Ramnolipidi: i detergenti del futuro finalmente in commercio grazie alla sinergia tra microbiologia e chimica verde

Detergenti, fungicidi e prodotti per la cura personale contenenti ramnolipidi sono prodotti su scala industriale.

Surfattanti e biosurfattanti: definizione e classificazione

I surfattanti o tensioattivi sono molecole in grado di abbassare la tensione superficiale di un liquido. Inoltre, queste molecole possiedono proprietà schiumogene, bagnanti, detergenti e solubilizzanti, grazie alla loro doppia natura chimica idrofila e lipofila.

I surfattanti di origine microbica, o biosurfattanti, possono essere classificati in quattro gruppi principali sulla base della specie di microrganismo produttore e sulla base della loro struttura chimica: (1) lipopeptidi e lipoproteine; (2) glicolipidi; (3) fosfolipidi; (4) surfattanti polimerici.

I biosurfattanti possono essere classificati anche in base al loro peso molecolare: le molecole a basso peso molecolare vengono definite biosurfattanti, mentre i polimeri ad alto peso molecolare prendono il nome di bioemulsionanti.

Da un punto di vista strutturale, la porzione idrofila dei biosurfattanti è costituita solitamente da carboidrati, peptidi ciclici, amminoacidi, fosfati, acidi carbossilici o alcoli, mentre la porzione idrofobica o lipofila è costituita da lunghe catene di acidi grassi.

La maggior parte dei tensioattivi presenti oggi in commercio sono ottenuti per via sintetica a partire da materie prime di origine fossile. Al contrario, i biosurfattanti sono secreti nell’ambiente extracellulare o derivano da porzioni di membrana cellulare di batteri, lieviti e funghi (Fig. 1). I biosurfattanti maggiormente studiati sono i lipopeptidi prodotti da Bacillus subtilis, i glicolipidi prodotti da Pseudomonas aeruginosa e i soforolipidi isolati da diverse specie del genere Candida.

Fotografia di un microrganismo in grado di secernere nell’ambiente extracellulare biosurfattanti che permettono di intrappolare e recuperare efficacemente la frazione oleosa.
Figura 1 – Fotografia di un microrganismo in grado di secernere nell’ambiente extracellulare biosurfattanti che permettono di intrappolare e recuperare efficacemente la frazione oleosa.

Detergenti naturali e di origine fossile

Tra i detergenti naturali più famosi al mondo vi è senza dubbio il sapone. Da un punto di vista chimico, il sapone è un sale di sodio o di potassio di un acido carbossilico alifatico a lunga catena. Esso si prepara mediante la reazione di saponificazione (idrolisi alcalina) di trigliceridi di origine animale o vegetale. Il sapone funziona da tensioattivo e quindi da detergente in molteplici applicazioni. Il potere pulente della miscela acqua e sapone è attribuibile all’azione delle micelle, ossia piccole particelle sferiche costituite da molecole anfifiliche che posizionano verso l’esterno i gruppi polari idrofili e verso l’interno le code idrofobiche che disciolgono lo “sporco”.

I detergenti sintetici, venduti in commercio anche con il nome di “detersivi”, hanno oramai sostituito quasi del tutto i saponi naturali che attualmente vengono prodotti quasi esclusivamente come saponette da toeletta. Con il termine “detersivo” si intende quindi qualsiasi sostanza chimica sintetica che funzioni da tensioattivo.

Ramnolipidi: i detergenti verdi del futuro

Tra i glicolipidi prodotti da P. aeruginosa, i ramnolipidi rappresentano una classe di composti estremamente promettente in quanto rappresenteranno i detergenti verdi del futuro. I ramnolipidi vengono spesso descritti come i migliori tensioattivi microbici finora caratterizzati. Da un punto di vista strutturale, essi presentano un gruppo polare glicosidico (ramnosio) e una coda lipofila costituita da una o più catene di acidi grassi, come ad esempio l’acido 3-idrossidecanoico (Fig. 2).

Strutture chimiche dei principali ramnolipidi: RL1 (1 molecola di ramnosio + 2 molecole di acidi grassi), RL2 (1 molecola di ramnosio + 1 molecola di acido grasso), RL3 (2 molecole di ramnosio + 2 molecole di acidi grassi) e RL4 (2 molecole di ramnosio + 1 molecola di acido grasso).
Figura 2 – Strutture chimiche dei principali ramnolipidi: RL1 (1 molecola di ramnosio + 2 molecole di acidi grassi), RL2 (1 molecola di ramnosio + 1 molecola di acido grasso), RL3 (2 molecole di ramnosio + 2 molecole di acidi grassi) e RL4 (2 molecole di ramnosio + 1 molecola di acido grasso).

Esistono due classi principali di ramnolipidi: i mono-ramnolipidi e i di-ramnolipidi formati, rispettivamente, da uno e due molecole di ramnosio (Fig. 2). Inoltre, i ramnolipidi sono eterogenei nella lunghezza e nel grado di ramificazione della frazione idrofobica. Quest’ultime caratteristiche sono funzione dei terreni di coltura e delle condizioni ambientali applicate nei processi fermentativi per la loro produzione industriale.

