Micrografia ottica di cellule del batterio gram-negativo Methylorubrum extor-quens AM1. Attestazione:Fraunhofer-Gesellschaft
L'anidride carbonica è uno dei principali motori del cambiamento climatico, il che significa che dobbiamo ridurre la CO 2 emissioni in futuro. I ricercatori di Fraunhofer stanno evidenziando un possibile modo per ridurre queste emissioni:usano il gas serra come materia prima, per esempio per produrre plastica. Per fare questo, producono prima metanolo e acido formico dalla CO 2 , che convertono tramite microrganismi in mattoni per polimeri e simili.
Poiché le materie prime a base fossile vengono bruciate, CO 2 viene rilasciato nell'aria. Finora, il CO 2 la concentrazione nell'atmosfera terrestre è già salita a circa 400 parti per milione (ppm) pari allo 0,04%. In confronto:fino alla metà del XIX secolo, questo valore era ancora nell'intervallo di 280 ppm. L'aumento del livello di anidride carbonica ha un impatto significativo sul clima. Dal 1 gennaio 2021, CO 2 le emissioni dalla combustione di combustibili fossili sono state quindi soggette a prezzi del carbonio, il che significa che le aziende manifatturiere devono pagare per la loro CO 2 emissioni. Di conseguenza, un gran numero di aziende è alla ricerca di nuove soluzioni. Come possono i costi associati alla CO 2 riduzione dei prezzi delle emissioni? Come può CO 2 emissioni essere ridotte attraverso processi biointelligenti?
Chimica catalitica e biotecnologia:una combinazione vincente
I ricercatori stanno attualmente sviluppando approcci a questo nei progetti EVOBIO e ShaPID presso l'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB. Stanno lavorando a entrambi i progetti in collaborazione con diversi istituti Fraunhofer. "Usiamo la CO 2 come materia prima, "dice il dottor Jonathan Fabarius, Biocatalizzatori Senior Scientist presso Fraunhofer IGB. "Stiamo perseguendo due approcci:primo, catalisi chimica eterogenea, per cui convertiamo la CO 2 con un catalizzatore a metanolo. Secondo, elettrochimica, con cui produciamo acido formico da CO 2 ." Tuttavia la caratteristica unica non sta in questo CO 2 a base di metanolo e solo produzione di acido formico, ma nella sua combinazione con la biotecnologia, più specificamente con fermentazioni da parte di microrganismi. Per dirla più semplicemente:i ricercatori prendono prima il prodotto di scarto CO 2 , che è dannoso per il clima, per produrre metanolo e acido formico. A sua volta, usano questi composti per "nutrire" i microrganismi che producono ulteriori prodotti da essi. Un esempio di questo tipo di prodotto sono gli acidi organici, che vengono utilizzati come elementi costitutivi per i polimeri, un modo per produrre CO 2 a base di plastica. Questo metodo può essere utilizzato anche per produrre amminoacidi, ad esempio come integratori alimentari o mangimi per animali.
Il nuovo approccio offre una serie di vantaggi. "Possiamo creare prodotti completamente nuovi, e anche migliorare la CO 2 impronta dei prodotti tradizionali, " specifica Fabarius. Mentre i processi chimici convenzionali richiedono molta energia e talvolta solventi tossici, i prodotti possono essere prodotti con microrganismi in condizioni più miti e più efficienti dal punto di vista energetico, dopo tutto, i microbi crescono in soluzioni acquose più rispettose dell'ambiente.
Striscio di separazione per l'isolamento di singole colonie di M. extorquens AM1 su una piastra di agar con terreno minimo contenente metanolo. Attestazione:Fraunhofer-Gesellschaft
Vista dettagliata di un bioreattore per la coltivazione di grandi quantità di biomassa di M. extorquens AM1. Attestazione:Fraunhofer-Gesellschaft
Colorante isolato da colture in bioreattore di M. extorquens AM1 su metanolo come substrato o su acido formico (formiato) come substrato. Attestazione:Fraunhofer-Gesellschaft
L'ingegneria metabolica lo rende possibile
Il team di ricerca utilizza sia batteri metilotrofi nativi, cioè quelli che metabolizzano naturalmente il metanolo, e lieviti che non possono effettivamente metabolizzare il metanolo. I ricercatori tengono anche costantemente d'occhio se vengono scoperti nuovi organismi interessanti e ne verificano l'idoneità come "fabbriche di cellule". Ma in che modo questi microrganismi realizzano effettivamente i prodotti? E come possiamo influenzare ciò che producono? "In linea di principio, usiamo il metabolismo del microrganismo per controllare la fabbricazione del prodotto, " spiega Fabarius. "Per farlo, introduciamo geni nei microbi che forniscono il progetto per alcuni enzimi. Questo è anche noto come ingegneria metabolica." Gli enzimi che vengono successivamente prodotti nel microrganismo catalizzano a loro volta la produzione di un prodotto specifico. Al contrario, i ricercatori spengono specificamente i geni che potrebbero influenzare negativamente questa produzione. "Variando i geni che vengono introdotti, siamo in grado di produrre una vasta gamma di prodotti, "dice Fabario.
Il team di ricerca sta lavorando su tutta la filiera produttiva:a partire dai microrganismi, seguito dalle modificazioni genetiche e dall'aumento della produzione. Mentre alcuni processi produttivi sono ancora in fase di laboratorio, altri prodotti sono già in produzione in bioreattori con una capacità di dieci litri. Per quanto riguarda l'applicazione industriale di tali processi, Fabarius prevede la loro attuazione nel medio-lungo termine. Dieci anni sono un orizzonte temporale realistico, lui dice. Però, la pressione sull'industria per stabilire nuovi processi è in aumento.
