Idea progetto

Il progetto Patch–Spore mira a soddisfare le richieste di sostenibilità in agricoltura contribuendo a ridurre il consumo d’acqua e aumentare le rese grazie al succitato effetto più che additivo del telo pacciamante funzio-

nalizzato Patch–Spore. Infatti, come detto nell’abstract i teli pacciamanti Patch–spore indirizzano il potenziale del biofitofarmaco unicamente sulla specie di interesse; agiscono sulle condizioni simbiontiche tra pianta e con- sorzio microbico, consentono di ridurre al minimo i trattamenti insetticidi; sono in materiale biodegradabile e non vanno raccolti a fine campagna. 3.1. PBSA: Materiale innovativo con sostanziali vantaggi tecnici

Il materiale preso in considerazione per la realizzazione del telo pacciamante Patch–Spore è il Poli–Butilene Succinato Adipato (PBSA) che nello specifico è un copolimero di acido succinico e acido adipico. Il PBSA è un polimero utilizzato per la produzione di strumenti di plastica, film e prodotti per l’agri- coltura, è biodegradabile e la sua biodegradabilità è legata alla sua struttura, alla cristallinità, al peso molecolare e alla sua idrofobicità. Commercialmen- te una tipologia di tale polimero viene prodotta dalla Showa Denko K.K. con il nome commerciale di BIONOLLE ed un numero identificativo che ne differenzia la composizione, coperta da brevetto.

Nella Tabella3 sono riportate le caratteristiche chimico–fisiche del Bio- nolle3000:

Tabella3. Caratteristiche chimico–fisiche del Bionolle 3000.

Densità 1.23

Punto di fusione (DSC, °C) 114

T transizione vetrosa (DSC, °C) –45

Cristallinità (%) 41

Modulo elastico (MPa) 249

Resistenza a trazione (MPa) 19

Allungamento a rottura (%) >500

Mineralizzazione (%) 90

Permeabilità(g/m2_{/die) 330}

Tensione superficiale (mN/m) 56

Si può osservare come l’elevato valore dell’allungamento a rottura ed un moderato valore del modulo elastico lo rendano un ottimo candidato per la realizzazione di film a spessore consono all’uso in agricoltura.

Il polimero ha una eccellente processabilità e può essere formato in una varietà di prodotti usando apparecchiature convenzionali applicate alle poliolefine. Paragonato al polibutilene succinato il PBSA è più suscettibile alla biodegradazione a causa della sua bassa cristallinità e alla presenza di

catene polimeriche più flessibili che possono risultare siti attivi di attacco da parte degli enzimi.

3.2. Processo di produzione e funzionalizzazione del telo Patch–Spore

Il PBSA preso in considerazione per la realizzazione del telo pacciamante Patch–Spore è un copolimero ottenuto attraverso una sintesi a due step a partire da acido succinico e acido adipico con1,4 butandiolo. La reazione di esterificazione degli acidi avviene mediante un catalizzatore a base di titanio alla temperatura di190°C in flusso di azoto con la formazione di un intermedio di reazione che viene deglicolizzato a220°C con l’eliminazione dell’1,4 butandiolo.

I building block della reazione possono essere derivati da processi di raffinazione delle biomasse quindi il polimero ottenuto non soltanto risulta biodegradabile ma anche completamente bio–based.

La produzione dei principali film parte da granuli ottenuti dalla sintesi, addizionati di ulteriori ingredienti quali scivolanti, antiossidanti, stabilizzanti e additivi vari, che vengono introdotti nell’estrusore, un cilindro cavo riscal- dato che ospita all’interno una vite senza fine. L’estrusore ha il compito di omogeneizzare e fondere tutti i componenti. Il composto ottenuto viene spinto attraverso una trafila la quale fornisce una “lastra” o un “tubo” conti- nuo di polimero semi fuso. Per dare al film l’aspetto consueto si lamina la lastra al fine di assottigliare lo spessore oppure si spinge dell’aria compressa all’interno dell’estruso per ricavare una bolla di polimero dello spessore voluto (Fig.2). Oltre alla riduzione allo spessore voluto, il film necessita solitamente di successive lavorazioni.

L’idea del progetto Patch–Spore è quella di funzionalizzare un telo in PBSA mediante un trattamento non distruttivo come il trattamento al plasma (Fig.3).

Il plasma è un gas parzialmente o interamente ionizzato, macroscopica- mente neutro, in cui le specie che si possono identificare sono le molecole del gas, frammenti delle stesse (atomi, ioni positivi e negativi, radicali) e prodotti di reazione tra tutte le specie presenti: questi possono trovarsi in differenti stati di eccitazione in funzione di come è distribuita l’energia nel sistema. Qualunque gas a temperatura superiore a0°K contiene una certa concentrazione di specie cariche, ma esso è considerato un plasma solo se la concentrazione di tali specie cariche è tale da condizionarne il moto.

