Caso studio di economia circolare: siero di latte in bioidrogeno

L’economia circolare

Secondo la definizione della Ellen MacArthur Foundationeconomia circolare” è un termine generico per definire un’economia pensata per potersi rigenerare da sola. In un’economia circolare i flussi di materiali sono di due tipi: quelli biologici, in grado di essere reintegrati nella biosfera, e quelli tecnici, destinati ad essere rivalorizzati senza entrare nella biosfera.

L’economia circolare è dunque un sistema economico pianificato per riutilizzare i materiali in successivi cicli produttivi, riducendo al massimo gli sprechi.

Il modello economico linearetake-make-dispose” si basa sull’accessibilità di grandi quantità di risorse ed energia ed è sempre meno adatto alla realtà in cui ci troviamo ad operare. Le iniziative a sostegno dell’efficienza, che lavorano per la riduzione delle risorse e dell’energia fossile consumata per unità di produzione, da sole possono ritardare la crisi del modello economico, ma non sono sufficienti a risolvere i problemi dati dalla natura finita degli stock.

Si pone quindi come necessaria la transizione dal modello lineare ad un modello circolare, che nella considerazione di tutte le fasi, dalla progettazione, alla produzione, al consumo, fino alla destinazione a fine vita, sappia cogliere ogni opportunità di limitare l’apporto di materia ed energia in ingresso e di minimizzare scarti e perdite, ponendo attenzione alla prevenzione delle esternalità ambientali negative e alla realizzazione di nuovo valore sociale e territoriale.

I principi dell’economia circolare

Adottare un approccio circolare significa rivedere tutte le fasi della produzione e prestare attenzione all’intera filiera coinvolta nel ciclo produttivo. Questa attenzione passa per il rispetto di alcuni principi di base, che la Fondazione Ellen Mc Arthur ha individuato in 5 criteri fondamentali:

  1. ECO PROGETTAZIONE: progettare i prodotti pensando fin da subito al loro impiego a fine vita, quindi con caratteristiche che ne permetteranno lo smontaggio o la ristrutturazione;
  2. MODULARITÀ E VERSATILITÀ: dare priorità alla modularità, versatilità e adattabilità del prodotto affinché il suo uso si possa adattare al cambiamento delle condizioni esterne;
  3. ENERGIE RINNOVABILI: affidarsi ad energie prodotte da fonti rinnovabili favorendo il rapido abbandono del modello energetico fondato sulle fonti fossili;
  4. APPROCCIO ECOSISTEMICO: pensare in maniera olistica, avendo attenzione all’intero sistema e considerando le relazioni causa-effetto tra le diverse componenti;
  5. RECUPERO DEI MATERIALI: favorire la sostituzione delle materie prime vergini con materie prime seconde provenienti da filiere di recupero che ne conservino le qualità.

Bioenergia e bioidrogeno

La crescente produzione di rifiuti organici e le sempre maggiori richieste di energia hanno provocato notevoli problemi di inquinamento ambientale. Per affrontare questa situazione, da più di 20 anni, la comunità scientifica mondiale ha aumentato i propri sforzi volti allo sviluppo di processi di produzione di biocarburanti a partire da risorse rinnovabili (es. biomasse) o da scarti di altri processi produttivi, in un’ottica di processo integrato ed economia circolare.

Insieme al bioetanolo, al biodiesel e al biometano, una quarta tipologia di biocombustibile è il bioidrogeno. Per la produzione di quest’ultimo è possibile sfruttare il potenziale di diversi batteri in grado di produrre biogas/bioidrogeno da rifiuti organici come fonte di energia rinnovabile. Tuttavia, quasi tutti i batteri alto produttori di bioidrogeno sono patogeni per l’uomo per cui non sono sicuri da usare senza un rigoroso isolamento da contatto. Ciò pone tutta una serie di problematiche e limitazioni per lo scale-up su scala industriale della produzione di questa fonte energetica sostenibile e green.

La soluzione microbiologica

Un recente studio del 2019 ha dimostrato come il batterio Lactobacillus acidophilus (Fig. 1), non patogeno per l’uomo ma, al contrario, benefico per esso, sia uno dei maggiori produttori di biogas ad un pH ottimale di 6.5.

Figura 1 – Immagine SEM di cellule del batterio Lactobacillus acidophilus.

Il L. acidophilus è un batterio Gram-positivo, non sporigeno, catalasi negativo e microaerofilo. È in grado di produrre acido lattico come maggior prodotto della fermentazione del glucosio. Ha notevoli effetti benefici per l’uomo, quali la produzione di composti inibitori della crescita di altri microrganismi patogeni e l’eliminazione delle tossine prodotte da batteri proteolitici.

Lo studio

In questo studio è stato indagato l’efficienza di alcuni batteri lattici (Lactobacillus spp.) nella produzione di biogas a partire dagli scarti di produzione del formaggio contenenti una concentrazione di glucosio pari a 32 g/L.

Durante l’indagine è stata osservata una produzione massima di biogas di 1665 ml dopo 72 ore di incubazione a pH 6.5. La produzione di biogas è stata accompagnata dalla produzione di altri metaboliti preziosi sotto forma di acidi organici tra cui piruvato, propionato, acetato, lattato, formiato e butirrato.

In particolare, sono state confrontate le specie batteriche L. acidophilus, L. casei, L. paracasei, Lactococcus ed E. coli (Fig. 2).

Figua 2 – Confronto della produzione di bioidrogeno a partire da siero di latte tra diverse specie batteriche.

I risultati ottenuti hanno mostrato come il L. acidophilus sia il microorganismo più efficiente nella conversione del siero di latte in bioidrogeno.

Inoltre, è stato indagato anche l’effetto del pH sul processo di conversione di questo rifiuto in risorsa (Fig. 3).

Figura 3 – Effetto del pH sul processo fermentativo di conversione del siero di latte in bioidrogeno.

Il valore ottimale per la produzione di biogas è risultato 6.5.

Il potenziale della scoperta

In conclusione, questa ricerca ha gettato le basi per il superamento di uno dei limiti maggiori nella produzione su scala industriale di bioidrogeno grazie all’utilizzo di specie batteriche non patogene per l’uomo in grado di convertire un rifiuto industriale, quale il siero di latte, in un biocarburante, come il bioidrogeno, in un’ottica di economia circolare e sviluppo sostenibile.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Bibliografia

  • Pandey, A., Srivastava, S., Rai, P., & Duke, M. (2019). Cheese whey to biohydrogen and useful organic acids: A non-pathogenic microbial treatment by L. acidophilus. Scientific reports, 9(1), 8320.

Crediti immagini

  • https://fineartamerica.com/featured/7-lactobacillus-acidophilus-scimat.html?product=poster
  • Singh, A. L., & Sarma, P. N. (2010). Removal of arsenic (III) from waste water using Lactobacillus acidophilus. Bioremediation Journal, 14(2), 92-97.
  • Pandey, A., Srivastava, S., Rai, P., & Duke, M. (2019). Cheese whey to biohydrogen and useful organic acids: A non-pathogenic microbial treatment by L. acidophilus. Scientific reports, 9(1), 8320.

Informazioni su Nicola Di Fidio 48 Articoli
Nicola Di Fidio, Ph.D. student Department of Chemistry and Industrial Chemistry - University of Pisa Via G. Moruzzi 13 - 56124 Pisa MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies Mob: +39 3299740251 Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

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