La ricerca di Katalin Barta: come l’approccio “lignin-first” trasforma gli scarti del legno in molecole preziose per la produzione di medicinali

Svincolarsi dalle fonti fossili non è soltanto una scelta etica, ma una complessa sfida ingegneristica che richiede approcci completamente nuovi al mondo e alle risorse che il pianeta ci mette, verrebbe da dire suo malgrado, a disposizione. E non si tratta di pannelli solari e pale eoliche: la sfida della sostenibilità inizia nei laboratori di chimica, gli unici che possono scomporre e trasformare le enormi quantità di risorse che chiamiamo “scarti”.

La lignina, per esempio, è stata considerata un sottoprodotto dell’industria cartaria per un secolo. Oggi, grazie a processi innovativi e molto efficienti, è la materia prima da cui potremmo ottenere la plastica, le batterie e i farmaci del futuro.

Cowboy o astronauti? Ripensare la chimica per l’economia circolare

L’industria petrolchimica è alla base della nostra vita di consumatori: automobili, indumenti, farmaci e addirittura aromi ad uso alimentare vengono prodotti a partire da combustibili fossili. Affinati nel corso dei decenni, i processi industriali che trasformano il petrolio in materiali di ogni tipo sono diventati piuttosto economici e facili da riprodurre in scala. D’altro canto, la petrolchimica non fa che estrarre valore dal sottosuolo per lasciarlo ai posteri sotto forma di enormi quantità di gas serra e rifiuti inquinanti pericolosi per la salute e per l’ambiente. Si tratta, insomma, della più grande ipoteca ambientale dell’economia moderna.

Al netto di utili revisionismi, quella di svincolare le attività umane dal massiccio ricorso alle fonti fossili è ormai un’esigenza conclamata. E la via maestra, lo sappiamo ormai dagli anni Novanta, consiste nell’abbandonare lo schema lineare “estrai, produci, getta” per abbracciare un’economia circolare. Usare risorse rinnovabili non basta: l’estrazione e la lavorazione delle materie prime, infatti, sono responsabili di quasi la metà delle emissioni globali.

Bisogna quindi recuperare la radicale ispirazione della “Spaceship Earth”, introdotta dall’economista e poeta Kenneth Boulding nel 1966: contro l’economia aperta “del cowboy”, bisogna sostenere un approccio diverso, che consideri la Terra come un sistema chiuso dalle risorse limitate. Boulding la chiama “economia dell’astronauta”:

“La Terra è diventata un’unica astronave, senza riserve illimitate di nulla, né da estrarre né da inquinare, e in cui, quindi, l’uomo deve trovare il suo posto in un sistema ecologico ciclico capace di una continua riproduzione di forme materiali”.

In questo contesto, la produzione non è più un’azione desiderabile, ma un qualcosa da minimizzare. E tutto questo non può che iniziare dalla chimica.

Lignina, l’oro bruno della bioraffineria che è sperimentata in Austria

I successi della chimica circolare, finora, sono stati piuttosto modesti. Come spiega la dottoressa Katalin Barta, professoressa di chimica all’Università di Graz e responsabile dell’unità di “catalisi sostenibile”:

“Le bioraffinerie, ovvero gli impianti per la lavorazione chimica della biomassa, sono ancora troppo costose. Per diventare competitivi e sostenibili allo stesso tempo, dobbiamo ripensare completamente ogni fase del ciclo: dall’estrazione della biomassa alla produzione e al riciclo”.

In una parola: bisogna partire dalle molecole. Ma se è vero che l’economia circolare non può prescindere da una nuova chimica – efficiente, basata su materie prime sostenibili e che non produca rifiuti o scarti tossici – è altrettanto vero che quest’evoluzione non può fare a meno della sostenibilità economica. Ma per fare in modo che tutto questo venga raggiunto a costi inferiori rispetto a quelli della vecchia petrolchimica, è necessario ripensare ogni singola fase del processo, progettandola sin dall’inizio per aderire al principio cardine della circolarità.

Barta, per esempio, lavora da anni con la lignina, l’elemento strutturale che conferisce stabilità a piante e alberi. E non è la sola. La lignina, infatti, è la principale fonte naturale (e rinnovabile) di anelli aromatici, molecole a forma di anello particolarmente stabili composte da atomi di carbonio che sono alla base della chimica organica e della produzione di una lunghissima serie di prodotti, dalle materie plastiche ai pesticidi.