A partire dagli anni ’70 le tecnologie basate sull’utilizzo del plasma, quale processo per ottenere coating, attivazione e modifica delle superfici, si sono affermate sempre di più nel campo industriale.

A seconda delle applicazioni, le tecnologie plasma–enhanced (PE) si dividono in due grossi settori:

— Quelle che prevedono la deposizione di film organici o inorganici; — Quelle che utilizzano il plasma per attivare e modificare le superfici. I trattamenti al plasma possono essere effettuati su ogni tipo di materiale (polimerico, metallico o ceramico) in quanto la temperatura media dei gas a contatto con il manufatto è, in pratica, quella ambiente.

In generale le modifiche superficiali plasma assistite, per esempio di un materiale polimerico, permettono di modificare le proprietà fisiche e chimiche (conducibilità, trasparenza, durezza, adesività, compatibilità biologiche, resistenza agli agenti atmosferici) agendo solo sulla superficie senza interessare il bulk del manufatto. L’attivazione al plasma a bassa pressione o a pressione atmosferica permette anche che i materiali plastici non adesivi ottengano una capacità di “incollaggio” molto buona. L’energia superficiale di un materiale polimerico generalmente è bassa e non consente una bagnabilità da parte di altre sostanze. Mediante il trattamento a bassa pressione l’energia superficiale desiderata può essere regolata con molta precisione, in modo da evitare un’attivazione eccessiva che condurrebbe all’etching.

Nel plasma a bassa pressione, possono essere utilizzati altri gas al posto di ossigeno o aria, per esempio azoto (N2), ammine (NHx) o gruppi car- bossilici (–COOH) vengono attaccati come gruppi reattivi. L’attivazione di superfici plastiche rimane efficace per settimane e mesi.

Nel nostro caso la funzionalizzazione del film polimerico avrà lo sco- po di indurre gruppi funzionali che aggrafferanno le spore del consorzio microbico scelto ad–hoc per una specifica coltivazione.

Figura3.Rappresentazione del sistema al plasma.

3.3. PBSA a biodegradabilità controllata

Una fase di sperimentazione del progetto prevede la ottimizzazione delle condizioni di sintesi del polimero in quanto, da studi di ricercatori coreani, è stato affermato che esistono condizioni di biodegradabilità variabili con le percentuali dei singoli reagenti per ottenere il PBSA.

In particolare è stato osservato che all’aumentare della percentuale di acido adipico si osserva la presenza di un minimo nel valore della tempe- ratura di fusione (per60% acido adipico) ed una progressiva diminuzione della temperatura di transizione vetrosa. Inoltre la cristallinità del po- limero ottenuto con percentuali crescenti di acido adipico diminuisce sensibilmente.

Infine il peso molecolare medio del polimero ottenuto, varia al variare delle quantità percentuali presenti dei componenti.

Le proprietà che variano con le percentuali di acido adipico, sono stret- tamente correlate alla biodegradazione del polimero finale ed i ricercatori coreani hanno osservato che per un PBSA ottenuto con una percentuale di acido adipico del20% la degradazione in suolo comincia dopo due settima- ne di esposizione e la perdita in peso, connessa a tale processo degradativo, dopo6 settimane risulta del 75%.

A partire da questi risultati occorre ottimizzare le condizioni di sintesi del PBSA tenendo presente le necessità delle singole colture che potrebbero essere interessate dai teli pacciamanti.

3.4. Vantaggi economici e ambientali della pacciamatura in PBSA funzionalizzato

con consorzio microbico

Ottime prestazioni in campo: nel controllo delle malerbe e dal punto di vista della resa agronomica e della qualità del prodotto, comparabili con i teli in plastica tradizionale.

Ottima versatilità d’uso e meccanizzazione: possono essere utilizzate le stesse macchine stenditrici e stenditrici–trapiantatrici utilizzate per le plasti- che tradizionali, alla medesima velocità di lavorazione. Elevata compatibilità e versatilità agronomica: i teli in MATER–BI per pacciamatura possono esse- re usati su un’ampia gamma di colture in condizioni ambientali e climatiche molto differenti.

Elevata compostabilità ambientale: il telo in MATER–BI è biodegradabile in suolo. Al termine del ciclo colturale i teli per pacciamatura non devono essere raccolti e smaltiti, ma incorporati nel terreno dove biodegradano, trasformandosi in anidride carbonica, acqua e biomassa.

Elevato risparmio economico e gestionale nel ciclo di lavorazione in campo: i teli in MATER–BI per pacciamatura consentono, oltre al risparmio legato al non smaltimento a fine coltura, anche un’ottimizzazione dei tempi della coltura nella gestione aziendale.