Lievito, cellulosa e stampa 3D: a Chalmers nasce il materiale bio-based per l’architettura degli interni

Il settore delle costruzioni è responsabile di circa il 30% del consumo globale di materie prime e del 33% della produzione mondiale di rifiuti solidi. Numeri che da soli spiegano perché la ricerca di alternative bio-based, rinnovabili e a fine vita biodegradabili stia diventando uno degli assi portanti dell’innovazione nel campo dei materiali per l’edilizia.

In questo contesto si inserisce la ricerca condotta all’Università Chalmers di Göteborg, in Svezia: un team interdisciplinare ha messo a punto un materiale architettonico interamente di origine biologica, stampabile in 3D, a partire da un ingrediente insolito quanto abbondante — il lievito di birra (Saccharomyces cerevisiae).

Lo studio, pubblicato sulla rivista Frontiers of Architectural Research, è il primo a documentare l’utilizzo del lievito come componente costruttivo in materiali architettonici stampabili in 3D a scala prototipale. Il gruppo di ricerca è guidato dalla professoressa Malgorzata A. Zboinska e dalla dottoranda Yagmur Bektas, entrambe del Dipartimento di Architettura e Ingegneria Civile di Chalmers, con la collaborazione di Cecilia Geijer, Tiina Nypelö e Zeinab Hefny, distribuite tra i Dipartimenti di Life Sciences e di Chimica e Ingegneria Chimica di Chalmers e l’Università Aalto di Helsinki. Il progetto è finanziato dalla Swedish Energy Agency.

Un idrogel bio-based che si stampa come pasta da forno

Il materiale è un idrogel — una massa morbida, gelatinosa e plasmabile — ottenuto combinando cinque ingredienti: lievito di birra disattivato termicamente, cellulosa microfibrillata (MFC) da legno, alginato di sodio da alghe brune, glicerolo di origine vegetale e acqua. Nella formulazione ottimizzata messa a punto dal team, la soluzione di lievito è al 3%, la soluzione acquosa di MFC al 13%, l’alginato di sodio all’1%, il glicerolo al 5%.

Ogni componente svolge una funzione specifica e non intercambiabile. La cellulosa microfibrillata contribuisce alla stabilità dimensionale e alla resistenza a trazione sotto carico. L’alginato garantisce la consistenza necessaria per la stampa 3D. Il glicerolo agisce da plastificante, conferendo flessibilità al materiale. Il lievito non è impiegato per la fermentazione, ma come biomassa: nelle cellule intere disattivate funge da filler volumetrico, nelle cellule omogenizzate disattivate diventa un legante che conferisce viscosità e coesione all’impasto.

Il processo produttivo ricorda la panificazione, ma in ordine parzialmente invertito: prima il lievito viene riscaldato per disattivarlo, poi tutti gli ingredienti vengono mescolati fino a formare una massa omogenea. Da quel punto in poi, entra in scena la manifattura digitale.

Stampa robotica e zero scarti: come si producono le piastrelle

La stampa avviene tramite un sistema di estrusione a pressione d’aria montato su un robot industriale KUKA Agilus KR10. Il processo si svolge a temperatura ambiente, senza forni né strutture di supporto aggiuntive, con un impatto energetico sensibilmente inferiore rispetto alle tecnologie tradizionali di lavorazione dei materiali da costruzione.

Le piastrelle prototipali prodotte nella fase sperimentale misurano 20 cm × 50 cm. I pannelli in configurazione solida hanno registrato un ritiro superficiale del 6% durante l’essiccazione a temperatura ambiente e una deformazione tridimensionale media di appena 0,02 mm — valori che indicano una buona stabilità dimensionale per un materiale di questo tipo.

La stampa 3D offre in questo contesto un vantaggio non secondario: consente di realizzare forme complesse senza generare scarti di produzione, con un controllo preciso su forma, texture superficiale e distribuzione della massa. Il team ha assemblato diciassette piastrelle in uno schermo verticale dimostrativo, combinando configurazioni solide, perforate e a porosità mista: una prova concreta di come il materiale possa adattarsi a diverse funzioni architettoniche e a differenti esigenze di modulazione della luce.

Circolarità, biodegradabilità e potenziale industriale

A differenza dei materiali convenzionali — progettati per durare il più a lungo possibile — questo idrogel bio-based è biodegradabile e può tornare in natura al termine della sua vita utile, in linea con i principi del design circolare e dell’economia dei materiali rinnovabili.

«Questo mette in discussione l’idea convenzionale che i materiali debbano durare per sempre», afferma la professoressa Zboinska. «Possiamo invece pensare in termini di cicli di vita più brevi e considerare l’invecchiamento o la degradazione del materiale come parte integrante del progetto».

