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LCA comparativa di processi di tintura di fibre tessili

Maria Laura Parisi, Daniele Spinelli, Rebecca Pogni, Riccardo Basosi Gruppo di LCA-ENE.R.G.R.E.EN.S., Dipartimento di Biotecnologie, Chimica e

Farmacia, Università di Siena riccardo.basosi@unisi.it

Abstract

La filiera della produzione e lavorazione dei prodotti tessili rappresenta un settore importante e strategico per l'economia di varie regioni dell'Unione Europea. I processi coinvolti in questa catena manifatturiera sono numerosi ed eterogenei e presentano impatti sulla salute umana e sull'ambiente che non possono essere trascurati. La ricerca e l'innovazione nel campo dell'eco-efficienza per questo settore ha ricevuto notevoli impulsi negli utlimi anni. Questo studio di Analisi del Ciclo di Vita riguarda la valutazione ambientale di tecnologie innovative per la tintura di tessuti che, applicate sinergicamente, hanno come obiettivo l'ottimizzazione ecologica dell’intero processo di tintura, dalle materie prime al prodotto finito, con particolare attenzione al risparmio energetico, alla riduzione nell’uso delle risorse idriche e di prodotti chimici.

1. Introduzione L'industria tessile e dell'abbigliamento è un settore vario ed eterogeneo che interessa un numero notevole di attività, dalla produzione delle materie prime attraverso la loro trasformazione in filati e tessuti, alla produzione di un'ampia gamma di prodotti e macchinari per il pre-trattamento, la tintura e il finissaggio, fino al confezionamento dei prodotti finiti. Il settore costituisce una parte importante dell'industria manifatturiera europea e ricopre un ruolo cruciale nell'economia e nel benessere sociale di numerose regioni dei 27 Paesi dell'UE (fonte: Eurostat). Molti dei processi coinvolti nella produzione di prodotti tessili sono pericolosi per la salute umana e non sostenibili da un punto di vista ambientale: in questo contesto la produzione di coloranti e le operazioni di tintura sono tra le fasi a più alto impatto ambientale della filiera a causa della bassa resa di processo e della grande quantità di energia, acqua e prodotti chimici coinvolti. Il volume di produzione di questo settore e la portata delle questioni ambientali legate a questa industria sono state oggetto di interesse di legislazioni e direttive europee (COM 88, 2001; Direttiva 2002/61/CE; Direttiva 2008/1/EC; Direttiva 2008/98/EC) e di ricerca scientifica (Di Gregorio et al. 2010; Ciullini et al. 2012). La complessità della filiera del tessile richiede una profonda e dettagliata analisi per la valutazione del contributo potenziale dei vari processi ai temi ambientali come il riscaldamento globale, il consumo di risorse materiali e di energia. Per questo l’analisi del ciclo di vita (LCA) può fornire un valido supporto per evidenziare le criticità dei processi industriali attualmente impiegati (Nieminen, 2003; Steinberger et al., 2009; Tobler, 2001; Yuan et al., 2013) e le opportunità

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di miglioramento delle varie soluzioni tecnologiche proposte in un'ottica di eco-innovazione e eco-efficienza in questo settore (Nieminen et al., 2006)

