Bacterial cellulose comes out of the woodwork / La cellulosa batterica fuoriesce dalla lavorazione del legno
Bacterial cellulose comes out of the woodwork / La cellulosa batterica fuoriesce dalla lavorazione del legno
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Polymer scientists in Japan are harnessing the power of botany and bacteria to produce bioplastics that don’t harm the environment.
Plant-based plastics have become increasingly popular in recent years with growing concerns over plastic pollution. But plant-based ‘bioplastics’ are not new. The first man-made plastic was made in 1862 using cellulose, the main component of plant cell walls, pre-dating the petroleum-based plastics that litter our planet today. Now, scientists are looking back to the birth of plastics and seeking inspiration from nature to find novel raw materials that are environmentally neutral.
The incredible versatility of plastic has made it one of the most widely used materials in the world. However, its strength is also its greatest weakness. Typical petroleum-based plastics, such as the ubiquitous PET (poly(ethylene terephthalate)), can take centuries to decompose.
For Toshifumi Satoh and his team at Hokkaido University’s Polymer Chemistry Lab, tackling plastic pollution by finding all natural, biodegradable alternatives is a priority. And their work goes beyond biodegradable cups and cutlery. “There are so many different types of plastic being produced today,” says Satoh. “Our goal is to find a suitable replacement for every single one.”
Researchers across Hokkaido University have been united by this mission. Takuya Isono, who joined Satoh’s lab in 2014, is an expert in synthetic polymer chemistry. Together they have been finding ways to turn sugar into carbohydrate-based components for bioplastics. Meanwhile, Kenji Tajima, at Hokkaido University’s Biomolecular Chemistry Lab, has been manipulating microbes to produce cellulose nanofibres. These ultrafine threads can be weaved into strong and lightweight materials with many potential uses, from food additives and resin reinforcement materials, to drug carriers.
The challenge is finding eco-friendly ways to bind these natural nanofibres, which is where Satoh and Isono’s work with carbohydrates comes in. “Our projects share a sustainable objective: to reduce the use of petroleum-based plastics,” says Isono, “and now we are combining forces.”
A sweet solution
For the past 10 years, Satoh has been transforming simple sugars into strong and stretchy carbohydrate-based polymers that could replace conventional plastics. This involves extracting starch from plants such as corn and potatoes and breaking it down into simple sugar compounds. These could be anything from glucose molecules to chains of two to ten simple sugars called oligosaccharides.
The next step involves combining these compounds into new plastic-like products such as copolymers, which combine soft segments to provide elasticity with hard segments for strength and rigidity.
In 2020, Satoh’s team produced fully bio-based ‘block’ copolymers — so-called because the molecules are all aligned. They did this by combining chains of various lengths of glucose (malto-oligosaccharides) with polydecanolactone, a soft polyester that can be synthesized from a natural product of the fragrant Cryptocarya massoy tree.
The resulting material was just as bendy as common petroleum-based rubbers and could be stretched to seven times its length before breaking. The team also successfully created a carbohydrate-based compatibilizer — a material that helps bind two substances that would otherwise not mix — thereby combining the strengths of the two substances, and presenting an opportunity to make Tajima’s work with cellulose more eco-friendly.
Bacterial building blocks
Cellulose nanofibres are widely available, strong and recyclable. In general, cellulose nanofibres made from tree pulp are several micrometres-long or less, and therefore have particular uses.
For the past 30 years, Tajima has been harnessing fermentation, during which some bacteria metabolize sugar to produce cellulose nanofibres that are much longer and more useful.
“It’s very easy to find cellulose-producing bacteria,” he explains. “Cellulose is insoluble, so we can see it floating on the surface of fermented liquids. Bacteria produce cellulose as a network of very narrow fibres, about a thousandth of the width of fibre from plant pulp, making it simultaneously strong and malleable,” he adds.
