Biocatalizzatori per la produzione di acidi carbossilici in moderni schemi di bioraffineria

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Gli acidi carbossilici

Gli acidi carbossilici o acidi organici sono tradizionalmente prodotti da fonti fossili e hanno notevoli e innumerevoli applicazioni nell’industria chimica, farmaceutica, alimentare e dei combustibili. Tra gli acidi carbossilici più importanti vi sono l’acido acetico, l’acido piruvico, l’acido propionico, l’acido butirrico e l’acido lattico (Fig. 1).

Struttura chimica di alcuni esempi di acidi carbossilici di interesse industriale.
Figura 1 – Struttura chimica di alcuni esempi di acidi carbossilici di interesse industriale.

Da un punto di vista chimico, gli acidi carbossilici sono molecole polari e possono formare legami idrogeno sia con sé stessi sia con altre molecole. Quest’ultima caratteristica determina il fatto che sono caratterizzati da un elevato punto di ebollizione.

I più leggeri tra gli acidi carbossilici, fino a tre atomi di carbonio, sono composti solubili in acqua con odori pungenti; i successivi sono liquidi oleosi con un alto punto di ebollizione. Al crescere del peso molecolare, gli acidi carbossilici diventano solidi cerosi bassofondenti.

Inoltre, essi sono acidi deboli rispetto ai tradizionali acidi inorganici, come l’acido solforico e l’acido cloridrico. L’insieme di queste caratteristiche li rende molecole estremamente versatili.

Applicazioni degli acidi organici

L’acido acetico trova principale applicazione nell’industria alimentare come componente dell’aceto e in diverse altre preparazioni alimentari. Inoltre, esso è utilizzato anche nell’industria dei polimeri sia per la sintesi dell’alcol polivinilico (PVA) sia come solvente green.

L’acido propionico ha diversi usi, ma la sua applicazione principale consiste nella conservazione di cereali e mangimi per animali. Le altre sue applicazioni riguardano l’industria chimica e includono la produzione di esteri, erbicidi e intermedi farmaceutici.

L’acido butirrico è molto usato come additivo alimentare, grazie alle sue caratteristiche di aromatizzante. Esso è usato anche nelle formulazioni di prodotti cosmetici e farmaceutici, tra cui farmaci antitumorali. Infine, l’acido butirrico trova applicazione nel mercato dei profumi grazie al suo aroma fruttato se modificato chimicamente.

L’acido lattico è una delle molecole che stanno attirando maggiori attenzioni in microbiologia industriale negli ultimi anni, grazie alle sue promettenti applicazioni nel mondo della chimica verde. Esso, infatti, viene utilizzato per la sintesi di tante altre sostanze, tra cui l’acido piruvico, l’acido acrilico, l’1,2-propandiolo e il lattato di etile. Quest’ultime stanno gradualmente sostituendo diversi solventi organici tossici nei tradizionali processi industriali, favorendone la sostenibilità ambientale.

Infine, la sua applicazione più “famosa” consiste nella polimerizzazione per la sintesi dell’acido polilattico (PLA), una delle bioplastiche più promettenti in quanto biodegradabili (Fig. 2).

Schema di reazione della sintesi della bioplastica PLA a partire dall’acido lattico.
Figura 2 – Schema di reazione della sintesi della bioplastica PLA a partire dall’acido lattico.

Acidi carbossilici, biocatalisi e bioraffinerie

Uno degli obiettivi delle biotecnologie industriali moderne è quello di sostituire la produzione da fonti fossili di queste molecole con processi sostenibili a partire da risorse rinnovabili, come le biomasse.

L’insieme delle piattaforme tecnologiche e dei flussi di materia ed energia che caratterizzano questi processi prende il nome di bioraffinerie (Fig. 3).

Rappresentazione schematica dei concetti di raffineria tradizionale e di bioraffineria.
Figura 3 – Rappresentazione schematica dei concetti di raffineria tradizionale e di bioraffineria.

Nei moderni modelli di bioraffineria, un ruolo chiave è svolto dai microrganismi in quanto fungono da biocatalizzatori per la conversione degli zuccheri ottenuti da biomasse di prima, seconda e terza generazione in acidi organici.

La biocatalisi, ossia la catalisi di reazioni chimiche da parte di cellule o enzimi, è oggi una tecnica consolidata per la sintesi organica, sia nella ricerca accademica sia nell’industria, e rappresenta una strategia cruciale in quella che viene definita “chimica sostenibile” o Green Chemistry.

Alcune proteine enzimatiche di batteri, funghi e animali presentano delle proprietà (es. turnover catalitico, stabilità termica, resistenza ad agenti denaturanti) che possono renderle adatte all’impiego in processi industriali.