1.1. Processi innovativi per la filiera di nobilitazione dei tessuti L’attività di ricerca e sviluppo nel settore tessile ha goduto di notevoli impulsi e investimenti negli ultimi anni ed ha contribuito alla messa a punto di tecnologie e metodi per l’ottimizzazione dei processi produttivi. Nel 2003, secondo la Direttiva IPPC, la Commissione Europea ha pubblicato il documento di riferimento che stabilisce le linee guida per armonizzare le procedure per le autorizzazioni ambientali integrate per gli impianti nel settore tessile, in cui vengono individuate le migliori tecnologie disponibili con particolare riferimento ai trattamenti di nobilitazione e finitura dei tessuti (BREF for Textile Industry, 2003). Tra le tecnologie emergenti annoverate, esiste un’ampia sezione dedicata ai metodi per la fase di pre-trattamento e di tintura che insieme costituiscono una parte importante e cruciale della filiera di produzione del tessile. Tra questi, alcune alternative sono state ottimizzate negli ultimi anni e sono arrivate ad un livello di maturità tale da poter essere introdotte nel mercato attraverso iniziative che ne consentano lo scale-up a livello industriale. In particolare, i processi considerati nell’analisi qui presentata sono: •Sintesi di bio-coloranti. La diffusione della classe di coloranti azoici è dovuta alla relativa semplicità della sintesi che, procedendo attaverso una diazotazione seguita da una reazione di copulazione azoica, è in grado di produrre virtualmente un infinito numero di composti a partire dalla grande varietà di composti diazotati disponibili e di molecole per la reazione di copulazione. Questi due step di sintesi, d’altra parte, presentano tutta una serie di gravi rischi per la salute umana (effetti tossici, mutageni e cancerogeni) e per l’ambiente (emissioni in acqua e nel suolo, effetti tossici per flora e fauna) e per questo motivo si è sviluppato un crescente interesse per processi alternativi di formazione del legame azoico sia per i coloranti esistenti che per composti di nuova generazione a partire da reazioni più a basso costo, meno pericolose e più ambientalmente compatibili. Tra questi processi innovativi, sono state studiate tecnologie che impiegano le laccasi, degli eccellenti enzimi ossidativi per composti aromatici sostituiti con gruppi elettrondonatori (difenoli, polifenoli, etc.). Queste semplici molecole possono servire come precursori per la produzione, catalizzata da enzimi, di coloranti azoici in soluzione acquosa a temperatura ambiente e in assenza di additivi. L’analisi qui presentata si basa sui risultati ottenuti da un progetto europeo (SOPHIED 2004) focalizzato sull’uso delle laccasi fungine (Enaud et al., 2010; Forte et al., 2010; Pogni et al., 2010) per creare coloranti azoici e fenossazinici attraverso accoppiamento enzimatico e l'uso di strategie originali, più sicure ed eco-compatibili. Attraverso l’impiego di un bioreattore realizzato appositamente per questa ricerca, è in corso l’ottimizzazione della sintesi su scala industriale di alcuni dei composti progettati.

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•Pre-trattamento del tessuto. I processi di preparazione delle fibre prima della tintura possono essere eseguiti in vari modi e con diversi prodotti chimici. La scelta è spesso basata sulle dimensioni del processo e le tecniche in continuo risultano essere quelle più efficienti su larga scala. In questa fase è fondamentale l’uso di alcali, acidi o ipoclorito e ciò determina un’elevata presenza di residui nei flussi di scarico che necessitano quindi di operazione di neutralizzazione e abbattimento. Un processo innovativo che consente di evitare l’uso di questi additivi è la tecnologia al plasma che impiega gas a pressione atmosferica (aria, O2, Ar2, N2, He2) in continuo per conferire varie funzionalità alla superficie dei tessuti ed aumentare la colorabilità degli stessi a ridotto impatto ambientale. •Sintesi di nuovi ausiliari. Al variare della natura della fibra tessile, possono essere presenti vari ausiliari nel bagno di tintura. Questi appartengono a varie categorie di composti chimici inorganici ed organici: alcuni sono consumati stechiometricamente durante il processo mentre altri persistono nella soluzione di lavoro aumentando conseguentemente il carico ambientale dei reflui di lavorazione. I formulati innovativi proposti nel contesto dello studio qui analizzato sono degli etossilati alchilici a basso peso molecolare (amine etossilate e derivati del pirrolidone) già studiati a livello di laboratorio, in grado di aumentare l’efficienza del processo di tintura riducendo la quantità di composti non aromatici necessari a parità di performance di processo. Nel caso di tinture con coloranti acidi e reattivi, è stato dimostrato infatti che la quantità di surfattanti necessaria può essere ridotta fino al 70% lavorando a temperature inferiori con un risparmio conseguente di energia del 20% rispetto alle condizioni standard di lavoro per il processo tradizionale. • Ottimizzazione del processo di tintura: l’innovazione per l’aumento di sostenibilità dei processi industriali tessili ha permesso di mettere a punto tecniche e metodi caratterizzati da una riduzione della temperatura e dei tempi di tintura grazie all’uso dei nuovi ausiliari in combinazione con i bio-coloranti.