Un aspetto non trascurabile riguarda la provenienza delle materie prime. Il lievito di birra presenta un tasso di crescita molto rapido — il suo tempo di raddoppio è di circa 90 minuti — e non richiede ambienti di coltivazione rigidamente controllati. È inoltre disponibile in grandi quantità come sottoprodotto dell’industria birraria e agricola: residui che, quando non sono destinabili all’alimentazione umana o animale, potrebbero trovare nel settore edilizio un utilizzo ad alto valore aggiunto. Anche la cellulosa microfibrillata proviene da scarti di lavorazione del legno e da flussi industriali di pasta di cellulosa.

Sul fronte della sicurezza, l’analisi termogravimetrica ha mostrato che le formulazioni resistono alla decomposizione termica completa oltre i 330°C, un dato che — secondo gli autori — potrebbe avere rilevanza ai fini del comportamento al fuoco per applicazioni in ambienti interni, pur richiedendo approfondimenti specifici.

Verso i materiali viventi ingegnerizzati: il futuro degli ELM in architettura

I risultati dello studio sono promettenti, ma prima di un’applicazione su scala reale sarà necessario completare la valutazione di proprietà come la resistenza meccanica a lungo termine, il comportamento in presenza di umidità, le prestazioni antincendio e le modalità di assemblaggio dei pannelli. Il team ha già individuato le prossime tappe della ricerca, che includeranno anche il scale-up della produzione digitale su formato architettonico.

Lo scenario di lungo periodo è quello degli ELM — Engineered Living Materials, ovvero materiali viventi ingegnerizzati, in cui le proprietà biologiche vengono programmate per svolgere funzioni attive. Nel caso dell’architettura, questo potrebbe significare pannelli autoriparanti, superfici capaci di neutralizzare sostanze inquinanti o di purificare l’aria indoor. Una direzione coerente con le crescenti aspettative sulla qualità dell’ambiente costruito e con la transizione verso edifici sempre più integrati con i cicli naturali.

«Quello che abbiamo ottenuto finora è un primo passo importante verso l’affermazione di una categoria completamente nuova di materiali architettonici», conclude Zboinska. «Stiamo gettando le basi per sviluppi futuri che combinano sostenibilità, funzionalità e progetto in modi del tutto inediti».

FAQ — materiali bio-based

Cos’è un materiale bio-based per l’edilizia?

Un materiale bio-based è ottenuto prevalentemente da materie prime di origine biologica rinnovabile — come piante, alghe, microrganismi o residui organici di processi industriali — in sostituzione di materiali fossili o non rinnovabili come plastiche, resine sintetiche o prodotti petrolchimici. Nell’edilizia, l’interesse per i materiali bio-based è cresciuto in parallelo con le politiche di decarbonizzazione del settore e con i requisiti introdotti dalle direttive europee sull’efficienza energetica e sulla sostenibilità del costruito.

Cosa sono gli Engineered Living Materials (ELM)?

Gli ELM, o materiali viventi ingegnerizzati, sono materiali in cui componenti biologici — microrganismi, cellule, spore — vengono integrati in una matrice per conferire al materiale proprietà funzionali attive: capacità autoriparante, risposta a stimoli ambientali, assorbimento di inquinanti, produzione di sostanze utili. In architettura, rappresentano una delle frontiere più avanzate della ricerca sui materiali del futuro.

La stampa 3D può essere usata per produrre componenti architettonici sostenibili?

Sì. La manifattura additiva — di cui la stampa 3D è la tecnologia principale — consente di produrre componenti con forme complesse senza generare scarti di lavorazione, con un consumo energetico spesso inferiore rispetto alle tecnologie tradizionali. Abbinata a materiali bio-based, offre un percorso verso la produzione circolare di componenti edilizi, con potenziale per la personalizzazione geometrica, la riduzione dei rifiuti e l’utilizzo di materie prime rinnovabili.

Il lievito di birra può davvero essere usato come materiale da costruzione?

Nella ricerca di Chalmers, il lievito non viene impiegato per la fermentazione, ma come biomassa strutturale. Le cellule intere disattivate termicamente funzionano come filler che conferisce volume e stabilità al materiale, mentre le cellule omogenizzate agiscono da legante. Il lievito è selezionato anche per la sua disponibilità come sottoprodotto industriale e per la facilità di produzione: ha un tempo di raddoppio di circa 90 minuti e non richiede ambienti controllati.

Quali materiali edilizi convenzionali potrebbe sostituire il nuovo materiale a base di lievito?

Secondo i ricercatori di Chalmers, il materiale bio-based stampato in 3D è pensato per sostituire, in applicazioni di interior design e architettura d’interni, prodotti oggi realizzati con materie prime non rinnovabili o di origine fossile: gesso, plastiche, tessuti sintetici. Le applicazioni ipotizzate includono schermature modulanti la luce naturale, pannelli a parete, sistemi divisori tra ambienti e rivestimenti interni leggeri.

Consiglia questa notizia ai tuoi amici

Commenta questa notizia