SOLUZIONI

L’amido e la cellulosa sono i rappresentativi di biomassa rinnovabile più abbondanti e importanti. Dalla metà del XIX secolo le loro proprietà sono state migliorate e funzionalizzate tramite modifiche chimiche a fini commerciali e scientifici, e questi derivati polimerici hanno trovato una vasta gamma di applicazioni. La polidispersione intrinseca e la struttura supramolecolare dell’amido e della cellulosa fanno sì che i prodotti modificati evidenziano un’elevata complessità. La cellulosa nella sua forma originale non è solubile in acqua, ma può diventarlo per reazione chimica dei suoi gruppi idrossilici con sostituenti idrofili. In questo modo vengono prodotti i derivati della cellulosa solubili in acqua come la carbossimetil cellulosa (CMC), l’idrossietil cellulosa (IEC), la metil cellulosa (MC) e l’idrossipropil cellulosa (IPC).

Bibliografia: (1) L.-M Zhang, “Cellulosic associative thickeners“, Carbohydrate Polymers, 2001. (2) Petra Mischnick, Dane Momcilovic, “Chemical Structure Analysis of Starch and Cellulose Derivatives“, Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry, 2010.

La chitina è il secondo biopolimero più abbondante dopo la cellulosa ed è un biomateriale economico e facilmente reperibile. E’ stato scoperto nel 1859 a causa della significativa utilità industriale e tecnologica. Il chitosano è il derivato della chitina ottenibile con reazione con acidi diluiti o basi forti e la conseguente conversione di un numero sufficiente di gruppi acetil. Il grado di deacetilazione è un parametro di qualità del chitosano che descrive la percentuale di gruppi acetilici rimossi dalla chitina originaria. I gradi di deacetilazione dipendono dalla materia prima e dal metodo di preparazione. La chitina con un grado di deacetilazione superiore al 55% è generalmente riferita al chitosano. Il chitosano può essere ulteriormente funzionalizzato tramite diverse modifiche chimico/fisiche, ed il polimero modificato è processato e trasformato in diverse forme, vale a dire film, membrane, compositi, ibrido, nanofibre, nanoparticelle, idrogel e schiume.
La matrice di chitosano presenta dei vantaggi rispetto ai biopolimeri grazie alla ampia gamma ottenibile, la versatilità, l’economicità della materia prima. Nel complesso, la chimica del chitosano ha potenziato la ricerca e lo sviluppo in innumerevoli settori come l’agricoltura, la biochimica, la medicina, la farmacia, la nanotecnologia, la biotecnologia, la scienza dei materiali, filiera alimentare, la microbiologia, la biomedicina, la bioingegneria, la biochimica e l’ambiente.

Weiping Su, Shaoqi Yu, Daidai Wu, Meisheng Xia, Zhengshun Wen, Zhitong Yao, Junhong Tang, Weihong Wu, “A critical review of cast-off crab shell recycling from the perspective of functional and versatile biomaterials” Environmental Science and Pollution Research (2019).

Le gomme naturali (gomma arabica, gomma di karaya e gomma di guar) sono polisaccaridi complessi e fibre alimentari solubili ottenute da varie specie di alberi che presentano proprietà fisiche uniche e diverse. Questi estratti sono ampiamente utilizzati nelle industrie tessili, farmaceutiche, cosmetiche e alimentari grazie alle loro diverse proprietà funzionali in una vasta gamma di applicazioni.
La gomma arabica è derivata dall’essudazione di steli e rami di Acacia Senegal L. ed è nota per essere la gomma da essudato più utilizzata. È diventata un ingrediente importante per l’industria alimentare e per altri settori, in quanto offre una buona stabilità in emulsione, proprietà di incapsulamento e alta solubilità. La gomma Guar è considerata uno dei migliori additivi addensanti, emulsionanti e stabilizzanti, in quanto contiene diversi gruppi idrossilici e presenta una particolare struttura polimerica. La gomma Karaya mostra proprietà di rigonfiamento molto elevate, un’alta viscosità e proprietà di solubilità molto scarse a causa dei suoi gruppi acetilici; quindi, le sue applicazioni sono limitate solo in particolari settori dell’industria cosmetica e farmaceutica.