1.2. Il progetto BISCOL Una reale applicazione dei processi innovativi per la tintura di tessuti (fibre naturali) è attualmente in fase di implementazione e di scale-up nel progetto europeo BISCOL (BIoprocessing for Sustainable production of COLoured textiles, website: http://www.biscol.unisi.it). Questo progetto, coordinato dall'Università di Siena e che coinvolge altri 5 partner, muove dai successi ottenuti dalla ricerca in materia di processi di tintura ecocompatibili svolta da imprese, università e istituti di ricerca all’interno del precedente progetto europeo SOPHIED. Lo scopo finale del progetto BISCOL è lo sviluppo e l’applicazione su scala pilota di un nuovo processo di tintura del tessile basato sull'ottimizzazione ecologica dell’intero processo di tintura dalle materie prime al prodotto finito con particolare attenzione al risparmio energetico, alla riduzione nell’uso delle risorse idriche e di prodotti chimici. Il progetto BISCOL afferisce al Programma quadro per la competitività e l’innovazione (CIP) della Commissione Europea che promuove il trasferimento tecnologico alle piccole e medie imprese attraverso l’iniziativa Eco-Innovation. L'obiettivo mira

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all'implementazione del nuovo processo di tintura per favorire l'evoluzione concreta delle industrie chimiche tradizionali produttrici di colori verso imprese ad alta tecnologia, più competitive, più innovative e sviluppatrici di processi chimici sostenibili. All’interno del progetto è previsto un work-package completamente dedicato alla valutazione LCA che, in maniera iterativa, ha l’obiettivo di affiancare tutto il lavoro di sviluppo e up-scale del processo di tintura per la determinazione delle criticità e degli impatti ambientali.

2. Caso Studio e Aspetti Metodologici Il caso studio consiste nell'analisi del processo di tintura della lana a partire dai dati primari forniti dai partner del consorzio BISCOL per le varie fasi della filiera descritte nel paragrafo 1.1. I confini del sistema analizzato sono riportati in Figura 1: si tratta di un'analisi di tipo gate-to-gate che inizia con il lavaggio-purgatura del tessuto in entrata e termina con l'asciugatura del tessuto stesso in uscita. Nell'analisi è compresa la fase di produzione degli ausiliari e dei coloranti. L'unità funzionale scelta è 1 kg di tessuto trattato, come già riportato in letteratura (Yuan et al., 2012; Steimberg et al., 2009). I dati secondari sono stati presi dal database Ecoinvent v 2.2 e da dati presenti nella letteratura scientifica. I processi a monte e a valle della filiera di nobilitazione non sono inclusi nel sistema perchè la produzione di fibre tessili e le operazioni di finissaggio e confezionatura dei prodotti colorati in uscita dal sistema esulano dal contesto di ricerca e di applicazione del progetto. Le operazioni di depurazione delle acque reflue sono state modellizzate sulla base delle informazioni fornite dai partner.

LAVAGGIO PURGATURA

PRE‐TRATTAMENTO

TINTURA

Raw materialsEnergy

Emissions

LAVAGGIO

SPREMITURA &ASCIUGATURA

OUTPUT(1 kg WOLLEN COLOURED FABRIC)

INPUT(1 kg WOLLEN FABRIC)

Raw materialsEnergy

Raw materialsEnergy

Heat (vapour)

Raw materialsEnergy

EnergyHeat

Emissions

Emissions

Emissions

SINTESI COLORANTI

PRODUZIONE AUSILIARI

Emissions

Transport

Transport

Figura 1: Confini del sistema analizzato per il processo di tintura di 1 kg di tessuto di lana

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Il mix energetico considerato è quello europeo e i trasporti sono stati calcolati sulla base delle distanze reali tra le rispettive sedi dei partner coinvolti. Essendo il progetto BISCOL ancora in fase di svolgimento, ci si aspetta che i risultati preliminari ottenuti sin qui possano subire lievi variazioni, ma già a questo livello di analisi risultano evidenti le migliori performance ambientali del processo proposto. Il software utilizzato per l'analisi è il Simapro 3.3. La valutazione e il confronto degli impatti sono stati condotti sulla base di tre principali categorie: global warming potential (GWP) per gli impatti atmosferici, abiotic depletion (AD) per il consumo di risorse e water depletion (WD) per i consumi di acqua. Inoltre, per una valutazione dell'energia primaria necessaria per i due processi, abbiamo messo a confronto i valori dell'indicatore calcolato col metodo CED (Cumulative Energy Demand). 3. Risultati e discussione Come si vede nei grafici riportati in Figura 2, il peso energetico del processo BISCOL presenta un valore assoluto che è circa la metà rispetto al processo convenzionale. Questo risultato è dovuto al risparmio in termini di energia primaria ottenuto con il pre-trattamento al plasma, che necessita di tempi di operazione inferiori, e alle formulazioni innovative degli agenti additivanti che permettono di lavorare a temperature più basse nella fase di tintura. Quest'ultima contribuisce maggiormente al valore dell'indicatore nel caso del processo BISCOL perchè comprende il processo di bio-sintesi del colorante che a questo livello non ha ancora raggiunto le rese ottimali attese e permette la produzione di quantità limitate di colorante. L'ulteriore recente implementazione del bio-reattore nell'ultima fase del progetto ha fornito risultati molto incoraggianti in questo senso.

