Produrre energia dalle trebbie di birra grazie alla microbiologia

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Un innovativo modello di economia circolare prevede la conversione del lievito esausto e delle trebbie in energia grazie ai batteri.

Il processo di produzione della birra

Il processo di produzione della birra si compone di 4 fasi principali (Fig.1). In particolare, le prime due consistono nella preparazione del malto e nell’ammostamento; la terza è rappresentata dalla fermentazione degli zuccheri (glucosio, maltosio, maltotriosio) in etanolo; mentre l’ultima consiste nella filtrazione e nell’imbottigliamento.

Rappresentazione schematica delle principali fasi di produzione della birra.
Figura 1 – Rappresentazione schematica delle principali fasi di produzione della birra.

Nella produzione della birra vengono utilizzate principalmente due specie di lieviti, entrambi appartenenti al genere Saccharomyces (Fig. 2):

  1. Saccharomyces pastorianus: è il lievito utilizzato per la produzione delle birre in stile lager.
  2. Saccharomyces cerevisiae: è l’organismo modello dei lieviti nonché il microrganismo d’eccellenza per la produzione delle birre in stile ale.
Fotografia al microscopio di cellule del lievito S. pastorianus (a sinistra) e del lievito S. cerevisiae (a destra).
Figura 2 Fotografia al microscopio di cellule del lievito S. pastorianus (a sinistra) e del lievito S. cerevisiae (a destra).

Da scarto a risorsa: le trebbie di birra

La birra è una delle bevande più vendute e bevute al mondo. Tuttavia, il suo processo di produzione comporta anche la produzione di scarti o rifiuti. Essi sono principalmente rappresentati da trebbie di birra, lievito esausto e acque di processo non purificate.

Le trebbie di birra (Fig. 3) sono costituite dal residuo dell’estrazione a caldo del cereale maltato. Esse comprendono gli involucri esterni della granella e le frazioni che non hanno subito solubilizzazione nel processo di maltaggio e ammostamento. Inoltre, nelle trebbie sono presenti quantità variabili di amido e destrine non saccarificate. La presenza di principi nutritivi varia nelle trebbie in funzione dei metodi di ammostamento e, più ancora, delle caratteristiche del cereale impiegato.

Trebbie di scarto ottenute dal processo di produzione della birra
Figura 3 Trebbie di scarto ottenute dal processo di produzione della birra

Sebbene trebbie di birra e lievito esausto siano considerati rifiuti organici, il loro contenuto residuale di proteine, amminoacidi, zuccheri e grassi li rende un’ottima materia prima per la produzione di energia, sotto forma di biogas, mediante il processo di digestione anaerobica ad opera di batteri.

Biogas ed energia pulita

Tra le fonti energetiche pulite e rinnovabili, biogas e bio-metano si confermano risorse fondamentali all’interno di una strategia di progressiva decarbonizzazione del sistema energetico nazionale.

Essi sono prodotti mediante digestione anaerobica. Quest’ultima è un processo biotecnologico per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene degradata e convertita in bio-combustibile ad opera di differenti specie di batteri anaerobi.

I prodotti di tale processo biotecnologico sono rappresentati dal biogas, costituito per il 50-75% da biometano (CH4), per il 25-45% da biossido di carbonio (CO2) e per una piccola percentuale da altri gas come vapore acqueo (2-7%), idrogeno solforato (H2S) (20-20.000 ppm) e ammoniaca (NH3). A questa frazione di natura gassosa, si aggiunge quella di natura solida rappresentata dal digestato, ossia il materiale organico ed inorganico non assimilato dai batteri (Fig. 4).

Rappresentazione schematica delle principali molecole coinvolte nel processo di digestione anaerobica.
Figura 4 – Rappresentazione schematica delle principali molecole coinvolte nel processo di digestione anaerobica.

Digestione anaerobica

La digestione anaerobica può essere suddivisa in quattro fasi:

1) idrolisi, ossia conversione delle macromolecole costituenti le biomasse in composti piĂą semplici come monosaccaridi, amminoacidi e acidi grassi;

2) acidogenesi, ossia la bioconversione delle molecole organiche semplici in acidi grassi volatili (es. acido acetico, propionico, butirrico e valerico), con produzione di ammoniaca, anidride carbonica e acido solfidrico come sottoprodotti;

3) acetogenesi, ossia la conversione degli acidi grassi volatili in biossido di carbonio, idrogeno e acido acetico;

4) metanogenesi, corrispondente alla fase di produzione di metano, biossido di carbonio e acqua.

Tra le specie microbiche meglio studiate coinvolte nella digestione anaerobica vi sono i batteri metanogeni acetotrofi appartenenti alle specie Methanosarcina barkeri, Methanococcus mazei e Methanotrix soehngenii ed al genere Methanobrevibacter. Tali batteri sono in grado di idrolizzare le trebbie di birra e le cellule esauste ed estrarne le componenti nutritive da utilizzare come substrato di crescita.

Un modello di economia circolare

Ciò che rappresenta lo scarto di uno dei processi microbiologici più antichi al mondo, ossia la fermentazione alcolica, può rappresentare il substrato per altri microrganismi in un secondo processo biotecnologico.

Ciò esprime al meglio il concetto di processi produttivi integrati ed economia circolare, in cui uno scarto, come ad esempio le trebbie di birra, non viene smaltito ma riutilizzato come risorsa. Ed in un processo integrato di questo tipo è possibile immaginare una collaborazione tra lieviti e batteri, dove i primi forniscono la fonte di carbonio per i secondi.

Infine, l’energia elettrica prodotta dalla combustione del biogas permetterebbe agli impianti di produzione della birra di essere autosufficienti da un punto di vista energetico o, in caso di produzione insufficiente di energia, di ridurre almeno i costi di mantenimento dell’impianto, in accordo con i nuovi modelli di industria sostenibile.

Nicola Di Fidio

Fonti:

Sitografia:
Bibliografia:
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  • Sosa-Hernández, O., Parameswaran, P., Alemán-Nava, G. S., Torres, C. I., Parra-SaldĂ­var, R. (2016). Evaluating biochemical methane production from brewer’s spent yeast. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 43(9), 1195-1204.
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Crediti immagini:
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