Rosland Abel, SE, Yusof, YA, Chin, NL, et al. “The effect of particle size on the physical properties of Arabic gum powder.” J Food Process Eng. 2020

La gomma di Xantano è un polisaccaride anionico solubile in acqua prodotto dalla fermentazione della fermentazione aerobica con Xanthomonas campestris. La gomma di Xantano è costituita da unità D-glucosio, D-mannosio e acido D-glucuronico nella sua struttura. È stabile su un ampio intervallo di pH. Le proprietà di filmazione di gomma di Xantano comprendono un comportamento reologico pseudo-plastico in un ambiente acquoso suscettibile alla formazione del film perché si disperde facilmente in acqua fredda o calda con un effetto minimo sulla sua viscosità dalla temperatura o dal pH. La gomma di Xantano è un reticolante compatibile e miscelabile con vari materiali.
L’agar è un polisaccaride costituito da agarosio (frazione gelificante) e agaropectina (frazione non gelificante). Viene estratto dalle alghe marine di classe Rhodophyceae come Gelidium sp. e Gracilaria sp. La caratteristica più importante dell’agar è la sua capacità di formare gel solidi a concentrazioni molto basse. L’agar è più stabile a basso pH e condizioni ambientali ad alta temperatura. L’agar ha buone proprietà di formazione del film. Essendo anche rinnovabile e biodegradabile, è stato testato per preparare materiali diversi come schiume, film e rivestimenti.

Rukmanikrishnan, B, Rajasekharan, SK, Lee, J, Lee, J. “Biocompatible agar/xanthan gum composite films: Thermal, mechanical, UV, and water barrier properties.” Polym Adv Technol. 2019.

La colla animale è un materiale polimerico naturale non tossico e biodegradabile, derivato principalmente dal collagene presente nella pelle, ossa o cartilagine di animali, principalmente da allevamenti di bovini. La colla animale ha basso impatto ambientale, e questo aspetto ha suscitato un notevole interesse nella ricerca da parte di industrie e istituzioni.
La colla animale è un colloide organico a base di proteine formate attraverso l’idrolisi del collagene. La stessa parola collagene deriva dal greco κόλλα kolla, che significa “colla”.
Per decomposizione catalitica, la struttura molecolare peptidica della colla animale può essere scomposta in una struttura molecolare più piccola che presenta uno stato liquido a temperatura ambiente e può essere facilmente modificata chimicamente e utilizzata come adesivo, idrofobizzante (collatura della carta), rivestimento e per applicazioni colloidali nell’industria.

WANG, T.-S.; LIU, W.-H.; LI, Y.-M. “Preparation of animal glue binder treated by anhydrous sodium carbonate“. Journal of Adhesion Science & Technology, 2018.

L’ Alcool polivinilico è la plastica solubile in acqua più importante dal punto di vista commerciale attualmente in uso. È insapore, inodore, biodegradabile ed è biocompatibile. Oltre ad essere solubile in acqua, è leggermente solubile in etanolo, ma insolubile in altri solventi organici. L’alcool polivinilico ha una varietà di applicazioni che vanno dall’industria cartaria e tessile all’edilizia, agli adesivi e all’industria petrolifera. L’alcool polivinilico ha caratteristiche colloidali specifiche, eccellenti proprietà filmogene ed elevata resistenza alla trazione. Inoltre, è elastico e resistente al calore e ai solventi organici. La flessibilità formulativa in applicazioni dell’alcool polivinilico è dovuta alle sue proprietà chimiche, in particolare ai numerosi gruppi ossidrilici che reagiscono con sostanze come le resine reattive. Inoltre, può essere facilmente miscelato con una serie di materiali naturali e può presentare proprietà compatibili con una vasta gamma di applicazioni. L’inclusione di fibre e filler naturali può migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche senza compromettere la degradabilità generale. Pertanto, i potenziali benefici di questo materiale date le sue caratteristiche idrosolubili sono enormi, ma questo deve essere compensato da considerazioni pratiche del suo ciclo di vita a lungo termine in condizioni ambientali variabili.

