Bioingegneri al lavoro per trasformare gli scarti dei biocarburanti in ricchezza

Dalla decostruzione della lignina nuove frontiere per le energie rinnovabili

[13 novembre 2017]

Un team di ricercatori statunitensi del Sandia National Laboratories, Joint BioEnergy Institute e università del Minnesota ha scoperto dei modi più veloci e più efficienti per trasformare in prodotti chimici e in miliardi di dollari la sostanza vegetale scartata nella produzione di biocarburanti.

La lignina, una delle componenti principali delle pareti delle cellule vegetali e che fornisce alle piante l’integrità strutturale e la protezione dagli attacchi microbici, rappresenta anche la materia dura che resta dopo la produzione dei biocarburanti, ma contiene composti che possono essere convertiti in prodotti come il nylon, la plastica e medicinali e che potrebbero frendere più economica e sostenibile la produzione di biocarburanti, rendendoli più competitivi con il petrolio. Purtroppo, la durezza della lignina rende anche difficile estrarre i suoi preziosi composti e da decenni gli scienziati stanno tentando di decostruirla. Attualmente la lignina non viene spesso utilizzata.

La bioingegnere di Sandia Seema Singh e il suo team hanno trovato due nuove strade per convertire la lignina che combinano i vantaggi dei metodi precedenti, minimizzando i loro inconvenienti e ne descrivono i risultati nello studio “Lignin Valorization: Two Hybrid Biochemical Routes for the Conversion of Polymeric Lignin into Value-added Chemicals” pubblicato su Scientific Reports. Per rompere i legami tra i composti che costituiscono la lignina, gli scienziati hanno impiegato sostanze chimiche o piccoli organismi come batteri o funghi e dicono che «I metodi biologici più gentili  consentono la produzione di specifici composti mirati. Ma rompere completamente la lignina usando questo approccio può richiedere settimane o addirittura mesi. Viceversa, le sostanze chimiche dure possono decostruire la lignina in poche ore o persino minuti. Ma questo metodo richiede costosi catalizzatori e talvolta è tossico e quindi insostenibile. Ancora peggio, i metodi chimici portano ad una miscela di composti ciascuno dei quali compare in quantità estremamente ridotte«.

La Singh spiega a sua volta che «Si ottengono molte altre sostanze chimiche quando si rompe  la lignina in questo modo. Le quantità prodotte non sono terribilmente utili». Per questo il suo team ha messo a punto due nuove tecniche che uniscono la velocità del metodo chimico e la precisione del etodo biologico. In entrambi i casi sono stati realizzati prodotti chimici costosi che attualmente derivano solo dal petrolio: l’acido mucico e pirogallolo.

L’acido muconico può essere facilmente trasformato in nylon, plastica, resine o lubrificanti e il pirogallolo ha applicazioni come anti-cancro. «Insieme – dice Singh – queste sostanze chimiche hanno un valore combinato di mercato di 255,7 miliardi di dollari. L’acido muconico è quello che definiamo una piattaforma chimica. Partendo da lì, la creazione di nuovi prodotti è veramente solo una questione di fantasia».

Il primo metodo di conversione del team è un processo a più stadi che inizia pre-trattando la lignina con una debole soluzione di perossido di idrogeno e acqua. Dal trattamento risultano molecole intermedie di vanillina e siringata che vengono consumate da un ceppo di E. coli appositamente modificato dal microbiologo di  Sandia Weihua Wu e da questo vengono fuori nel n mix dei composti aggiuntivi fino a che l processo produce i due prodotti chimici finali.

Ma la Singh non era soddisfatto della quantità di acido muconico prodotto da questo processo. Quindi il suo team ha cercato un modo per massimizzare la resa dell’acido mucico e ha testato un secondo metodo di conversione che salta il processo del dover spezzare completamente la lignina. Invece, il team ha progettato geneticamente una pianta di tabacco che mentre cresce produce elevate quantità di protocatechuate intermedio (PCA) e quindi gli unici passaggi rimasti erano l’estrazione del composto e l’utilizzo dell’ E. coli progettato per produrre l’acido muconico.

La Singh spiega ancora: «Abbiamo fondamentalmente ignorato i tre quarti dei passi che stavamo prima, progettando una pianta per coltivare le sostanze chimiche intermedie. Il PCA può essere facilmente estratto dal tabacco modificato e convertito in acido mucico con poco sforzo».

Questo percorso di ingegneria delle piante non è solo più efficiente, ma anche risolve con successo la sfida datasi dal team di massimizzare la resa dell’acido mucico di ben il 34% rispetto ai metodi di conversione precedenti.

a Singh, che  dirige anche  il programma di pretrattamento della biomassa  al Joint BioEnergy Institute di Emeryville, in California, collabora con gli scienziati del  Lawrence Berkeley National Laboratory ed è convinta che «La ricerca futura sul crescente valore economico della lignina sarà fortemente influenzata dalle dimostrazioni del mio team. La sfida più grande in questo campo sarà quella di massimizzare ulteriormente la resa di prodotti chimici preziosi e la velocità a cui possono essere ceduti. Tutti capiscono che per la valorizzazione della lignina gli approcci ibridi sono fondamentali. L’adozione industriale di questa tecnologia dipenderà dalla capacità di produrre rapidamente grandi quantità di prodotto di alto valore. Se puoi solo fare quantità di milligrammi in un mese da un microrganismo semplicemente non lo farai. Idealmente, vorresti degli organismi che producano un quantitativo in chilogrammi in meno di un’ora».