Cellulosa senza alberi: i batteri come fabbrica di nanomateriali

Nel progetto SUSTAINANO, finanziato da Fondazione Cariverona, il Dipartimento di Ingegneria Industriale e la startup veronese Bioniks sviluppano processi sostenibili per trasformare la cellulosa prodotta dai batteri in nanofiller per packaging biodegradabile, malte e carte tecniche.

Figura 1. La cellulosa batterica, prodotta da specifiche tipologie di batteri in bioreattori, è caratterizzata da elevata purezza, cristallinità, e fiber aspect ratio. 

La cellulosa batterica (spesso indicata con la sigla BC, dall’inglese bacterial cellulose), prodotta da specifiche tipologie di batteri in bioreattori, è il materiale protagonista del progetto SUSTAINANO, avviato a dicembre 2025 e finanziato da Fondazione Cariverona nell’ambito del Bando Ricerca e Sviluppo 2025. Dal punto di vista chimico, la cellulosa batterica è identica a quella vegetale, ma nelle piante la cellulosa si presenta in fibre di dimensioni micrometriche ed è accompagnata da lignina ed emicellulosa, che per molte applicazioni vanno rimosse con trattamenti chimici aggressivi. La cellulosa batterica nasce invece praticamente pura (oltre il 99%) e organizzata in un reticolo tridimensionale di nanofibre con un diametro tipicamente compreso tra 20 e 100 nanometri, da dieci a mille volte più sottili delle fibre della polpa usata in cartiera, e inoltre la cristallinità della BC è tendenzialmente maggiore di quella della cellulosa vegetale (raggiungendo valori attorno al 95%) (Figura 1). C’è però un ostacolo. Oggi i nanofiller di cellulosa batterica sono disponibili sul mercato solo in quantità limitate, perché mancano processi standardizzati per trasformare la membrana in un additivo pronto all’uso industriale. È proprio questo il vuoto che SUSTAINANO intende colmare.

Sbrogliare la matassa

Per usare la cellulosa batterica come nanofiller occorre prima “aprire” il suo reticolo intrecciato, separando le fibre le une dalle altre. Questo processo si chiama fibrillazione, e il progetto punta esclusivamente su tecniche meccaniche, scalabili e senza solventi: macinazione a umido (“wet grinding”), sonicazione, omogeniezzazione tramite ultra-turrax, mulino a dischi ceramici, omogeneizzazione ad alta pressione e altre tecnologie disponibili presso il DII e i partner. L’obiettivo è ottenere particelle di dimensione non superiore a 700 nm, confrontando i diversi metodi anche in termini di impatto ambientale attraverso l’analisi del ciclo di vita (LCA).

I primi risultati mostrano che l’omogeneizzazione ad alta pressione frammenta la rete di fibre in modo più fine rispetto alla macinazione a umido, producendo sospensioni meno viscose e più stabili anche sotto forti sollecitazioni di taglio. Anche misurare ciò che si ottiene richiede attenzione. La granulometria a diffrazione laser (DLS), uno degli strumenti più usati per misurare le dimensioni delle particelle, interpreta le particelle come sferiche, mentre la cellulosa batterica è fatta di fibre lunghe e flessibili: il valore restituito è quindi un “diametro equivalente” degli aggregati, non lo spessore reale delle fibre, e può variare con il tempo trascorso tra dispersione e misura. Per questo la prima fase del progetto è stata dedicata a un’ampia analisi della letteratura scientifica e brevettuale, che ha individuato il set di tecniche più adatto: dalla microscopia elettronica alla reologia, dalla diffrazione di raggi X alla spettroscopia infrarossa.

Tre applicazioni target

Il primo banco di prova è il packaging alimentare biodegradabile. I nanofiller saranno incorporati in matrici come il poli(acido lattico) (PLA), il poliidrossibutirrato (PHB) e l’amido termoplastico, con l’obiettivo di aumentare rigidezza e resistenza a trazione e di migliorare l’effetto barriera a ossigeno e anidride carbonica. Il fitto reticolo di nanofibre costringe infatti le molecole di gas a un percorso tortuoso, rallentandone la diffusione. I film di sola cellulosa batterica bloccano inoltre gran parte della radiazione ultravioletta, utile per proteggere gli alimenti dall’ossidazione. 

