Biodiesel e β-carotenoidi di nuova generazione prodotti da glicerolo industriale di scarto per via biotecnologica

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Glicerolo: da scarto da smaltire a materia prima

Attualmente, la produzione mondiale di biodiesel si basa sul processo di estrazione di oli da colture oleaginose come il girasole, la palma, la colza ecc. Il processo chimico che porta alla formazione di biodiesel è quello della trans-esterificazione o alcolisi.

Esso consiste nella reazione tra un trigliceride e un alcol che porta alla formazione di una miscela di esteri degli acidi grassi e glicerina. La stechiometria prevede tre moli di alcol per mole di trigliceridi per ottenere tre moli di alchilesteri e una mole di glicerolo.

In realtà il processo di trans-esterificazione non si verifica mai in modo ideale. Infatti, al termine della reazione, vi è ancora una minima quantità di trigliceridi, digliceridi, monogliceridi, esteri vari, glicerolo, alcool, catalizzatore e, nel caso della catalisi basica, composti riferibili alla reazione di saponificazione che è in competizione con quella di trans-esterificazione (Fig. 1).

Figura 1 – In alto, reazione ideale di trans-esterificazione; in basso, reazione reale di trans-esterificazione.

Il glicerolo viene generato come sottoprodotto del processo di produzione del biodiesel in rapporto di 1:10 in peso rispetto al biodiesel. Esso è costituito da una miscela di glicerolo, metanolo e sapone e pertanto viene definito comunemente glicerolo grezzo, in quanto non possiede quel grado di purezza tale da consentirne l’utilizzo in altri processi chimici.

Inoltre, la sua purificazione mediante distillazione non è economicamente vantaggiosa a causa degli elevati costi di processo e del basso valore commerciale del glicerolo puro dovuto alla sua elevata disponibilità sul mercato. Infatti, con l’incremento della produzione di biodiesel negli ultimi anni, la quantità annua di glicerolo grezzo ottenuto come sottoprodotto da questa produzione è attualmente pari a circa 1.9 Mton e questo valore è destinato ad aumentare nei prossimi anni in maniera esponenziale.

L’eccesso di glicerolo grezzo rappresenta un problema ambientale se non correttamente smaltito e rappresenta allo stesso tempo un inconveniente per le aziende del biodiesel in quanto il suo smaltimento è piuttosto costoso. Per ottenere profitto da questo sottoprodotto esistono alcune applicazioni dirette e indirette del glicerolo nel settore cosmetico, automobilistico, alimentare, farmaceutico e tessile.

Un’innovativa e promettente applicazione vede l’utilizzo del glicerolo grezzo come substrato per nuovi processi biotecnologici basati sulle fermentazioni industriali finalizzate alla produzione di molecole a più alto valore aggiunto.

Lieviti oleaginosi, biodiesel e β-carotenoidi

Un approccio sviluppato recentemente da diversi ricercatori del mondo consiste nella conversione per via fermentativa del glicerolo in trigliceridi (single cell oil, SCO) e acido citrico o β-carotenoidi da parte dei lieviti oleaginosi.

I carotenoidi sono una classe di pigmenti organici che possono essere rinvenuti nelle piante o in altri organismi fotosintetici, come le alghe ed alcune specie di batteri e lieviti.

Alcuni carotenoidi sono i precursori di molte vitamine e, grazie alla loro particolare struttura chimica, sono capaci di legare ed eliminare i radicali liberi (attività anti-ossidante), giocando in questo senso un ruolo importante nel sistema immunitario dei vertebrati. Per queste ragioni essi sono caratterizzati da un elevatissimo valore commerciale nel settore nutraceutico, cosmetico e farmaceutico.

Alcuni microrganismi, infatti, sono noti per accumulare lipidi in elevate quantità. Le specie in grado di accumulare lipidi corrispondenti a più del 20% della loro biomassa in peso secco sono descritte come oleaginose.

I lieviti oleaginosi mostrano vantaggi per la produzione di lipidi e β-carotenoidi rispetto altri tipi di microrganismi, in quanto i tempi di duplicazione sono solitamente inferiori a 1 h, risentono molto meno delle variazioni di stagione o delle condizioni climatiche rispetto alle piante e le loro colture sono più facilmente scalabili industrialmente rispetto a quelle delle microalghe.

