Scalable production and simplified purification of bio-based dodecanedioic acid from renewable plant oil
Questo studio dimostra un processo biotecnologico scalabile su scala pilota che utilizza *Candida tropicalis* ingegnerizzata per convertire il metil laurato rinnovabile in acido dodecanedioico ad alta purezza, accoppiato a un metodo semplificato di cristallizzazione dell'acido acetico che elimina i complessi passaggi di purificazione e riduce l'impatto ambientale.
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Le plastiche che al tatto sembrano seta ma resistono come l'acciaio sono spesso realizzate con un elemento chimico fondamentale chiamato acido dodecanedioico. Questa molecola è una lunga catena di dodici atomi di carbonio con un gruppo acido carbossilico a ogni estremità, che funge da connettore cruciale per la creazione di plastiche tecniche ad alte prestazioni come il nylon 6.12. Questi materiali sono apprezzati per la loro capacità di resistere all'acqua e al calore, il che li rende ideali per componenti automobilistici, condutture del carburante e tessuti durevoli. Per decenni, tuttavia, il mondo si è affidato a un metodo pericoloso e inquinante per creare questo blocco di costruzione chimico. Il processo tradizionale parte dal petrolio, sottoponendolo a calore e pressione estremi mentre utilizza catalizzatori a base di metalli pesanti per forzare la struttura chimica al suo posto. Questo approccio comporta rischi significativi, tra cui il potenziale di esplosioni catastrofiche, e lega la fornitura di materiali essenziali ai prezzi volatili dei combustibili fossili. Mentre le industrie e i consumatori cercano sempre più alternative più sicure e pulite, gli scienziati si sono rivolti alla meccanica stessa della natura: i microbi. Ingegnerizzando i lieviti per eseguire trasformazioni chimiche che solitamente richiedono condizioni industriali drastiche, i ricercatori sperano di produrre questi materiali vitali partendo da oli vegetali rinnovabili, trasformando un processo chimico pericoloso in uno biologico sostenibile.
In uno studio recente, un team di ricercatori del Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology e della Lotte Chemical Co. Ltd. ha dimostrato con successo un modo per produrre in massa questo componente chimico critico utilizzando una via biologica che è sia scalabile che più pulita rispetto all'attuale standard industriale. Si sono concentrati su un tipo specifico di lievito, Candida tropicalis, che ha la capacità naturale di scomporre grassi e oli. L'obiettivo del team era riprogrammare questo lievito affinché, invece di mangiare il grasso per energia, si fermasse a un punto specifico e rilasciasse il componente chimico desiderato. Per farlo, hanno introdotto un gene proveniente da un altro microbo, Wickerhamomyces sorbophila, che agisce come un enzima altamente efficiente per accelerare una specifica fase della conversione chimica. Questa modifica ha permesso al lievito di convertire il laurato di metile, un estere grasso derivato dall'olio di cocco, direttamente in acido dodecanedioico senza bloccarsi in passaggi intermedi tossici che solitamente rallentano la produzione.
I ricercatori hanno prima testato questo lievito ingegnerizzato in un piccolo serbatoio da cinque litri, dove ha prodotto una concentrazione di 102 grammi del componente chimico per litro di liquido. Incoraggiati da questo risultato, hanno scalato il processo in un enorme fermentatore pilota da 300 litri, una dimensione molto più vicina a quella utilizzata in una vera fabbrica. Sorprendentemente, il sistema più grande ha performato ancora meglio, raggiungendo una concentrazione di 105 grammi per litro. Questo salto riuscito da un piccolo serbatoio di laboratorio a un grande recipiente di scala industriale ha dimostrato che il processo biologico è abbastanza robusto da gestire le complessità della produzione di massa senza perdere efficienza. Il team ha anche ottimizzato la strategia di alimentazione, aggiungendo con cura il derivato dell'olio di cocco a un ritmo costante per mantenere il lievito sano e produttivo, assicurando che il componente chimico non si accumulasse a livelli tossici all'interno del serbatoio.
Una volta terminato il lavoro del lievito, il team ha affrontato la sfida di separare il componente chimico dalla miscela acquosa, un passaggio che spesso rappresenta la metà del costo di produzione di tali prodotti. I metodi tradizionali prevedono l'uso di acido solforico forte per far precipitare il componente dalla soluzione, il che crea una grande quantità di acque reflue salate che sono difficili ed costose da smaltire. I ricercatori hanno sviluppato un approccio più semplice e diretto utilizzando l'acido acetico, un ingrediente comune presente nell'aceto. Regolando l'acidità del liquido con l'acido acetico e riscaldandolo, sono stati in grado di sciogliere il prodotto chimico grezzo e poi raffreddarlo per formare cristalli puri. Questo metodo ha evitato la necessità di estese fasi di lavaggio e decolorazione, eliminando interamente la generazione di rifiuti di sali inorganici. Il risultato è stato un prodotto con una purezza del 99,4 percento e un aspetto brillante e pulito che eguaglia o supera la qualità delle versioni commerciali realizzate con combustibili fossili.
Per dimostrare che questo componente bio-basato fosse davvero pronto per il mondo reale, i ricercatori lo hanno utilizzato per sintetizzare il nylon 6.12. Hanno combinato il componente purificato derivato dalle piante con un altro componente per creare il polimero plastico, testando le sue proprietà fisiche per vedere come si confrontasse con il nylon commerciale standard. Il nuovo materiale fondeva a 216 gradi Celsius e mostrava un'eccellente durabilità e resistenza al calore, comportandosi in modo quasi identico ai migliori prodotti attualmente sul mercato. Questo lavoro dimostra che è possibile creare plastiche tecniche ad alte prestazioni da risorse rinnovabili utilizzando un processo che è più sicuro, più pulito e pronto per la produzione su larga scala. Combinando l'ingegneria genetica con una strategia di purificazione semplificata, lo studio fornisce un modello pratico per sostituire i pericolosi processi petrolchimici con processi biologici sostenibili, offrendo una via percorribile verso il futuro della chimica verde.
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