Experimenting with different fermentation methods, Tajima’s team has produced malleable cellulose nanofiberes, known as bacterial cellulose nanofibres, from Gluconacetobacter that are 30 times longer than those extracted from plant pulp, and considerably stronger. “In stress-strain experiments, the mechanical strength of our nanofibres matched that of metals such as gold and silver,” says Tajima.
The downside is that productivity is very low, so for the last 10 years Tajima’s lab has been working with Kusano Sakko — a construction company based in Hokkaido — on a technique to produce bacterial cellulose on an industrial scale.
Last year, Kusano Sakko opened a commercial scale bacterial nanocellulose factory in Ebetsu, Hokkaido, applying Tajima’s innovative fermentation method to mass produce cellulose nanofibres, called Fibnano. By culturing bacteria with molasses (a high-sucrose by-product of sugar refining) and nitrogen sources, they cultivate nanofibres within three days.
“Sugar beet is one of the most important crops in Hokkaido, but its production volume is decreasing,” says Tokuo Matsushima from Kusano Sakko. “This new tech could also help protect an agricultural system that has lasted for 150 years.”
Time for change
Another issue is figuring out how to synthesize many different types of plastic without using fossil fuels. Last year, Tajima’s team, working with Satoh and Isono, found that reinforcing biodegradable resin with bacterial cellulose nanofibres creates a stiffer, stronger plastic.
Kusano Sakko then developed a cellulose acetate resin reinforced with the nanofibres in collaboration with Kenji Takahashi at Kanazawa University. They will start pilot-scale production in 2023. The team expect to commercialize their bioplastics within 10 years.
“We’ll replace everything made from plastic with bioplastic, from computer hardware to homewares and clothing,” says Satoh. Matsushima adds: “We also aim to develop many other plant-based products, from foods to vegetable leather.” Kusano Sakko’s trademarked bacterial cellulose, Fibnano, is already used in medicines, cosmetics, foods and more.
A big concern is then what happens to these bioplastics when they are discarded. “Our aim is to create materials that break down naturally and return to the environment as water and carbon dioxide,” says Isono.
The team are already collaborating with Yutaka Takeuchi at Kanazawa University, which has developed a rapid technique for assessing biodegradability in freshwater that reduces the time needed to test bioplastics from six months to six weeks. A secondary objective for Satoh’s team is to change people’s behaviours so that they choose bioplastics, despite it being more expensive. “We need to convince people to make the right choice, not the cheap one,” he says.
It seems these bioplastics represent a cost-effective and eco-friendly alternatives to fossil fuel-derived plastics. “But we must continue striving for the easiest, most energy efficient way to transform carbohydrates and cellulose into a wide range of materials,” he concludes.
ITALIANO
Scienziati di polimeri in Giappone stanno sfruttando il potere della botanica e dei batteri per produrre bioplastiche che non danneggino l'ambiente.
Le materie plastiche di origine vegetale sono diventate sempre più popolari negli ultimi anni con crescenti preoccupazioni per l'inquinamento da plastica. Ma le "bioplastiche" di origine vegetale non sono nuove. La prima plastica artificiale è stata realizzata nel 1862 utilizzando la cellulosa, il componente principale delle pareti cellulari delle piante, precedente alla plastica a base di petrolio che oggi ricopre il nostro pianeta. Ora, gli scienziati stanno ripensando alla nascita della plastica e cercano ispirazione dalla natura per trovare nuove materie prime rispettose dell'ambiente.
L'incredibile versatilità della plastica l'ha resa uno dei materiali più utilizzati al mondo. Tuttavia, la sua forza è anche la sua più grande debolezza. Le tipiche plastiche a base di petrolio, come l'onnipresente PET (poli(etilene tereftalato)), possono impiegare secoli per decomporsi.
