PHA, un materiale promettente che stenta a decollare

Il polimero PHBH a base biologica proposto da Kaneka ha ottenuto molte certificazioni da TÜV Austria Belgium, tra cui la OK biodegradable Soil

La grande famiglia dei poliidrossi-alcanoati (PHA e copolimeri PHB e PHV con butirrato e valerato) è presente in natura da oltre tre miliardi di anni grazie all’azione di diversi microrganismi, anche se ha cominciato a essere studiata solo a partire dalla fine del XIX secolo. L’interesse verso un utilizzo industriale risale invece agli anni Ottanta del secolo scorso, mentre per il primo impianto produttivo si è dovuto attendere fino al 1992 con Zeneca.

I limiti del PHA

I poliidrossi-alcanoati sono polimeri termoplastici biobased e biodegradabili, ritenuti tra i più versatili e promettenti nella nutrita schiera delle bioplastiche, anche se fino ad oggi le difficoltà di una produzione su scala industriale, mediante biofermentazione a batch, ne hanno limitato le potenzialità a livello commerciale.

Le principali sfide riguardano la selezione dei microrganismi più efficienti e la resa dei processi di estrazione e purificazione del polimero immagazzinato nei batteri “ingrassati” con biomasse all’interno di grandi fermentatori. Inoltre, è ancora poco indagata la relazione tra struttura polimerica e set prestazionale, poiché in passato ci si è concentrati più sul processo biologico che sulla scienza dei materiali.

Superati questi limiti, l’offerta di poliidrossi-alcanoati dovrebbe finalmente decollare. Secondo l’associazione European Bioplastics, dei 2,1 milioni di tonnellate di bioplastiche prodotte ogni anno a livello mondiale, solo l’1,7% è costituito da PHA e copolimeri, per un volume stimabile intorno a 35.000 tonnellate annue, anche se non sono disponibili dati sull’effettivo venduto.

La società di consulenza Markets and Markets stima un giro d’affari intorno ai 62 milioni di dollari nel 2020, che dovrebbe crescere a 121 milioni entro il 2025, con un tasso medio annuo del 14%. Mentre la produzione è concentrata oggi in Asia e negli Stati Uniti, il mercato più promettente sembra essere l’Europa, dove le normative sempre più stringenti su packaging monouso e shopper stanno spingendo la domanda di bioplastiche; strada che anche la Cina ha però intrapreso (con tutte le implicazioni del caso…).

Diverse famiglie e una decina di produttori

Contando i polimeri in produzione, e quelli sotto studio, sono una decina le famiglie di poliidrossi-alcanoati oggi disponibili. Le varie tipologie si differenziano per la lunghezza e la conformazione della catena polimerica, anche la durezza può essere modulata, così come alcune proprietà fisico-chimiche, che possono essere modificate agendo sui monomeri o miscelando diversi polimeri.

Potenzialmente si possono così ottenere gradi per stampaggio, estrusione, espansi, fibre o filamenti per la stampa 3D. Tra i principali produttori si possono citare Danimer Scientific, Mango Materials e Newlight Technologies negli Stati Uniti, TerraVerdae Bioworks in Canada, Kaneka in Giappone, Shenzhen Ecomann Biotechnology e Tianan Biologic Materials in Cina, CheilJedang in Corea del Sud e Biomer in Germania.

In Borsa per crescere

In questo momento, la società più attiva sembra essere la statunitense Danimer Scientific, che si è quotata alla Borsa di New York all’inizio dell’anno con l’obiettivo di reperire risorse per aumentare gradualmente le capacità produttive di poliidrossi-alcanoati, commercializzati con il marchio Nodax, fino ad arrivare a 10.000 tonnellate annue (t/a) nel 2022 e a 100.000 t/a entro il 2025.

Il primo passo è stato lo sbottigliamento dell’impianto di Winchester, nello stato del Kentucky, la cui capacità è stata portata a 9.000 t/a. Nuovi impianti sono in programma anche presso la sede di Bainbridge, nello Stato della Georgia, dove tre nuovi fermentatori potrebbero entrare in funzione a metà del 2023 e altrettanti all’inizio del 2024.

La società sta procedendo anche attraverso acquisizioni, come quella completata in agosto della connazionale Novomer, attiva nella ricerca e sviluppo di nuovi materiali, quali biopolimeri, lattoni funzionalizzati e intermedi. Un investimento superiore a 150 milioni dollari, che ha portato in dote a Danimer un centro di ricerca con impianto pilota a Rochester, nello stato di New York, dove lavorano una ventina di ricercatori, oltre a 240 tra brevetti e innovazioni in attesa di brevetto nell’ambito delle tecnologie per la sintesi di PHA.