WANG, T.-S.; LIU, W.-H.; LI, Y.-M. “Preparation of animal glue binder treated by anhydrous sodium carbonate“. Journal of Adhesion Science & Technology, 2018.

I flocculanti polimerici solubili in acqua sono componenti importanti nei processi di separazione solido-liquido per il trattamento di una varietà di effluenti. Lo sviluppo sistematico di un flocculante si basa su una buona conoscenza del processo di flocculazione, della sintesi dei polimeri, della caratterizzazione dei polimeri e, non ultimo, della valutazione delle prestazioni della flocculazione come desiderato per un particolare processo di trattamento, tutti elementi essenziali per stabilire relazioni significative tra la microstruttura del flocculante ed efficienza di flocculazione.
I flocculanti sintetici sono prodotti mediante polimerizzazione di monomeri idrosolubili. A seconda dei monomeri utilizzati, i flocculanti sintetici possono essere classificati in base alle loro cariche come cariche positivamente, cariche negativamente, neutre o, in alcuni casi, anfotere. In alternativa, possono essere classificati in base alla loro architettura come lineari, ramificati, iper-ramificati o graffati. La poliacrilammide è il flocculante non ionico solubile in acqua più importante perché il suo monomero, l’acrilamide, è altamente solubile in acqua, economico e molto reattivo.

VAJIHINEJAD, V. et al. “Water Soluble Polymer Flocculants: Synthesis, Characterization, and Performance Assessment.” MACROMOLECULAR MATERIALS AND ENGINEERING, 2018.

I materiali polimerici superassorbenti (PSA) sono polimeri reticolati costituiti da blocchi solubili in acqua. I PSA sono generalmente composti da monomeri ionici e sono caratterizzati da una bassa densità di reticolazione, che si traduce in una grande capacità di assorbimento di fluidi, fino a 1000 volte il loro peso. È interessante notare che questi materiali superassorbenti possono assorbire e trattenere soluzioni acquose fino a diverse centinaia di volte il loro peso, mantenendole anche sotto pressione.
I monomeri tipici applicati nello sviluppo di PSA sintetici includono: acido acrilico (AA), acrilamide (AM), acido metacrilico (AMA), dimetilamminoetil metacrilato (DMAEMA), dimetilaminopropil metacrilammide (DMAPMA), acido 2-acrilammido-2-metilpropano sulfonico (AMPS). Possono essere introdotti in una matrice (co)polimerica reticolata usando un reticolante sintetico come N, N ‘-bisacrylamide (MBA).
I PSA semisintetici o semi-naturali possono essere sintetizzati mediante l’aggiunta di un componente sintetico ad una catena polimerica naturale attraverso reazione di funzionalizzazione del polimero. In quest’ultimo caso, la catena polimerica naturale agisce da reticolante naturale per i monomeri sintetici. I PSA naturali includono polisaccaridi e proteine.
Sia i PSA sintetici che quelli a base di polisaccaridi sono già stati utilizzati per una molteplicità di applicazioni come pannolini, campo biomedico, agricoltura, bonifiche ambientali. Infine, i PSA “intelligenti” sono spesso utili per applicazioni biomediche come il rilascio di farmaci in quanto possono essere mirati ad una determinata posizione in vivo esercitando particolari caratteristiche che innescano il rilascio del farmaco incapsulato / accoppiato.

MIGNON, A. et al. “Superabsorbent polymers: A review on the characteristics and applications of synthetic, polysaccharide-based, semi-synthetic and ‘smart’ derivatives.” European Polymer Journal, 2019.

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