Power-to-Protein: le proteine sostenibili per l’ambiente

Tutti abbiamo in mente la scena di un film di fantascienza in cui i cibi del futuro sono degli “intrugli” di proteine, pillole colorate contenenti tutti le sostanze nutrienti essenziali, oppure cibi tradizionali ma di origine sintetica, come la pizza che si idrata, conservata in piccoli sacchetti e pronta a diventare fino venti volte più grande per la gioia di tutta la famiglia oppure i noodle dei chioschi che affollano le strade della Los Angeles di Blade Runner. Negli stessi film di fantascienza spesso si parla di una terra spremuta dall’ingordigia e dalla poca lungimiranza umana, dove gli animali sono un privilegio per una ristretta cerchia di persone, di certo non quelle comuni.

Si stima che la popolazione umana raggiungerà i 9,6-12,3 miliardi di persone entro il 2100, in altri termini significa una produzione di proteine animali e vegetali, necessarie per soddisfare il fabbisogno umano, non sostenibile da un punto di vista ambientale.  Infatti, gli allevamenti, maggiormente quelli di bovini, così come l’agricoltura intensiva rappresentano una tra le principali cause di inquinamento dell’atmosfera, tra emissioni del bestiame e deforestazione per far spazio ai pascoli, uso di acqua dolce, degrado del suolo e perdita della biodiversità per le grandi coltivazioni.

In questo momento critico della storia umana, è urgentemente prendere in considerazione alternative ai mezzi convenzionali di produzione alimentare. Da diverso tempo si parla della produzione di carne in laboratorio, la famosa “bistecca da laboratorio” generata a partire da cellule animali, ma si parla ancora poco della produzione di proteine per l’alimentazione umana e per i mangimi sfruttando i microorganismi, nonché dell’alimentazione direttamente con la biomassa generata dai microorganismi stessi. Le proteine prodotte sfruttando i microorganismi prendono il nome di proteina singola cellula (SCP).

Hamburger artificiale creato in vitreo dall'università di Maastricht e presenta in una conferenza a Londra nel 2013
Figura 1 – Hamburger artificiale creato in vitreo dall’università di Maastricht e presenta in una conferenza nel 2013

In realtà, va detto che l’utilizzo dei microorganismi come fonte di alimenti e mangimi è un concetto vecchio, ne esistono diversi esempi come il Lago Chad in Africa, dove la biomassa della spirulina (chiamata localmente come Dihé ) viene raccolta ed essiccata in biscotti oppure in Germania, durante la prima guerra mondiale, venne messa in atto una produzione su larga scala di lievito per sostituire le fonti precedentemente importate di alimenti proteici. Al momento, però sul mercato esistono solo pochi prodotti microbici alimentari venduti al consumo umano. Le creme sandwich derivate da estratti di lievito di birra esausto sono state consumate dall’inizio del XX secolo a partire dal mercato inglese,  il sostituto della carne Quorn, derivato dal fungo filamentoso Fusarium venenatum , è disponibile in commercio nel Regno Unito dal 1985 ed è ora venduto anche in molti altri paesi del mondo. Probabilmente la difficoltà ad inserire prodotti di derivazione microbica nel mercato alimentare è in parte legata alla diffidenza nei confronti degli stessi microorganismi che sono in genere visti come la causa di infezioni e malattie.

Una delle soluzioni che sta emergendo nell’ultimo periodo, ancora migliore da un ponto di vista di sostenibilità ambientale rispetto alla produzione di SCP, si concentra sui prodotti di rifiuto come l’azoto e l’anidrite carbonica che potrebbero essere riciclati e convertiti in proteine commestibili.

Figura 2 – Rappresentazione della sostenibilità ambientale delle diverse tipologie di produzione di proteine vegetali

Un gruppo di ricerca dell’Università di Tubinga guidato dal professor Lars Angenent del Center for Applied Geosciences, ha pubblicato sulla rivista scientifica Joule una ricerca finalizzata alla comprensione di come la popolazione mondiale in crescita potrebbe essere rifornita di proteine ​​senza ricorrere all’utilizzo dell’agricoltura convenzionale. Lo studio prevede l’utilizzo l’approccio “power-to-protein” in cui le proteine ​​sono prodotte, sfruttando i microorganismi, direttamente con ingredienti di base recuperati, come l’anidride carbonica e l’ammoniaca, attraverso la biotecnologia. Si tratta di una tecnologia innovativa e soprattutto sostenibile che rientra nel più ampio concetto di economia circolare.

Tecnologia Power-to-protein

La tecnologia power to protein è stata ideata dal professore emerito all’Università di Gand, prof. Willy Verstraete, in collaborazione con suoi partner di ricerca, il KWR Watercycle Research Institute.

La base della tecnologia vede un processo di sintesi microbica altamente efficiente con una coltura mista di batteri litotrofici che usano l’idrogeno come fonte di energia, sfruttando anidride carbonica, ammonio e ossigeno per produrre proteine. Perché questo processo sia funzionale, tuttavia, è necessaria una fonte di energia elettrica rinnovabile per fornire idrogeno dall’elettrolisi dell’acqua come donatore di elettroni. L’idea del professore Willy Verstraete prevede l’accoppiamento del Power-to-Protein al ciclo delle acque reflue, in cui l’ammonio viene estratto dall’acqua di scarto a seguito del trattamento con i fanghi attivi. Attraverso questo processo si ha quindi la produzione delle proteine a partire da materiali di scarto. 

La figura seguente illustra in dettaglio il processo per la produzione di proteine mediante la tecnologia power-to protein
Figura 3 – Rappresentazione del processo power-to-protein per la produzione di proteine

I materiali necessari:

  • L’NH + (ammonio): l’acqua di scarto del trattamento con fanghi contiene elevate concentrazioni di ammonio che possono essere recuperate in modo efficace mediante stripping dell’aria. Ad oggi generalmente viene convertito in gas azoto tramite nitrificazione e denitrificazione.
  • 2: L’idrogeno può essere prodotto mediante elettrolisi dell’acqua, in modo sostenibile ad esempio utilizzando l’elettricità in eccesso durante le ore non di punta oppure utilizzando fonti di energia rinnovabili.
  • CO 2: L’anidride carbonica viene anche rilasciata nel passaggio da biogas a bio-metano. Vi sono inoltre innumerevoli altre potenziali fonti in ambienti urbani e industriali come l’agricoltura stessa.

Con le tecnologie del futuro, la percezione delle acque reflue non come rifiuti ma piuttosto una risorsa per acqua, energia, sostanze nutritive e altri componenti sta diventando sempre più diffusa. In un’economia circolare il recupero e il riutilizzo di tali risorse è fondamentale. Il concetto Power-to-Protein si adatta perfettamente all’economia circolare focalizzandosi sul recupero e la valorizzazione dell’ammonio dal ciclo delle acque reflue.

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