Bioraffinazione della lignina: la ricerca di Katalin Barta

Fino a oggi, i composti aromatici sono stati ottenuti quasi esclusivamente dal petrolio. Trasformarli nei materiali che ci servono, spiega Barta, significa riassemblare delle molecole relativamente semplici in forme più complesse, “un po’ come avviene coi mattoncini Lego” – un processo che richiede energia e coadiuvanti chimici come solventi, reagenti e catalizzatori. Ogni fase di questo assemblaggio, inoltre, produce dei rifiuti (spesso tossici o indesiderati).

La soluzione più promettente, al punto da essere ormai considerata l’architettura portante di tutta la futura economia post-fossile, è la bioraffinazione – il processo industriale che converte biomasse rinnovabili (scarti organici, oli vegetali esausti, etc.) in biocarburanti, energia e prodotti chimici pregiati. Un processo che ha anche il pregio di averci finalmente mostrato la lignina per quello che è: la nostra possibilità più concreta di superare la dipendenza dal fossile senza rinunciare all’opulenza dei consumi.

Tutto inizia separando la lignina dalla cellulosa (frazionamento). Dopodiché si passa a scomporre questa molecola gigante in pezzi più piccoli (i monomeri), che poi vengono raffinati per diventare altro. Questa tecnica è ormai consolidata nei laboratori, ma è ancora troppo dispendiosa per l’industria. Come anticipato, la vera sfida oggi è riuscire a isolare i monomeri puri con processi abbastanza economici da competere con quelli della petrolchimica.

La ricerca, però, va avanti spedita: in uno studio molto recente, Barta e colleghi hanno messo alla prova un sistema di bioraffinazione innovativo e molto promettente, il Frazionamento Catalitico Riduttivo (RCF). E tramite questo metodo sono riusciti ad ottenere molecole molto complesse, come quelle utilizzate nella produzione dei farmaci, a partire da trucioli di legno. Tra l’altro usando molti meno passaggi di quelli necessari nel procedimento “tradizionale”.

Frazionamento Catalitico Riduttivo: la strategia “lignin-first”

Per oltre un secolo, abbiamo considerato la lignina uno scarto delle cartiere, la “parte inutile” del legno. L’abbiamo degradata e distrutta per ottenere cellulosa pulita. Oggi, la chimica verde poggia su un modello completamente rovesciato. Si parla di approccio “lignin-first”: la priorità è estrarre la lignina all’inizio del processo, prima che si rovini, per utilizzarla nella produzione di fine chemicals.

Il metodo che meglio incarna questa filosofia è proprio il Frazionamento Catalitico Riduttivo esplorato da Barta e colleghi, che permette di “stabilizzare” la lignina già durante l’estrazione, convertendola chimicamente mediante riduzione (generalmente in presenza di un catalizzatore eterogeneo). Alla fine, si ottengono olio di lignina e polpa di cellulosa da destinare ad altre produzioni altrettanto virtuose.

“Il nostro approccio si basa sull’idea che se partiamo da una materia prima naturale come la lignina o da composti aromatici derivati ​​dalla lignina, questi sono già costituiti da diversi mattoncini Lego fin dall’inizio: rispetto al petrolio, quindi, abbiamo bisogno di molti meno passaggi per costruire molecole complesse”.

Spiega Barta. E infatti, prosegue la chimica cui la Fondazione alpha+ dell’Austrian Science Fund ha da poco assegnato lo Zero Emissions Award 2025,

“Abbiamo sviluppato un metodo per ottenere alcune molecole molto difficili da produrre, come le benzossazine, da trucioli di legno in soli tre passaggi. Per farlo dal petrolio, ne servirebbero 13”.

Risparmiare 10 passaggi di sintesi, spiega, significa migliorare il bilancio energetico e mitigare l’impatto ambientale, a cominciare dal fattore E, la misura che indica le unità di rifiuti generate per ogni unità di prodotto finale (nell’industria chimica si può arrivare fino a 100 chili di scarto per ogni chilo di prodotto). Ma significa anche aprire la strada a nuove “magie”:

“Possiamo replicare ciò che già esiste, come la dopamina, oppure creare molecole completamente nuove”,

conclude la scienziata. Un mondo nuovo che emerge dagli scarti.

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