Negli ultimi trent’anni vi è stato un significativo aumento dell’impiego di biocatalizzatori industriali per la produzione di molecole ad alto valore aggiunto, in quanto un processo di produzione industriale condotto mediante biocatalisi presenta spesso il vantaggio di essere ecocompatibile, privo di costosi smaltimenti di solventi o prodotti indesiderati, ma soprattutto caratterizzato da una straordinaria chemo-, regio- ed enantioselettività.

La fermentazione di zuccheri in acidi carbossilici

Ad oggi, l’applicazione della biocatalisi su scala industriale è possibile attraverso l’ottimizzazione del biocatalizzatore in funzione sia del substrato e della reazione che dovrà catalizzare, sia delle condizioni di reazione richieste dalla tecnologia industriale.

Le vie biochimiche per la produzione di acidi carbossilici da substrati zuccherini sono oramai ben note. Tuttavia, queste vie biochimiche si basano sull’utilizzo di glucosio, xilosio o fruttosio come substrati singoli puri e non sull’impiego di una miscela zuccherina complessa derivante dal pretrattamento e l’idrolisi (chimica o enzimatica) di biomasse complesse.

Il metabolismo per la sintesi degli acidi carbossili in microrganismi di varia natura usati come biocatalizzatori nei processi di fermentazione su scala industriale è schematizzato in Figura 4.

Rappresentazione schematica delle diverse vie biochimiche in vari microrganismi per la produzione di acido acetico, acido lattico, acido propionico e acido butirrico.
Figura 4 – Rappresentazione schematica delle diverse vie biochimiche in vari microrganismi per la produzione di acido acetico, acido lattico, acido propionico e acido butirrico.

I biocatalizzatori maggiormente impiegati

I batteri più impiegati per la produzione di acido acetico (anche a partire dall’anidride carbonica) appartengono ai generi Clostridium e Acetobacterium. Le specie più studiate e utilizzate in processi biotecnologici sono Clostridium thermoaceticum (o Moorella thermoacetica), Acetobacterium woodii e Clostridium ljungdahlii.

Per quanto concerne la produzione di acido butirrico, alcune delle specie più utilizzate a livello industriale includono C. tyrobutyricum, C. acetobutylicum e C. thermobutyricum.

Invece, Paludibacter propionicigenes, Paludibacter jiangxiensis, Clostridium propionicum, C. saccharolyticum e C. thermocelluum sono i maggiori produttori di acido propionico a partire da zuccheri. Insieme a questi, le specie batteriche Propionibacterium acidipropionici e Propionibacterium freudenreichii sono in grado di produrlo usando il glicerolo come fonte di carbonio.

Infine, tra i migliori microrganismi in grado di catalizzare la conversione di diverse fonti carboniose in acido lattico vi sono Lactococcus lactic, Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus casei, Bacillus subtilis e Bacillus coagulans.

La microbiologia offre una vasta gamma di biocatalizzatori in grado di convertire biomasse di varia natura in molecole a elevato valore aggiunto, in un’ottica di economia circolare, chimica verde e processi industriali a basso impatto ambientale. Questi microrganismi, molti dei quali già ampiamenti utilizzati a livello industriale, possono essere utilizzati singolarmente o in co-colture, favorendo la sinergia tra diversi metabolismi tra loro correlati (Fig. 5).

Rappresentazione schematica della combinazione sinergica di diversi metabolismi per la produzione di varie molecole di interesse commerciale attraverso approcci di bioraffineria.
Figura 5 – Rappresentazione schematica della combinazione sinergica di diversi metabolismi per la produzione di varie molecole di interesse commerciale attraverso approcci di bioraffineria.

Le sfide scientifiche del futuro riguarderanno, da un lato, la scoperta di nuovi biocatalizzatori sempre più efficienti nella produzione delle molecole target, dall’altro lato, l’ottimizzazione dei processi di fermentazione al fine di favorire la trasformazione di rifiuti in prodotti, materiali e carburanti a base biologica.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

  • Murali, N., Srinivas, K., & Ahring, B. K. (2017). Biochemical production and separation of carboxylic acids for biorefinery applications. Fermentation, 3(2), 22.
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  • Pinto-Ibieta, F., Cea, M., Cabrera, F., Abanto, M., Felissia, F. E., Area, M. C., & Ciudad, G. (2020). Strategy for biological co-production of levulinic acid and polyhydroxyalkanoates by using mixed microbial cultures fed with synthetic hemicellulose hydrolysate. Bioresource technology, 309, 123323.

Crediti immagini:

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