimetil cellulosa, che prevede una tecnologia multistep. La CMC gode di un mercato estremamente vasto e di numerose applicazioni nel settore alimentare, farmaceutico, tessile, della carta, della petrolchimica e delle vernici.
Le prove effettuate hanno evidenziato l’effettiva possibilità di ottenere CMC mediante questo approccio.
L’individuazione di due preparati enzimatici che mantengono l’attività nei liquidi ionici d’interesse e la dimostrata possibilità di idrolizzare e di carbossimetilare la cellulosa in un processo single-batch, rappresentano dei risultati estremamente incoraggianti, preludio allo sviluppo di una metodologia alternativa volta nella sintesi one-pot di derivati cellulosici di sicuro interesse commerciale.

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- 5 - 1. INTRODUZIONE La cellulosa rappresenta una risorsa rinnovabile di primario interesse in un contesto di sviluppo sostenibile. Può essere sfruttata sia per la produzione di zuccheri fermentescibili destinati alla filiera dei biocarburanti, che per la sintesi di prodotti chimici con molteplici applicazioni e usi (Binder et al. 2010). In accordo con i protocolli di Kyoto, infatti, le emissioni totali di anidride carbonica, nei paesi industrializzati, avrebbero dovuto far registrare un decremento pari al 5% entro il 31 dicembre 2010, rispetto ai corrispettivi valori registrati nel 1990. Ampliando la prospettiva, al fine di stabilizzare i livelli di CO 2 nell’atmosfera, sarà necessaria una riduzione addirittura superiore al 50%. La strategia che le nazioni dovranno mettere in atto consisterà nella graduale sostituzione dello sfruttamento di combustibili fossili e di prodotti derivati dal petrolio con carburanti alternativi e prodotti derivati, per l’appunto, dalla biomassa (Kabel et al. 2006). L’ostacolo più significativo che attualmente si frappone ad un massiccio sfruttamento della cellulosa, il maggior componente della biomassa, è rappresentato dalla sua scarsa reattività, oltre che dalla sua refrattarietà a qualsiasi tipo di trattamento chimico. Ciò è dovuto alla notevole cristallinità delle fibre di cellulosa, oltre che al significativo grado di polimerizzazione (DP) che ne impedisce la solubilizzazione. I processi chimici tradizionali basati sulla dissoluzione della cellulosa prevedono, difatti, condizioni estremamente poco sostenibili per l’ambiente, come, per esempio, l’utilizzo di ingenti quantitativi di soda e altri prodotti chimici, oltre ad importanti costi energetici. Un numero sempre crescente di gruppi di ricerca si sta concentrando sullo studio di una categoria innovativa di solventi che promettono di condurre ad un utilizzo semplificato e, conseguentemente, maggiormente diffuso della cellulosa: i liquidi ionici; si tratta di sali organici aventi una temperatura di fusione inferiori a 100 °C. Si ipotizza che in un futuro non troppo lontano i liquidi ionici possano essere utilizzati come solventi industriali per una chimica sostenibile. I motivi di tale convinzione sono da ricercare nelle proprietà di questo tipo di solventi, come la pressione di vapore pressoché nulla, la non infiammabilità e, in alcuni casi, la tossicità estremamente contenuta. Sebbene tali tratti, di per sé, non siano sufficienti per definire un processo green, rappresentano certamente degli ottimi punti di partenza per lo sviluppo di trasformazioni e sintesi chimiche maggiormente rispettose nei confronti dell’ambiente; problematica, quest’ultima, di estremo interesse per la chimica moderna.

Laurea liv.II (specialistica)

Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Autore: Stefano Tamborini Contatta »

Composta da 112 pagine.

 

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