Biopolimeri a costi competitivi

L’impianto pilota, in particolare, opera con un sistema di catalisi, Novo22, che consente di ottenere biopolimeri a costi ritenuti competitivi. programma utilizzato per sintetizzare un particolare tipo di poliidrossi-alcanoato, un omopolimero del beta-propriolattone – poli(3-idrossipropionato) o p(3HP) ad alto peso molecolare –, con una struttura simile a quella di due poliesteri alifatici, il PHB e il policaprolattone.

Danimer Scientific ritiene che il p(3HP) di Novomer possa essere incorporato come componente in alcune resine Nodax, migliorando le proprietà barriera, e impiegato come input non fermentato a basso costo, riducendo il fabbisogno di fermentazione. Danimer potrebbe in questo modo ridurre il numero di nuovi fermentatori già pianificati nella bioraffineria di Bainbridge, inizialmente tre e poi altri tre, espandendo invece la capacità produttiva di Novomer, in modo tale da ridurre le spese in conto capitale per unità di prodotto e incrementando al contempo le capacità produttive complessive.

Un altro filone di ricerca volto a ridurre i costi di produzione contempla una partnership con Chevron Phillips Chemical (CPChem): l’obiettivo è impiegare la tecnologia di processo con reattore “loop slurry” nella sintesi di poliidrossi-alcanoati, partendo da lattoni, sfruttando a questo scopo la tecnologia di catalisi Novo22.

Il processo di polimerizzazione loop slurry viene utilizzato da oltre sessant’anni per la produzione di polietilene; applicato alla sintesi di PHA potrebbe ridurre i costi e agevolare la produzione su larga scala, due aspetti critici per lo sviluppo anche commerciale di questa famiglia di materiali.

Danimer Scientific valuterà l’applicazione del processo CPChem in un reattore per la produzione in continuo di PHA: «In caso di successo potremo migliorare l’operatività dei futuri impianti di produzione, incrementando i volumi e riducendo i costi complessivi rispetto al reattore di polimerizzazione attualmente utilizzato nella produzione dei polimeri Rinnovo» spiega l’azienda statunitense.

Alcune possibili applicazioni dei PHBH Kaneka

Prime applicazioni

In attesa di consolidare l’offerta si cerca di creare la domanda. Il produttore giapponese Kaneka, ad esempio, vuole sfruttare la biodegradabilità in ambiente marino del suo biopolimero PHBH commercializzato con il marchio Green PlanetTM. Utilizzando un espanso, sta studiando l’applicazione nella produzione di contenitori ittici e attrezzature per la pesca (come i galleggianti), per loro natura e funzione suscettibili di dispersione accidentale in mare.

La biodegradabilità in ambiente marino (90% in sei mesi a 30 °C) è stata certificata OK Biodegradable Marine già nel 2017. Altre applicazioni allo studio riguardano perle espanse per imballaggi protettivi, inserti, spigoli e spessori antiurto per il trasporto di elettrodomestici e mobili, oggi dominio del polistirene.

Sono già sul mercato cannucce in Green Planet e, da qualche mese, anche posate prodotte con lo stesso materiale. A proporle è la giapponese FamilyMart: si tratta di una linea di cucchiaini biodegradabili e compostabili forniti insieme a piatti pronti per il consumo fuori casa, come ciotole di riso o zuppa.

La catena Jalux, che gestisce alcuni negozi nei principali aeroporti giapponesi, utilizza da luglio sacchetti per la spesa prodotti con il biopolimero di Kaneka. Un’interessante applicazione è allo studio di Kemira e Danimer Scientific: si tratta di utilizzare il PHA per sostituire il sottile strato barriera in polietilene che riveste internamente bicchieri, tazze e altri contenitori in carta e cartoncino.

C’è chi esce dal business

Nella storia recente del PHA due produttori hanno dato forfait, pur con motivazioni molto diverse tra loro. Il primo e più famoso è Metabolix, non valutando più redditizie le attività, dopo aver avviato nel 2008 un impianto da 50.000 tonnellate annue, ampiamente sottoutilizzato (fermato nel 2012), nel 2014 ha ceduto parte delle attività al compounder tedesco Akro-Plastic (poi integrate nella divisione Bio-Fed), mentre brevetti sul processo, ceppi microbici utilizzati per la fermentazione di biomasse e alcune attrezzature di laboratorio sono passate nel 2016 al gruppo coreano CJ CheilJedang.

La seconda vittima, in questo caso non per sua volontà, è l’italiana Bio-on, incappata in una vicenda finanziaria dai contorni ancora poco chiari, che ha portato a dieci rinvii a giudizio per i vertici dell’azienda. Lo stabilimento per la produzione di PHA di Castel San Pietro Terme, in provincia di Bologna, inaugurato nel 2018 e mai avviato su scala industriale per intervenuto fallimento un anno più tardi, è stato messo all’asta insieme a laboratori e magazzini, portafoglio brevetti, partecipazioni azionarie e beni mobili.