Biofilm fungino che cresce su un permeabile all'ossigeno, membrana tubolare elicoidale in un bioreattore altrimenti anaerobico. Il biofilm viene rimosso dal reattore al termine di un ciclo di fermentazione. Credito:M. Studer (BFH)
Con la corsa alle fonti energetiche rinnovabili in pieno svolgimento, gli impianti offrono uno dei candidati più promettenti per la sostituzione del petrolio greggio. Lignocellulosa in particolare, biomassa da piante non commestibili come erba, fogliame, e il legno che non compete con le colture alimentari è abbondante e rinnovabile e offre un'ottima fonte alternativa al petrolio per un'intera gamma di prodotti chimici.
Per estrarre sostanze chimiche utili da esso, la lignocellulosa viene prima pretrattata per "romperla" e facilitare l'ulteriore lavorazione. Quindi è esposto a enzimi che solubilizzano la cellulosa, che è una catena di zuccheri collegati (glucosio). Questo passaggio può essere effettuato aggiungendo alla lignocellulosa pretrattata un microrganismo che produce naturalmente il necessario, enzimi di scissione della cellulosa, per esempio. un fungo.
Gli enzimi "rompono" la cellulosa e la trasformano nei suoi singoli zuccheri, che può essere ulteriormente elaborato per produrre una sostanza chimica chiave:l'acido lattico. Anche questo secondo passaggio si compie con un microrganismo, un batterio che "mangia" gli zuccheri e produce acido lattico quando non c'è ossigeno intorno.
Nella fase finale di questa catena di montaggio microbico, l'acido lattico può quindi essere elaborato per produrre tutta una serie di sostanze chimiche utili.
Un team di scienziati dell'Università di Scienze Applicate di Berna (BFH), l'Università di Cambridge, ed EPFL hanno reso possibile questa catena di assemblaggio in un'unica configurazione e hanno dimostrato che questa conversione può essere resa più versatile e modulare. Sostituendo facilmente i microrganismi nel finale, lavorazione dell'acido lattico, fare un passo, possono produrre un'intera gamma di sostanze chimiche utili.
Lo studio rivoluzionario è pubblicato in Scienza , ed è stato realizzato da Robert Shahab, un dottorato di ricerca dell'EPFL. studente nel laboratorio del professor Jeremy Luterbacher, mentre lavorava nel laboratorio del professor Michael Studer al BFH, che ha condotto lo studio.
Un'illustrazione delle diverse sostanze chimiche che possono essere prodotte dal legno di faggio utilizzando la piattaforma del lattato. Credito:RL Shahab/Science
I ricercatori presentano quella che chiamano "piattaforma a base di lattato, ' che è essenzialmente un bioreattore spazialmente segregato che consente a più microrganismi diversi di coesistere, ciascuno esegue uno dei tre passaggi della lavorazione della lignocellulosa.
La piattaforma è costituita da una membrana tubolare che lascia passare una quantità definita di ossigeno. Sulla superficie del tubo può crescere il fungo che consuma tutto l'ossigeno che passa attraverso la membrana, e fornisce gli enzimi che scompongono la cellulosa in zuccheri. Più lontano dalla membrana, e quindi in un'atmosfera senza ossigeno, far crescere i batteri che 'mangiano' gli zuccheri e trasformarli in acido lattico.
Ma l'innovazione apportata da Shahab era nell'ultimo passaggio. Utilizzando diversi microrganismi che fermentano l'acido lattico, era in grado di produrre diverse sostanze chimiche utili. Un esempio era l'acido butirrico, che può essere utilizzato nelle bioplastiche, mentre il laboratorio di Luterbacher ha recentemente dimostrato che può persino essere trasformato in carburante per aerei.
Il lavoro dimostra i vantaggi delle colture microbiche miste nella lavorazione della biomassa lignocellulosica:modularità e capacità di convertire substrati complessi in preziose piattaforme chimiche.
"I risultati ottenuti con la piattaforma del lattato mostrano bene i vantaggi dei consorzi microbici artificiali per formare nuovi prodotti dalla lignocellulosa, " afferma Michael Studer. "La creazione di nicchie in bioreattori altrimenti omogenei è uno strumento prezioso per co-coltivare diversi microrganismi".
"Fermentare la lignocellulosa in molti prodotti diversi è stata una mole di lavoro significativa, ma era importante mostrare quanto sia versatile la piattaforma del lattato, "dice Robert Shahab. "Vedere la formazione del lattato e la conversione in prodotti target è stata una grande esperienza poiché ha dimostrato che il concetto della piattaforma del lattato ha funzionato nella pratica".
Jeremy Lutbacher aggiunge, "L'obiettivo finale è ricostruire un settore manifatturiero verde per sostituire quello che produce molti prodotti dal petrolio greggio. Un metodo che introduca flessibilità e modularità è un passo importante in quella direzione".
