Dalle raffinerie alle bioraffinerie grazie a batteri, lieviti e microalghe

L’attuale produzione industriale di materiali ed energia è basata sul massiccio impiego di risorse fossili non rinnovabili. Lo sfruttamento di queste risorse ha un impatto negativo sull’ambiente, essendo causa diretta o indiretta di produzione e rilascio di gas ad effetto serra. Inoltre, la scarsissima biodegradabilità delle plastiche convenzionali sintetizzate per via chimica da derivati del petrolio ne ha comportato l’accumulo in comparti ambientali sia terrestri sia marini, con gravi danni agli ecosistemi interessati.

Una soluzione per la produzione di energia pulita e la produzione di plastiche biodegradabili è rappresentata dall’impiego di sottoprodotti e/o residui di natura organica quali materie prime alternative al petrolio.

In questo contesto, è nato il concetto di bioraffineria. Per analogia con le raffinerie da petrolio, una bioraffineria è una piattaforma tecnologica complessa destinata a produrre, a partire da biomasse, una vastissima gamma di bioprodotti di interesse industriale, materie prime per prodotti chimici, additivi, biocombustibili ed energia (Fig. 1).

Fig. 1 – Rappresentazione schematica dei diversi schemi di processo delle bioraffinerie.

La bioraffineria è un sistema che integra processi di conversione della biomassa di natura chimica, fisica o microbiologica, purché a basso impatto ambientale. L’obiettivo è utilizzare le diverse componenti della biomassa (amido, olio, cellulosa, emicellulosa, proteine, lignina) per la produzione di composti chimici ad elevato valore aggiunto per l’industria, o di molecole (glicerina, acido lattico, acido levulinico) destinate a successive trasformazioni chimico-fisiche ed enzimatiche e/o sintesi organiche.

Le bioraffinerie possono essere classificate in tre generazioni in funzione della tipologia di biomassa utilizzata: quelle di prima generazione si basano su biomasse amidacee appartenenti però alla filiera alimentare; quelle di seconda generazione si basano sulla valorizzazione delle biomasse lignocellulosiche e/o residuali; quelle di terza generazione si basano sull’utilizzo delle microalghe.

La produzione di bioprodotti può avvenire mediante l’implementazione di processi termochimici, fisici e di bioconversione. In quest’ultimo caso, a determinare la fattibilità tecnica ed economica di un processo industriale sono soprattutto le performance produttive dei microrganismi coinvolti.

Gli zuccheri prodotti dall’idrolisi delle biomasse (soprattutto per via enzimatica) possono essere utilizzati come substrato per la fermentazione in altre molecole ad alto valore commerciale come ad esempio alcoli, acidi organici, amminoacidi, lipidi e terpeni grazie a microrganismi differenti (Fig. 2).

Figura 2 – Rappresentazione schematica delle classi di molecole ad alto valore commerciale prodotte in processi di bioraffineria ed i rispettivi microrganismi produttori in processi di fermentazione.

Nel complesso, queste molecole trovato applicazione nell’industria energetica (es. etanolo, trigliceridi), nell’industria delle bioplastiche (es. acido lattico, poliidrossialcanoati, 2,3-butandiolo), nell’industria alimentare (es. acido citrico, mannitolo, monosaccaridi) e nell’industria della chimica fine (es. 5-idrossimetilfurfurale, acido levulinico, composti aromatici).

Tra le principali specie microbiche coinvolte in processi di bioraffineria già convalidata o in fase di sviluppo vi sono: i lieviti Saccharomyces cerevisiae (etanolo), Cryptococcus curvatus (trigliceridi), i batteri Clostridium acetobutylicum (butanolo), Klebsiella oxytoca (2,3-butandiolo), Lactobacillus acidophilus (acido lattico), Actinobacillus succinogenes (acido succinico), Bacillus subtilis (poliidrossialcanoati), e le microalghe Dunaliella salina (ẞ-carotene), Pavlova salina (omega-3), Botryococcus braunii (lipidi) e Euglena gracilis (biotina e vitamina E).

Sitografia

Bibliografia

  • Biorefineries: Biofuels, Biochemicals And Bioproducts in Biofuels Production and Processing Technology, M.R. Raze, David Chiaramonti (Eds) (2017) De Bari, I., Cuna, D., Di Fidio, N. ISBN 9781498778930 – CAT# K29842 – CRC Press Taylor & Francis Group.
  • Donzella Lorena (2017) Bioconversione di idrolizzati di biomasse lignocellulosiche e sottoprodotti della filiera bioenergetica mediante lieviti oleaginosi. Tesi di Laurea magistrale in “Biotecnologie delle Fermentazioni”. Università degli Studi di Bari “Aldo Moro”

Crediti immagini

  • https://www.iea-bioenergy.task42-biorefineries.com/en/ieabiorefinery.htm
  • https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/1754-6834-5-48

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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