Valorization of crude glycerol from heterotrophic microalgae cultivation: optimization and characterization of bioproducts

Il mondo guarda sempre più alla natura per risolvere i problemi creati dall'industria. Una delle sfide più persistenti è come gestire lo scarto generato dalla produzione di biocarburanti, nello specifico la sostanza densa e appiccicosa che rimane dopo la trasformazione degli oli vegetali in biodiesel. Questa sostanza, nota come glicerolo grezzo, viene spesso scartata o bruciata, rappresentando un'opportunità mancata. Allo stesso tempo, gli scienziati stanno cercando modi sostenibili per far crescere piante microscopiche chiamate microalghe. Questi minuscoli organismi sono potenti fabbriche; possono trasformare nutrienti semplici in oli per il carburante, proteine per il cibo e sostanze appiccicose che addensano i liquidi. La grande domanda per i ricercatori è stata se questi due mondi potessero incontrarsi: il rifiuto di un'industria potesse diventare il cibo per l'altra, creando un ciclo in cui nulla viene sprecato e nascono nuovi prodotti preziosi?

Un team di ricercatori in Brasile si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito testando un tipo specifico di microalga, Chlorella vulgaris, in un ambiente a base di serbatoi e al buio. A differenza delle piante che hanno bisogno della luce solare per crescere, questa microalga può sopravvivere e prosperare nutrendosi di fonti di carbonio organico, un processo chiamato coltivazione eterotrofica. Gli scienziati volevano vedere se avrebbero potuto nutrire questa microalga con glicerolo grezzo e indurla a produrre una "tripla minaccia" di materiali utili: uno strato denso di biomassa cellulare, oli adatti al carburante e una sostanza scivolosa e gelatinosa che scorre come un liquido ma mantiene la sua forma come un solido. Per trovare la ricetta perfetta, non hanno tirato a indovinare. Al contrario, hanno trattato il serbatoio di coltivazione come un puzzle di laboratorio, regolando attentamente tre ingredienti principali: la velocità con cui il liquido veniva mescolato, quanto glicerolo veniva aggiunto e quanto fertilizzante azotato veniva fornito. Hanno condotto decine di esperimenti, cambiando queste variabili secondo un modello preciso per vedere quale combinazione facesse crescere le microalghe più velocemente e producesse i beni più preziosi.

I risultati di questa attenta calibrazione sono stati sorprendenti. I ricercatori hanno scoperto che, mescolando quantità specifiche di glicerolo e azoto mentre il serbatoio veniva agitato a una velocità moderata, potevano innescare una rapida esplosione di crescita. In sole ventiquattro ore, le microalghe hanno consumato completamente il glicerolo e prodotto uno strato denso di biomassa. Non si è trattato solo di una piccola crescita; le microalghe hanno raggiunto una concentrazione di 1,18 grammi per litro in un solo giorno, una velocità che suggerisce come questo metodo possa essere scalato su scala industriale. Ancora più importante, le cellule non si sono limitate a crescere; hanno cambiato la loro chimica interna. L'olio immagazzinato all'interno delle cellule si è rivelato un eccellente candidato per la produzione di biodiesel. Quando analizzato, le molecole di grasso all'interno delle alghe avevano la giusta bilancia di strutture chimiche per bruciare in modo pulito ed efficiente, rispettando i severi standard di qualità utilizzati in Brasile, Europa e Stati Uniti. L'olio era stabile e resistente al tipo di ossidazione che rovina il carburante nel tempo, dimostrando che il glicerolo grezzo poteva effettivamente essere trasformato in energia di alta qualità.

Ma la storia non finiva con l'olio. Il liquido rimasto dopo che le alghe sono state rimosse dal serbatoio conteneva una sorpresa. Questo liquido limpido conteneva un polimero naturale, una lunga catena di molecole di zucchero secreta dalle alghe durante la loro crescita. Quando i ricercatori hanno testato questa sostanza, hanno scoperto che si comportava in modo affascinante. Era densa e viscosa quando stava ferma, ma quando veniva mescolata o spremuta, diventava più sottile e scorreva facilmente. Questa proprietà, nota come comportamento pseudoplastico, è molto apprezzata nelle industrie che producono di tutto, dalla pasta dentifricia alla vernice, perché consente ai prodotti di rimanere in posizione finché non sono necessari, per poi scorrere fluidamente quando applicati. La sostanza prodotta dalle alghe era notevolmente simile alla gomma di xantano, un comune addensante commerciale prodotto da batteri, ma qui era stata prodotta utilizzando scarti invece di costosi mangimi sintetici. Inoltre, il liquido stesso agiva come un potente emulsionante, il che significa che poteva mescolare olio e acqua in modo stabile senza separarli. Quando testato contro vari oli come l'olio di soia e l'olio di oliva, il liquido algale li ha mantenuti mescolati per oltre ventiquattro ore, suggerendo che potrebbe essere utilizzato come ingrediente naturale nei cosmetici o nei detergenti industriali.

Lo studio ha anche rivelato cosa accade quando le condizioni non sono ottimali. Quando i ricercatori hanno provato a nutrire troppo le alghe con il glicerolo, le cellule hanno smesso di crescere, probabilmente perché l'ambiente denso e zuccherino è diventato troppo pesante da gestire. Allo stesso modo, l'equilibrio dell'azoto era critico: senza una quantità sufficiente, le alghe non potevano costruire i loro corpi, ma con la giusta quantità, esse prosperavano. La ricerca ha confermato che questo processo non riguarda solo la crescita di cellule, ma il dirigere il loro metabolismo. Controllando l'ambiente, gli scienziati potevano guidare le alghe a dare priorità alla produzione di olio e polimeri. Il lavoro suggerisce che lo scarto delle fabbriche di biodiesel non debba essere un peso. Al contrario, può servire come fondamento per un nuovo tipo di bioraffineria, dove un singolo processo produce carburante, addensanti industriali ed emulsionanti, il tutto mentre pulisce un flusso di rifiuti ambientali. Le scoperte offrono una strada concreta verso un'economia circolare, dove l'output di un processo diventa l'input per un altro, trasformando un sottoprodotto del passato in una risorsa per il futuro.