I gusci dei crostacei e gli scarti del legno, come i rami potati dagli alberi, di solito finiscono nelle discariche. Questi materiali di scarto ricevono una nuova prospettiva di vita per diventare integratori alimentari e medicine, con l'aiuto di un nuovo processo sviluppato da ricercatori della National University of Singapore (NUS).

Un team guidato dal Professore Associato Yan Ning e dal Professore Associato Zhou Kang del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Facoltà di Ingegneria del NUS ha ideato un metodo per trasformare i gusci di gamberi e granchi in L-DOPA, un farmaco ampiamente utilizzato per il trattamento del morbo di Parkinson. Un metodo simile può essere utilizzato per convertire gli scarti di legno in Proline, che è essenziale per la formazione di collagene e cartilagine sani.

L'approccio di conversione del team NUS può potenzialmente svolgere un ruolo fondamentale nell'industria chimica, poiché il movimento dei composti derivati ​​dai rifiuti sta guadagnando slancio nel tentativo di ridurre la dipendenza dall'uso di combustibili fossili non rinnovabili e dai processi che consumano energia.

Dai rifiuti alle sostanze chimiche utili

L'industria di trasformazione alimentare globale genera fino a otto milioni di tonnellate di rifiuti di gusci di crostacei ogni anno. Simultaneamente, Singapore ha generato oltre 438, 000 tonnellate di rifiuti di legno nel 2019, tra cui rami potati dagli alberi e segatura delle officine. Trovare modi per riciclare questi materiali di scarto alimentare e agricolo in composti utili trarrà vantaggi senza affaticare le discariche.

Sebbene il riutilizzo dei materiali di scarto abbia guadagnato terreno negli ultimi anni, l'output tipico delle sostanze chimiche prodotte dal riciclaggio dei rifiuti è spesso meno diversificato rispetto al gasdotto di sintesi chimica convenzionale che utilizza petrolio greggio o gas. Per superare i limiti, i ricercatori del NUS hanno escogitato un percorso che sposa un approccio chimico con un processo biologico.

Hanno prima applicato processi chimici ai materiali di scarto e li hanno convertiti in una sostanza che può essere "digerita" dai microbi. La seconda fase prevede un processo biologico, simile alla fermentazione dell'uva in vino, dove hanno progettato speciali ceppi di batteri come l'Escherichia coli per convertire la sostanza prodotta nel processo chimico in un prodotto di valore superiore come gli amminoacidi.

Il team NUS ha impiegato quattro anni per derivare il proprio metodo, e lo ha applicato per ottenere prodotti chimici di alto valore da fonti rinnovabili in modo sostenibile.

Produrre prodotti chimici organici in modo più economico e veloce

Convenzionalmente, L-DOPA è prodotto da L-tirosina, una sostanza chimica ottenuta dalla fermentazione degli zuccheri. Con l'approccio sviluppato dal team NUS, i rifiuti di crostacei vengono prima trattati utilizzando un semplice passaggio chimico, permettendogli di essere utilizzato dai microbi per produrre L-DOPA. La resa del metodo NUS è simile a quella ottenuta con il metodo tradizionale che utilizza gli zuccheri. Inoltre, rispetto al glucosio, lo zucchero più comune utilizzato, che costa tra US $ 400 e US $ 600 per tonnellata, i rifiuti di gamberetti costano solo circa 100 dollari USA per tonnellata. Dato il basso costo e l'abbondanza di scarti di guscio, il processo del team NUS ha il potenziale per fornire L-DOPA a un costo inferiore.

prolina, d'altra parte, è convenzionalmente prodotto attraverso processi biologici puri. Il metodo unico del team NUS ha ora sostituito la maggior parte delle trasformazioni utilizzando processi chimici, che sono molto più veloci. Di conseguenza, il nuovo processo integrato potrebbe raggiungere una maggiore produttività, e potenzialmente portare a riduzioni degli investimenti di capitale e dei costi operativi.

La ricerca sulla produzione di amminoacidi come la L-DOPA dai gusci dei crostacei è stata pubblicata per la prima volta online negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS) il 25 marzo 2020, mentre il lavoro sulla produzione di Proline da scarti di legno è stato riportato in Angewandte Chemie il 27 luglio 2020.

"I processi chimici sono rapidi e possono utilizzare una varietà di condizioni difficili come il calore o la pressione estremi per abbattere un'ampia varietà di materiali di scarto poiché nessun organismo vivente è coinvolto, ma possono produrre solo sostanze semplici. D'altra parte, i processi biologici sono molto più lenti, e richiedono condizioni molto specifiche per la crescita dei microbi, ma possono produrre sostanze complesse che tendono ad essere di maggior valore. Combinando processi chimici e biologici, possiamo raccogliere i vantaggi di entrambi per creare materiali di alto valore, " ha spiegato Asst Prof Zhou.

Possibilità di riciclare altri tipi di rifiuti

La metodologia del team NUS ha il potenziale per essere applicata a diversi tipi di materiali di scarto, e possono personalizzare il processo, in base al tipo di rifiuto e al prodotto finale target.

Andando avanti, il team sta cercando di adattare il proprio processo unico ad altre forme di rifiuti, come anidride carbonica e carta straccia. Tale sviluppo ridurrebbe la dipendenza della società dalle risorse non rinnovabili per l'acquisizione di sostanze chimiche che oggi sono importanti costituenti di molti integratori alimentari e medicinali.

"Il nostro nuovo flusso di lavoro integrato chimico-biologico offre un percorso generale per produrre una varietà di sostanze chimiche organoazotate di alto valore. Anche se può sembrare semplice sulla carta combinare semplicemente due diverse metodologie, il diavolo è nei dettagli. Dato che queste sostanze chimiche si trovano in una vasta gamma di prodotti farmaceutici di valore commerciale, pigmenti e sostanze nutritive, siamo entusiasti di espandere la nostra ricerca e sviluppare nuove metodologie per produrre prodotti chimici a valore aggiunto da altri abbondanti, substrati disponibili localmente trovati a Singapore, "ha condiviso Assoc Prof Yan.

Il team di ricerca sta inoltre pianificando di ampliare i processi attualmente sviluppati nei propri laboratori, e lavorare con partner industriali per commercializzare questa tecnologia.