Per Toshifumi Satoh ed il suo gruppo del Polymer Chemistry Lab dell'Università di Hokkaido, affrontare l'inquinamento da plastica trovando tutte le alternative naturali e biodegradabili è una priorità. Ed il loro lavoro va oltre le tazze e le posate biodegradabili. "Ci sono così tanti diversi tipi di plastica prodotti oggi", afferma Satoh. "Il nostro obiettivo è trovare un sostituto adatto per ognuno di essi."
I ricercatori dell'Università di Hokkaido sono stati uniti da questa missione. Takuya Isono, che è entrato a far parte del laboratorio di Satoh nel 2014, è un esperto di chimica dei polimeri sintetici. Insieme hanno trovato modi per trasformare lo zucchero in componenti a base di carboidrati per le bioplastiche. Nel frattempo, Kenji Tajima, del laboratorio di chimica biomolecolare dell'Università di Hokkaido, ha manipolato i microbi per produrre nanofibre di cellulosa. Questi fili ultrasottili possono essere intrecciati in materiali resistenti e leggeri con molti usi potenziali, dagli additivi alimentari e materiali di rinforzo in resina, ai trasportatori di medicinali.
La sfida è trovare modi ecologici per legare queste nanofibre naturali, ed è qui che entra in gioco il lavoro di Satoh e Isono con i carboidrati. "I nostri progetti condividono un obiettivo sostenibile: ridurre l'uso di plastica a base di petrolio", afferma Isono, "e ora stiamo unendo le forze”.
Una dolce soluzione
Negli ultimi 10 anni, Satoh ha trasformato zuccheri semplici in polimeri resistenti ed elastici a base di carboidrati che potrebbero sostituire la plastica convenzionale. Ciò comporta l'estrazione dell'amido da piante come mais e patate e la sua scomposizione in semplici composti zuccherini. Questi potrebbero essere qualsiasi cosa, dalle molecole di glucosio alle catene da due a dieci zuccheri semplici chiamati oligosaccaridi.
Il passaggio successivo prevede la combinazione di questi composti in nuovi prodotti simili alla plastica come i copolimeri, che combinano segmenti morbidi per fornire elasticità con segmenti duri per resistenza e rigidità.
Nel 2020, il gruppo di Satoh ha prodotto copolimeri "a blocchi" completamente a base biologica, così chiamati perché le molecole sono tutte allineate. Lo hanno fatto combinando catene di varie lunghezze di glucosio (malto-oligosaccaridi) con polidecanolattone, un morbido poliestere che può essere sintetizzato da un prodotto naturale del profumato albero di Cryptocarya massoy .
Il materiale risultante era flessibile quanto le comuni gomme a base di petrolio e poteva essere allungato fino a sette volte la sua lunghezza prima di rompersi. Il gruppo ha anche creato con successo un compatibilizzante a base di carboidrati, un materiale che aiuta a legare due sostanze che altrimenti non si mescolerebbero, combinando così i punti di forza delle due sostanze ed offrendo l'opportunità di rendere il lavoro di Tajima con la cellulosa più ecologico.
Blocchi batterici
Le nanofibre di cellulosa sono ampiamente disponibili, resistenti e riciclabili. In generale, le nanofibre di cellulosa ricavate dalla polpa degli alberi sono lunghe diversi micrometri o meno e quindi hanno usi particolari.
Negli ultimi 30 anni, Tajima ha sfruttato la fermentazione, durante la quale alcuni batteri metabolizzano lo zucchero per produrre nanofibre di cellulosa molto più lunghe e più utili.
"È molto facile trovare batteri produttori di cellulosa", spiega. “La cellulosa è insolubile, quindi possiamo vederla galleggiare sulla superficie dei liquidi fermentati. I batteri producono la cellulosa come una rete di fibre molto strette, circa un millesimo della larghezza della fibra dalla polpa delle piante, rendendola allo stesso tempo forte e malleabile», aggiunge.