2%

45%

51%

1%1%

Processo Convenzionale

121 MJ 3%

1%

90%

3%

3%

Processo Biscollavaggio purga

pre‐trattamento 

tintura 

lavaggio purga

spremitura e asciugatura

trasporto

58 MJ

Figura 2: CED del processo relativo alla tintura di 1 kg di tessuto di lana con processo convenzionale e con processo BISCOL

I potenziali benefici ambientali ottenibili con il processo BISCOL su scala industriale sono evidenti anche in termini di GWP come mostrato in Figura 3. La sostituzione dei metodi classici di sintesi e delle operazioni di pre-

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trattamento a secco e l'impiego di tecnologie di tintura in condizioni di lavoro più favorevoli (temperature più basse e tempi minori di processo) permettono di dimezzare il contributo a questo indicatore.

3,40

6,91

0 2 4 6 8

GWP (kg CO2 eq)

Processo Convenzionale Processo Biscol

Figura 3: GWP100 del processo relativo alla tintura di 1 kg di tessuto di lana con processo convenzionale e con processo BISCOL

Lo stesso andamento si riscontra per il consumo di acqua, che è un tema cruciale per la filiera dei processi di lavorazione delle fibre tessili. La sostituzione di trattamenti a umido con trattamenti a secco e la sintesi enzimatica di biocoloranti, che permette il riutilizzo dell'acqua per più cicli produttivi all'interno del bio-reattore, consentono un risparmio notevole come mostrato in Figura 4. Gli stessi processi, che richiedono minori quantità di reattivi a parità di qualità del prodotto, consentono anche un risparmio di risorse primarie che fa diminuire il consumo di materia abiotica per unità di prodotto.

6,59E‐02

2,69E‐02

1,26E‐01

5,49E‐02

0,00 0,04 0,08 0,12 0,16

WD (m3)

AD (kg Sb eq)

Processo Convenzionale Processo Biscol

Figura 4: Indicatori relativi alle categorie di impatto Abiotic Depletion e Water Depletion per il processo di tintura di 1 kg di tessuto di lana con processo convenzionale e con processo

BISCOL

4. Conclusioni Lo studio presentato in questo lavoro mette in evidenza come l'LCA possa fornire un valido supporto per la valutazione delle possibili conseguenze sull'ambiente e sulla salute umana associate alle diverse scelte tecnologiche nel settore del tessile. L'analisi si è basata sul confronto tra il processo convenzionale di tintura del tessile e un processo innovativo, sviluppato e implementato su scala pilota all'interno del Progetto BISCOL, basato sull'ottimizzazione ecologica dell’intero processo di tintura, dalle materie prime

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al prodotto finito, attraverso un metodo di pre-trattamento al plasma, la sintesi di coloranti per via enzimatica e la produzione di ausiliari a basso peso molecolare in grado di aumentare la colorabilità delle fibre.

I risultati calcolati per alcune categorie di impatto mostrano che l'integrazione di queste tecnologie innovative porta ad un aumento dell'efficienza dei processi tintoriali con la conseguente riduzione del consumo di acqua ed energia di circa il 50% per unità di prodotto. Inoltre, a parità di qualità del prodotto, si ottengono evidenti benefici per il consumo di risorse primarie grazie alla minore quantità di composti e additivi necessari per il completamento del processo.

L'analisi mette in rilievo l'utilità della metodologia LCA in fase di progettazione di processo (eco-progettazione) ed il ruolo fondamentale che riveste per tracciare una mappa del profilo ambientale, e quindi delle opportunità di ottimizzazione di tecnologie innovative nell'ottica di un miglioramento della competitività e del potenziale di crescita del settore tessile.

La collaborazione tra i partner del consorzio che ha reso possibile l'accesso a dati primari e specifici per le tecnologie analizzate e, quindi, la realizzazione di questo studio preliminare, sarà auspicabilmente utile per l'ampliamento della banca dati di LCA nel settore dei prodotti e dei processi innovativi per il tessile.

5. Ringraziamenti Lo studio si è svolto nell'ambito del Progetto BISCOL “Bioprocessing for Sustainable production of COLoured textiles”, Eco/09/2561612

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