Presso l' Istituto Leibniz per la Catalisi di Rostock (LIKAT), la dottoranda Fairoosa Poovan, che lavora nel gruppo di ricerca del Prof. Matthias Beller, ha sviluppato un catalizzatore che utilizza olio da cucina esausto per sintetizzare ammine primarie . Queste sono importanti precursori per un'ampia varietà di prodotti che utilizziamo quotidianamente, compresi i farmaci.
La ricerca sostiene gli obiettivi sociali globali di un'economia a zero emissioni di carbonio e di neutralità climatica. Finora, l'olio da cucina esausto è stato trasformato principalmente in biocarburanti. Ciò significa che il carbonio atomico presente nell'olio da cucina esausto brucia insieme al gasolio e rilascia CO2 nell'atmosfera, con conseguenze negative per il clima. Sarebbe più saggio trattenere il carbonio durante il riciclo dell'olio da cucina esausto e reinserirlo nel ciclo, dove è anch'esso necessario. Dopotutto, il carbonio è presente in quasi tutti i nostri prodotti di uso quotidiano.
Di fronte al cambiamento climatico, le società di tutto il mondo stanno imparando a rinunciare a fonti di carbonio fossili come carbone, petrolio e gas. In alternativa, la chimica sta collaborando con altre discipline scientifiche per sviluppare concetti e prodotti che seguano il principio guida dell'economia circolare. Questo include l'estrazione di carbonio per i nostri beni economici da rifiuti organici e plastici in futuro. In questo campo, il Leibniz Institute for Catalysis sta lavorando a stretto contatto con l'Università Otto von Guericke di Magdeburgo e il Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems. Uno degli obiettivi comuni di questa collaborazione è trovare nuove applicazioni per i rifiuti (di origine biologica).
"Il nostro obiettivo è sfruttare l'olio da cucina esausto come materia prima chimica utile per la produzione di prodotti di valore", afferma Fairoosa Poovan. "Le ammine sono state una scelta naturale". Queste sono derivati dell'ammoniaca (NH3) e sono necessarie su larga scala nella chimica organica. Esistono decine di tipi di ammine e il mercato globale è stimato in oltre 16 miliardi di dollari.
L'olio da cucina esausto contiene acidi grassi a catena lunga che possono essere convertiti in altre sostanze chimiche preziose. Con un catalizzatore adatto e in presenza di ammoniaca e idrogeno, questi possono anche essere convertiti in ammine desiderabili. Quando uno dei tre atomi di idrogeno nell'ammoniaca viene sostituito da un altro gruppo, i chimici chiamano queste ammine "ammine primarie" (R-NH₂). Fairoosa Poovan ha sviluppato un catalizzatore a base di cobalto in grado di convertire efficacemente l'olio da cucina esausto in ammine primarie di acidi grassi.
La sfida più grande è stata trovare un percorso selettivo ed economico per produrre queste ammine primarie dai rifiuti organici. Finora, l'industria ha utilizzato la cosiddetta "via nitrilica" per produrre ammine di acidi grassi. Tuttavia, questo processo consolidato presenta degli svantaggi. Richiede condizioni di reazione severe, prevede molteplici fasi di reazione e, in definitiva, produce una miscela di ammine diverse (primarie, secondarie e terziarie) difficili da separare a causa della loro similarità strutturale.
La sintesi industriale delle ammine grasse prevede tre fasi. In primo luogo, l'idrolisi dell'olio vegetale in acidi grassi. In secondo luogo, l'aminazione, ovvero la disidratazione degli acidi grassi ad alte temperature (oltre 250 °C) in presenza di catalizzatori a base di ossidi metallici (ad esempio, ossido di alluminio o ossido di zinco) per produrre nitrati grassi. Infine, l'idrogenazione per produrre le ammine desiderate.
"Il nostro obiettivo era quello di semplificare il più possibile il processo e sviluppare un sistema "one-pot" che combinasse tutte le sostanze, incluso il catalizzatore, in un'unica soluzione in un unico contenitore. Questo migliora significativamente l'efficienza delle risorse, degli atomi e della reazione", afferma Fairoosa. Rispetto al processo industriale, il loro processo opera a temperature più moderate e, grazie all'elevata efficienza del catalizzatore, l'ammina primaria viene prodotta con "un'eccellente selettività", afferma. È anche un metodo conveniente per ottenere ammine, poiché Fairoosa utilizza il cobalto Poovan, un metallo di base, come catalizzatore.
Per l'esperimento, Fairoosa Poovan ha utilizzato olio di girasole disponibile in commercio, utilizzato per cucinare. Dopo la filtrazione, lo ha analizzato presso un laboratorio accreditato per la qualità alimentare, Lufa Northwest. Gli oli da cucina sono un sistema complesso di vari componenti di acidi grassi. La maggior parte di essi ha una lunghezza di catena di 16 o 18 atomi di carbonio; di conseguenza, anche le ammine prodotte variano nella lunghezza della catena di acidi grassi. Secondo Fairoosa Poovan, è importante conoscere il rapporto tra i vari acidi grassi nell'olio da cucina usato per valutare la reazione, nonché la funzione e l'efficienza del catalizzatore.
Il processo può essere applicato altrettanto bene all'upcycling della plastica, il cui problema di riciclo è molto simile, persino su scala analoga. Ogni anno, 300 milioni di tonnellate di prodotti in plastica escono dagli impianti di produzione in tutto il mondo. Secondo i dati ufficiali, il 53% di ciò che finisce nei cassonetti gialli, almeno in Germania, viene "riciclato energeticamente", ovvero incenerito.
E questo ci riporta al punto di partenza. "Non si può evitare un'economia circolare", conclude la chimica. L'anno prossimo discuterà la sua tesi di laurea all'Università di Rostock.
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