Sperimentando diversi metodi di fermentazione, il gruppo di Tajima ha prodotto nanofibre di cellulosa malleabile, note come nanofibre di cellulosa batterica, dal Gluconacetobacter che sono 30 volte più lunghe di quelle estratte dalla polpa delle piante e considerevolmente più resistenti. "Negli esperimenti di stress-deformazione, la forza meccanica delle nostre nanofibre corrispondeva a quella di metalli come oro e argento", afferma Tajima.
Lo svantaggio è che la produttività è molto bassa, quindi negli ultimi 10 anni il laboratorio di Tajima ha lavorato con Kusano Sakko, una società di costruzioni con sede a Hokkaido, su una tecnica per produrre cellulosa batterica su scala industriale.
L'anno scorso, Kusano Sakko ha aperto una fabbrica di nanocellulosa batterica su scala commerciale a Ebetsu, Hokkaido, applicando l'innovativo metodo di fermentazione di Tajima per produrre in serie nanofibre di cellulosa, chiamate Fibnano. Coltivando batteri con melassa (un sottoprodotto ad alto contenuto di saccarosio della raffinazione dello zucchero) e fonti di azoto, coltivano nanofibre in tre giorni.
"La barbabietola da zucchero è una delle colture più importanti di Hokkaido, ma il suo volume di produzione sta diminuendo", afferma Tokuo Matsushima di Kusano Sakko. "Questa nuova tecnologia potrebbe anche aiutare a proteggere un sistema agricolo che dura da 150 anni".
Tempo di cambiare
Un altro problema è capire come sintetizzare molti diversi tipi di plastica senza utilizzare combustibili fossili. L'anno scorso, il gruppo di Tajima, lavorando con Satoh e Isono, ha scoperto che il rinforzo della resina biodegradabile con nanofibre di cellulosa batterica crea una plastica più rigida e resistente.
Kusano Sakko ha quindi sviluppato una resina di acetato di cellulosa rinforzata con le nanofibre in collaborazione con Kenji Takahashi dell'Università di Kanazawa. Inizieranno la produzione su scala pilota nel 2023. Il gruppo prevede di commercializzare le proprie bioplastiche entro 10 anni.
"Sostituiremo tutto ciò che è fatto di plastica con bioplastica, dall'hardware del computer agli articoli per la casa e all'abbigliamento", afferma Satoh. Matsushima aggiunge: "Miriamo anche a sviluppare molti altri prodotti a base vegetale, dagli alimenti alla pelle vegetale". La cellulosa batterica di Kusano Sakko, Fibnano, è già utilizzata in medicinali, cosmetici, alimenti e altro ancora.
Una grande preoccupazione è quindi cosa succede a queste bioplastiche quando vengono scartate. "Il nostro obiettivo è creare materiali che si decompongano naturalmente e ritornino nell'ambiente sotto forma di acqua e anidride carbonica", afferma Isono.
Il gruppo sta già collaborando con Yutaka Takeuchi dell'Università di Kanazawa, che ha sviluppato una tecnica rapida per valutare la biodegradabilità in acqua dolce che riduce il tempo necessario per testare le bioplastiche da sei mesi a sei settimane. Un obiettivo secondario per il gruppo di Satoh è cambiare i comportamenti delle persone in modo che scelgano la bioplastica, nonostante sia più costosa. "Dobbiamo convincere le persone a fare la scelta giusta, non quella economica", afferma.
Sembra che queste bioplastiche rappresentino un'alternativa economica ed ecologica alle plastiche derivate da combustibili fossili. "Ma dobbiamo continuare a cercare il modo più semplice ed efficiente dal punto di vista energetico per trasformare i carboidrati e la cellulosa in un'ampia gamma di materiali", conclude.
Da:
https://www.nature.com/articles/d42473-023-00017-8?utm_source=facebook&utm_medium=social&utm_campaign=APSR_FOCAL_ENGM_GL_PCFU_CFULF_HKD-BioP&fbclid=IwAR14XYBQSV5Bw4mOK23oMA6tHz6dda091pA9qssxM0hSy7DdMrN1WYB_NiE
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