La svolta tecnologica: ramnolipidi prodotti su scala industriale

Nonostante centinaia di studi scientifici e di brevetti sulla produzione di ramnolipidi per via fermentativa mediante il batterio P. aeruginosa sia nella sua forma naturale sia nelle sue forme ingegnerizzate, fino a diversi anni fa la produzione su scala industriale di questa classe di bioprodotti innovativi era ancora economicamente non competitiva rispetto alla controparte fossile a causa dell’alto costo delle materie prime (es. zuccheri fermentabili), degli impianti e del processo di downstream per il recupero e la purificazione dei ramnolipidi.

Tuttavia, grazie al significativo avanzamento scientifico e alla grande attenzione che il mondo industriale sta dedicando ai temi della chimica verde e delle biotecnologie industriali, alcune aziende hanno messo in commercio alcuni prodotti detergenti a base di ramnolipidi.

Infatti, i primi tentativi di commercializzazione risalgono al 2007 con brevetti e applicazioni delle compagnie Evonik e Stepan, della società di fermentazione Jeneil Biotech e della specialista di ramnolipidi AGAE Technologies. Tale commercializzazione è stata favorita anche dall’interesse del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti.

La maggior parte di questi produttori usa il batterio P. aeruginosa. Inoltre, l’implementazione di strategie di fermentazione ottimizzate e di metodi di estrazione e concentrazione più efficienti permettono ora la produzione di ramnolipidi su scala più ampia.

Biosurfattanti in commercio per una svolta green

I brevetti della Stepan si basano sull’utilizzo di piccole quantità di zucchero insieme all’olio, per incentivare i batteri a sintetizzare i ramnolipidi, e su metodi per l’estrazione semicontinua del prodotto.

Invece, i brevetti della Evonik descrivono l’inserimento di geni di P. aeruginosa nei batteri della specie P. putida. La scelta di puntare su P. putida è dovuta alla sua non patogenicità per l’uomo, a differenza di P. aeruginosa. Ciò implica meno rischi e una maggiore semplicità di manipolazione che, a livello industriale, si traduce di riduzione dei costi di produzione. A tutto ciò si aggiunge anche la maggiore conoscenza del genoma di P. putida e, quindi, la sua più facile manipolazione per l’ottenimento di ceppi alto-produttori grazie ad approcci di ingegneria genetica e metabolica.

La Evonik produce attualmente quantità commerciali di ramnolipidi in un sito ubicato in Slovacchia e sta progettando un impianto dedicato che produrrà ramnolipidi a basso costo a partire dal 2023. Contemporaneamente, la Stepan sta già fornendo ai clienti campioni del prodotto “NatSurFact”(Fig. 3) e sta pianificando una produzione estesa.

Tre tipologie di ramnolipidi NatSurFact: da sinistra verso destra, una soluzione a colore ridotto al 45%, una soluzione al 50% e una polvere pura al 90%. Tutti e tre i campioni sono sali di sodio.
Figura 3 – Tre tipologie di ramnolipidi NatSurFact: da sinistra verso destra, una soluzione a colore ridotto al 45%, una soluzione al 50% e una polvere pura al 90%. Tutti e tre i campioni sono sali di sodio.

L’azienda Jeneil Biotech ha ideato e commercializzato il prodotto “Zonix”, un biofungicida certificato biologico a base di ramnolipidi. L’azienda Unilever ha invece recentemente lanciato il prodotto “Quix”, un detergente per stoviglie a base biologica.

Microbiologia e chimica verde per un futuro sostenibile

In generale, grazie all’avanzamento tecnologico e al miglioramento dei processi microbiologici su scala industriale, a seconda della purezza e dei volumi, i ramnolipidi costano oggi soltanto 10-30 volte tanto quanto i tensioattivi sintetici. Al contrario, in passato il costo dei biosurfattanti era di circa 1000 volte superiore rispetto alla controparte di origine fossile.

Tutto ciò lascia ben sperare per un futuro costante sviluppo di processi industriali basati sui principi della chimica verde, della sostenibilità ambientale e delle tecnologie microbiche a basso impatto ambientale.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

  • Jiang, J., Zu, Y., Li, X., Meng, Q., Long, X. (2020). Recent progress towards industrial rhamnolipids fermentation: Process optimization and foam control. Bioresource Technology, 298, 122394.
  • Jie, Z., Xue, R., Liu, S., Xu, N., Xin, F., Zhang, W., Dong, W. (2019). High di-rhamnolipid production using Pseudomonas aeruginosa KT1115, separation of mono/di-rhamnolipids, and evaluation of their properties. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 7, 245.
  • Soberón-Chávez, G., Lépine, F., Déziel, E. (2005). Production of rhamnolipids by Pseudomonas aeruginosa. Applied Microbiology and Biotechnology, 68(6), 718-725.

Crediti immagini:

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