In media questi lieviti accumulano lipidi ad un livello corrispondente al 40% della loro biomassa. Tuttavia, alcuni lieviti oleaginosi accumulano lipidi fino al 70% del loro peso secco cellulare e possono produrre diversi lipidi e carotenoidi o acido citrico in base alle diverse fonti di carbonio utilizzate.

Tra le specie più studiate vi sono Yarrowia lipolytica, Cryptococcus curvatus, Lipomyces starkeyi e Rhodotorula glutinis (Fig. 2).

Figura 2 – A) Piastra Petri contenente colonie di Rhodotorula glutinis; B) Fotografia al microscopio di cellule del lievito oleaginoso Rhodotorula glutinis; C) Processo fermentativo in beuta per la produzione di β-carotenoidi da parte del medesimo lievito rosso oleaginoso.

L’uso del glicerolo grezzo, però, risulta complicato a causa delle impurezze presenti in questo materiale. Infatti, queste influenzano i pathway metabolici di cellule procariotiche ed eucariotiche, limitandone la crescita e la produzione di metaboliti.

Inoltre, è indispensabile l’impiego del glicerolo grezzo al fine di abbattere i costi di produzione di questo biodiesel di nuova generazione, o più in generale dei prodotti ad elevato valore aggiunto, e renderlo economicamente competitivo con il biodiesel tradizionale ottenuto da colture oleaginose e con il diesel di origine fossile.

Bio-carburanti e bio-prodotti del futuro in un’ottica di economia circolare

Il biodiesel di nuova generazione ottenuto a partire dal glicerolo di scarto della stessa produzione di biodiesel rappresenta uno degli esempi più esplicativi e virtuosi del concetto di economia circolare, secondo cui lo scarto di un processo produttivo funge da materia prima per un altro processo al fine di massimizzare la creazione di valore dal materiale iniziale, minimizzando allo stesso tempo la produzione di rifiuti.

Approcci di ingegneria genetica dei microrganismi impiegati potrebbero ampliare molto lo spettro di molecole target ad alto valore aggiunto ottenibili dal glicerolo grezzo, aumentando la sostenibilità economica della catena produttiva industriale di biodiesel, carotenoidi, ecc., e contribuendo alla sua competitività con gli altri prodotti di origine fossile o in competizione con la filiera alimentare.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Bibliografia

  • Saenge, C., Cheirsilp, B., Suksaroge, T. T., & Bourtoom, T. (2011). Potential use of oleaginous red yeast Rhodotorula glutinis for the bioconversion of crude glycerol from biodiesel plant to lipids and carotenoids. Process Biochemistry, 46(1), 210-218.
  • Zhao, Y., Guo, L., Xia, Y., Zhuang, X., & Chu, W. (2019). Isolation, Identification of Carotenoid-Producing Rhodotorula sp. from Marine Environment and Optimization for Carotenoid Production. Marine drugs, 17(3), 161.
  • Di Fidio, N., Liuzzi, F., Mastrolitti, S., Albergo, R., & De Bari, I. (2019). Single cell oil production from undetoxified Arundo donax L. hydrolysate by Cutaneotrichosporon curvatus. Journal of microbiology and biotechnology, 29(2), 256-267.

Crediti immagini

  • https://www.nmbu.no/en/faculty/realtek/research/groups/biospectroscopy/research/microbiology/SCOproject
  • https://dc.engconfintl.org/cgi/viewcontent.cgi?article=1099&context=biomanufact_ii
  • Zhao, Y., Guo, L., Xia, Y., Zhuang, X., & Chu, W. (2019). Isolation, Identification of Carotenoid-Producing Rhodotorula sp. from Marine Environment and Optimization for Carotenoid Production. Marine drugs, 17(3), 161.

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Nicola Di Fidio, Ph.D. student Department of Chemistry and Industrial Chemistry - University of Pisa Via G. Moruzzi 13 - 56124 Pisa MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies Mob: +39 3299740251 Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

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