Un innovativo modello di bioraffineria per la produzione di biosurfattanti

I tensioattivi convenzionali sono sintetizzati principalmente dal petrolio e impongono un impatto ambientale negativo dovuto alla loro tossicità ecologica e alla loro difficile degradabilità.

Una svolta importante, da un punto di vista ambientale, si è avuta con la scoperta dei biosurfattanti di origine microbica, i quali presentano proprietà emulsionanti comparabili con quelle della loro controparte chimica, ma, in più, sono caratterizzati da biodegradabilità e altre caratteristiche aggiuntive che li rendono estremamente interessanti per delle nuove specifiche applicazioni come ad esempio la formulazione innovativa di detergenti, farmaci, e prodotti per la cosmesi.

Da un punto di vista biochimico, i surfattanti di origine microbica possono essere classificati in quattro gruppi principali sulla base della specie di microrganismo produttore e sulla base della loro struttura chimica: lipopeptidi e lipoproteine, glicolipidi, fosfolipidi e surfattanti polimerici. 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 è costituita da lunghe catene di acidi grassi.

Queste molecole possono essere secrete nell’ambiente extracellulare o restare ancorate a porzioni di membrana cellulare di batteri, lieviti e funghi. I biosurfattanti maggiormente studiati sono i lipopeptidi prodotti da Bacillus subtilis, i glicolipidi prodotti da Pseudomonas putida (Fig. 1) e i soforolipidi isolati da diverse specie di Candida.

Figura 1 – Fotografia di una piastra Petri contenente colonie del batterio non patogeno Gram negativo Pseudomonas putida.

Tuttavia, fino ad oggi la produzione su scala industriale di questa classe di bioprodotti è ancora economicamente non competitiva rispetto alla controparte fossile a causa dell’alto costo di materie prime (es. zuccheri fermentabili), impianti e processo di downstream per il recupero e la purificazione delle molecole di interesse.

Per fortuna, però, in accordo con i concetti innovativi di bioeconomia sostenibile, economia circolare e chimica verde, molte aziende e molti gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno studiando e sviluppando dei processi di bioraffineria per la produzione di biosurfattanti a partire da risorse rinnovabili, come ad esempio le biomasse e/o gli scarti alimentari.

Tale strategia si basa su un approccio interdisciplinare, basato sulle conoscenze nell’ambito di ingegneria chimica, biotecnologie ed economia, al fine di sviluppare processi sostenibili da un punto di vista tecnologico, economico ed ecologico, non solo su scala di laboratorio ma anche, e soprattutto, su scala industriale.

Un esempio di bioraffineria per la produzione di biosurfattanti di nuova generazione è quello messo a punto dai ricercatori del FocusLab del Bioeconomy Science Center (BioSC) in Germania (Fig. 2).

Figura 2 – Rappresentazione schematica del processo produttivo di biosurfattanti a partire da biomasse rinnovabili messo a punto dal Bioeconomy Science Center.

Nello spirito di una bioeconomia sostenibile, il progetto Biosurfactant Biorefinery (Bio2) mira allo sviluppo di un processo di bioraffineria per la produzione di ramnolipidi e mannosylerythritol lipids (MELs) utilizzando ceppi ricombinanti di Pseudomonas putida e Ustilago maydis. A rendere economicamente sostenibile tale processo vi è l’utilizzo di una materia prima di scarto rinnovabile (quasi a costo zero), rappresentata dalla polpa della barbabietola da zucchero, l’ottimizzazione del processo fermentativo, grazie all’uso di microrganismi alto-produttori, ed il riciclaggio di nutrienti e acqua secondo un approccio integrato volto a minimizzare il numero di rifiuti da smaltire.

I ramnolipidi (Fig. 3), da un punto di vista chimico, sono caratterizzati da un gruppo glicosilico (ramnosio) e una coda costituita da un acido grasso (es. acido 3-idrossidecanoico).

Figura 3 – Mono(A) e di-ramnolipidi (B) prodotti da Pseudomonas putida.

I ramnolipidi rappresentano una classe di composti ad elevato valore commerciale poiché vengono spesso descritti come i migliori tensioattivi microbici finora caratterizzati. Per questi motivi, il loro utilizzo è in crescente aumento nell’industria cosmetica e nell’industria dei detergenti. Nel complesso, questi glicolipidi trovano applicazioni migliorative rispetto ai tensioattivi tradizionali.

Per un futuro più green e sostenibile sarà necessario cambiare il concetto di economia lineare in economia circolare sviluppando, al contempo, tecnologie e processi industriali rispettosi dell’ambiente e della salute umana.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Bibliografia

  • G. Rikalović, M. M. Vrvić and I. M. Karadžić. Rhamnolipid biosurfactant from Pseudomonas aeruginosa – from discovery to application in contemporary technology (Review). Journal of the Serbian Chemical Society, Volume 80, Issue 3, Page 279-304, 2015.
  • Geiser, E., Reindl, M., Blank, L.M., Feldbrügge, M., Wierckx, N., and K. Schipper. Activating intrinsic carbohydrate-active enzymes of the smut fungus Ustilago maydis for the degradation of plant cell wall components. Appl. Env. Microbiol. 82. 5174-5185, 2016.
  • Tiso, T., Sabelhaus, P., Behrens, B., Hayen, H., Blank, L.M. Creating metabolic demand as engineering strategy in Pseudomonas putida – Rhamnolipid synthesis as example. Metabolic Engineering Communications. 3. 234-244, 2016.

Crediti immagini

  • http://www.kosmeticanews.it/shampoo-a-base-di-polimeri-cationici-e-tensioattivi-anionici/
  • https://microbe-canvas.com/Bacteria.php?p=686
  • https://www.biosc.de/Bio2_en
  • Arelli (2016) Applicazioni del processo di washing alla decontaminazione ex-situ di sabbie inquinate da idrocarburi del petrolio: selezione di agenti biogeni e/o surfattanti microbici non tossici/biodegradabili e ottimizzazione dei parametri di processo. Tesi di Dottorato di Ricerca. Pag 66. Alma Mater Studiorum – Università di Bologna.
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Nicola Di Fidio

Nicola Di Fidio, autore di Microbiologia Italia dal 2017 (94 articoli pubblicati). Laureato in Biotecnologie Industriali e Ambientali, Dottore di Ricerca in Scienze Chimiche e dei Materiali. Ricercatore Junior in Chimica Industriale presso il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell'Università di Pisa. Coordinatore nazionale dell'Area Tematica "Riconoscimento del Dottorato di Ricerca" presso l'Associazione Dottorandi e Dottori di Ricerca in Italia (ADI). Settori di ricerca: biotecnologie industriali, microbiologia industriale, catalisi chimica, biocatalisi, chimica verde, chemiometria, sviluppo e ottimizzazione di processi di bioraffineria, valorizzazione di biomasse agroindustriali. Progetti di ricerca: sviluppo e ottimizzazione di processi catalitici chimici e biologici per la conversione di biomasse lignocellulosiche (canna gigante, cardo, scarti dell'industria della carta) in zuccheri di seconda generazione (glucosio, xilosio, arabinosio, cellobiosio), acidi organici (acido acetico, acido levulinico, acido formico), composti furanici (5-idrossimetilfurfurale, 2-furfurale), trigliceridi e metilesteri di acidi grassi a lunga catena. Tel.: +39 3299740251 E-mail istituzionale: nicola.difidio@unipi.it Scopus Author ID: 57194336585 ResearcherID: H-2409-2016 Orcid ID: orcid.org/0000-0001-8037-6355 ResearchGate Profile: https://www.researchgate.net/profile/Nicola_Di_Fidio2

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