Cinzia Pezzella, Simona Varriale
L’evoluzione sostenibile della concia italiana si sta sempre più fondando sulla capacità di integrare tecnologie provenienti da settori apparentemente distanti: chimica verde, biotecnologie industriali, scienza dei materiali, ingegneria dei processi. In quest’ottica, la bioraffineria diventa un modello chiave per trasformare biomasse rinnovabili e scarti agroalimentari in materiali e additivi innovativi destinati alla filiera conciaria, contribuendo alla transizione verso un Made in Italy circolare e ad alto contenuto tecnologico.
Il nostro gruppo di ricerca ha sviluppato un modello di bioraffineria integrata applicato agli scarti dell’industria del caffè (spent coffee grounds, SCGs). L’approccio adottato è di tipo cascade disassembling: un frazionamento sequenziale e selettivo in cui ogni componente della biomassa viene recuperato e valorizzato attraverso processi mirati. Questo metodo, fondato sui principi della chimica verde, permette di ottenere quattro frazioni principali — lipidica, fenolica, ligninica e polisaccaridica — con rese elevate e minimizzazione degli scarti (1).
Il pretrattamento degli SCGs è stato progettato combinando l’impiego di solventi green, tecniche estrattive a basso impatto ambientale e sistemi innovativi come i Deep Eutectic Solvents (NADES). I NADES, costituiti da miscele di ani composti biobased e biodegradabili di accettori e donatori di legami a idrogeno, rappresentano un’alternativa sostenibile ai solventi organici tradizionali grazie alla loro facile preparazione, non volatilità e riciclabilità. Inoltre, consentono la solubilizzazione selettiva della lignina preservando cellulosa ed emicellulosa attraverso un’accurata modulazione della composizione e del rapporto tra i componenti. Questa elevata selettività e modulabilità è fondamentale in una bioraffineria a cascata, perché permette di indirizzare ogni frazione verso processi successivi massimizzandone la resa, aumentando l’efficienza complessiva e riducendo la competizione tra percorsi di valorizzazione. Parallelamente, la componente polisaccaridica è stata sottoposta a idrolisi enzimatica. A questo scopo è stata messa a punto una miscela di enzimi ottimizzata mediante Design of Experiments, con l’obiettivo di massimizzare la resa in zuccheri fermentabili e minimizzare il consumo e di conseguenza il costo degli enzimi impiegati. L’utilizzo di enzimi consente di operare in condizioni miti, con ridotti consumi energetici e senza generare composti tossici per i successivi processi fermentativi. Gli idrolizzati ottenuti sono stati impiegati come substrato per processi fermentativi basati su biofabbriche cellulari opportunamente ingegnerizzate. Questi microrganismi sono stati selezionati e ottimizzati per produrre poliidrossialcanoati (PHA), in particolare copolimeri sclmcl, materiali biobased biodegradabili con proprietà modulabili in funzione della composizione monomerica (2).
La messa a punto del processo fermentati- vo ha richiesto la definizione delle condizioni ottimali di esercizio aerazione, ph, rapporto C/N, cinetiche di alimentazione al fine di massimizzare l’accumulo intracellulare di polimero. Il polimero ottenuto dalla frazione polisaccaridica è stato affiancato da un secondo flusso produttivo, basato sulla frazione lipidica degli SCGs, che ha permesso di ottenere mcl- PHA elastomerici, molto promettenti per coatings e sistemi di finishing flessibili (2). La lignina rappresenta oggi un materiale strategico: in forma di nanoparticelle, offre proprietà antiossidanti, stabilità UV, compatibilità acquosa e possibilità di funzionalizzazione, emergendo come strumento verde versatile per molteplici applicazioni tecnologiche (3). La lignina estratta mediante NADES è stata trasformata in nanoparticelle di lignina (LNP) attraverso protocolli integrati di dialisi e sonicazione. Le LNP ottenute presentano stabilità colloidale anche dopo processi di liofilizzazione, un’elevata attività antiossidante e capacità UV-schermante. Proprietà di questo tipo, unite alla compatibilità con matrici acquose e polimeriche, rendono le nanoparticelle di lignina materiali particolarmente interessanti per applicazioni nel settore conciario. Test preliminari hanno mostrato che l’inserimento delle LNP nelle formulazioni di riconcia contribuisce a limitare la formazione di cromo esavalente, migliorando la stabilità del materiale. Sono in corso sviluppi per l’integrazione delle nanoparticelle anche nel finishing, mediante dispersioni poliuretaniche per applicazione spray, con l’obiettivo di ottenere superfici con proprietà protettive avanzate. Parallelamente, scarti della lavorazione del collagene sono stati integrati in film colloidali a base di chitosano rinforzato con LNP, dando origine a materiali biobased con migliori proprietà meccaniche e attività antiossidante e antimicrobica, idonei per il packaging sostenibile. Questo dimostra come l’intero modello di bioraffineria possa essere inserito in una più ampia logica di simbiosi industriale.
Un ulteriore elemento di forza del modello è la sua scalabilità e trasferibilità a diverse biomasse. L’approccio sviluppato sugli SCGs è oggi in fase di applicazione anche alla biomassa di cardo (Cynara cardunculus), pianta infestante del Mediterraneo ricca di lignocellulosa e oli. Replicare lo schema di bioraffineria integrata su questa risorsa spontanea apre prospettive per una piattaforma ancora più ampia di materiali biobased destinabili alla filiera conciaria. L’integrazione di processi estrattivi green, biocatalisi, fermentazioni avanzate e nanomateriali permette di trasformare scarti agricoli e biomasse marginali in materiali innovativi per la concia. La combinazione di tecnologie cross-settoriali dall’agroindustria alla chimica verde, dalle biotecnologie alla scienza dei materiali sta delineando un nuovo paradigma per il Made in Italy: circolare, multisettoriale e profondamente orientato alla sostenibilità.
Bibliografia
1) https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125998
2) https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.145855
3) https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2020.107685
Acknowledgement
This work arises from a part of activities carried out within the Project TAN-TOM – Tecniche di oggettivazione non invasiva delle pelli lavorate in ambito conciario tramite nuovi sistemi di acquisizione ottici multispettrali e tomografici elettromagnetici, elaborati tramite sistemi basati su intelligenza artificiale, Co-financed by the Italian Ministry of Enterprises and Made in Italy (ex-MISE), Fondo per la Crescita Sostenibile – Primo Sportello del Bando “Accordi per l’innovazione” – D.M. 31 Dicembre 2021 – DD 18 Marzo 2022.
This work arises from a part of activities carried out within the MICS (Made in Italy–Circular and Sustainable) Extended Partnership and received funding from the European Union Next-Generation EU (PIANO NAZIONALE DI RIPRESA E RESILIENZA (PNRR) – MISSIONE 4 COMPONENTE 2, INVESTIMENTO 1.3 –D.D. 1551.11-10-2022, PE00000004). This manuscript reflects only the authors’ views and opinions, neither the European Union nor the European Commission can be considered responsible for them.