Le ricerche già svolte al DII hanno fornito indicazioni preziose. Passare da scaglie millimetriche essiccate in forno ad aerogel nanometrici ottenuti per liofilizzazione ha migliorato nettamente la dispersione del filler nelle matrici termoplastiche, evitando il crollo di resistenza e allungamento a rottura osservato con le scaglie. Nel progetto verranno esplorate nuove strategie per ottenere film più omogenei e, in prospettiva, funzioni “smart”: combinando la cellulosa batterica con materiali conduttivi come l’ossido di grafene o gli MXene, si potrebbero realizzare imballaggi capaci di monitorare umidità, pressione o integrità della confezione.

Il secondo ambito è quello delle malte cementizie. Qui bastano quantità minime, dell’ordine di pochi decimi di punto percentuale, per influenzare lavorabilità, ritiro e porosità: in letteratura è riportato che lo 0.15% in peso di cellulosa batterica in sospensione riduce la viscosità della malta fresca e rende più compatta la microstruttura [1]. La letteratura, però, è ancora scarsa e talvolta contraddittoria: alcuni lavori trovano più efficace la cellulosa in polvere, altri in forma di gel, e raramente descrivono le caratteristiche del filler di partenza. SUSTAINANO proverà a fare chiarezza, correlando il grado di fibrillazione con le prestazioni finali. Infine, grazie alla stampante 3D per materiali cementizi del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica (DICAM), si valuterà anche la produzione per manifattura additiva, ad esempio di mattoni autobloccanti su misura.

Il terzo settore è quello della carta tecnica, in collaborazione con Favini. Aggiunta all’impasto, la cellulosa batterica può aumentare del 30-40% la resistenza della carta a trazione, strappo e scoppio, come dimostrato da studi in letteratura [2,3]. Applicata come rivestimento, può invece migliorare la barriera a grassi e vapore acqueo e modificare la finitura superficiale. Purtroppo, anche in questo caso gli studi presenti in letteratura forniscono pochissime informazioni specifiche sulle proprietà iniziali del BC, quali la viscosità e la concentrazione delle sospensioni, le dimensioni e la morfologia degli aggregati. Le prove pilota si svolgeranno direttamente negli impianti dell’azienda.

I partner di progetto

SUSTAINANO dura 24 mesi e riunisce competenze complementari. Bioniks Srl, startup veronese attiva dal 2022, produce la cellulosa batterica e ne ottimizza la fermentazione; Favini Srl, storica cartiera di Rossano Veneto, mette a disposizione il know-how e gli impianti per il settore cartario. Il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Salerno contribuisce con la sua esperienza nella produzione di nanofiller cellulosici, mentre all’interno di UniTrento collaborano il DICAM, per i materiali cementizi, e il Dipartimento di Fisica, per le misure di permeabilità ai gas.

Tra gli obiettivi finali figurano almeno tre prototipi dimostrativi, uno per ciascuna applicazione, il deposito di almeno una domanda di brevetto o modello di utilità e almeno quattro pubblicazioni scientifiche. Il progetto investe anche sulle persone: oltre al contratto per un giovane ricercatore post-doc, prevede borse di ricerca per neolaureati e diverse tesi di laurea.

Dal bioreattore alla confezione, al muro, al foglio di carta: la sfida è dimostrare che un materiale nato dai batteri può diventare un ingrediente industriale affidabile, sostenibile e competitivo.

Riferimenti

[1] Soares, T. V., Effting, C., Miranda, K. W., Schackow, A. (2024). Application of bacterial nanofibrillated cellulose for performance improvement in vermiculite lightweight mortar. Construction and Building Materials, 449, 138474. 

[2] Tabarsa, T.; Sheykhnazari, S.; Ashori, A.; Mashkour, M.; Khazaeian, A. Preparation and characterization of reinforced papers using nano bacterial cellulose. International Journal of Biological Macromolecules 2017, 101, 334-340

[3] Campano, C.; Merayo, N.; Negro, C.; Blanco, Á. Low-fibrillated bacterial cellulose nanofibers as a sustainable additive to enhance recycled paper quality. International Journal of Biological Macromolecules 2018, 114, 1077-1083.

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IL PROGETTO SUSTAINANO – Sviluppo sostenibile di nanostrutture versatili di cellulosa batterica per applicazioni industriali avanzate. Finanziato da Fondazione Cariverona, Bando Ricerca e Sviluppo 2025 (dicembre 2025 – novembre 2027). Partner: Bioniks Srl, Favini Srl, Università degli Studi di Salerno – Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Trento – DICAM e Dipartimento di Fisica.