Technoeconomic assessment of bacterial nanocellulose production from second generation sugars derived via the OxiOrganosolv pretreatment process
Questo studio valuta la fattibilità tecnico-economica della produzione di nanocellulosa batterica da zuccheri derivati dal settore forestale tramite il pretrattamento OxiOrganosolv, identificando che la minimizzazione del capitale fisso investito nei bioreattori e l'ottimizzazione dei costi delle materie prime e dell'essiccazione sono critiche per il raggiungimento della viabilità economica.
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Nel mondo dei materiali, esiste una costante ricerca di sostanze che siano forti, flessibili e gentili con il pianeta. Uno di questi materiali è la nanocellulosa batterica, una sostanza creata non dalle piante, ma da minuscoli batteri che filano lo zucchero in fibre incredibilmente sottili. A differenza della cellulosa che si trova nel legno o nel cotone, che arriva con un mix di altre parti vegetali come la lignina, questa versione batterica è pura. Forma un foglio simile a un gel che è composto principalmente da acqua, eppure possiede una forza straordinaria e può essere modellata in film, tubi o scaffold per uso medico. Poiché è biodegradabile e non tossica, scienziati e ingegneri sono ansiosi di trovare modi per produrla abbastanza economicamente da poter sostituire la plastica negli imballaggi o per utilizzarla in medicazioni avanzate per le ferite. La sfida è sempre stata il fatto che produrre questo materiale è lento e costoso, richiedendo spesso zuccheri puri e enormi quantità di energia per rimuovere l'acqua dal prodotto finale.
Un team di ricercatori in Grecia ha affrontato recentemente la questione se questo materiale potesse essere reso economicamente sostenibile utilizzando un tipo specifico di zucchero di scarto derivato dagli avanzi della silvicoltura. Si sono concentrati su un processo che prima rimuove le parti legnose e non utili del materiale vegetale usando ossigeno e calore, lasciando dietro di sé una polpa pulita che può essere trasformata in zucchero. Hanno poi posto una domanda semplice ma difficile: se usassimo questo zucchero di seconda generazione per nutrire i batteri, quanto costerebbe effettivamente produrre il prodotto finale? Per trovare la risposta, hanno costruito un modello dettagliato di una fabbrica che potesse produrre cento tonnellate di nanocellulosa batterica secca ogni anno. Non hanno solo tirato a indovinare; hanno calcolato il costo di ogni pezzo di equipaggiamento, ogni goccia d'acqua e ogni ora di elettricità necessaria per far funzionare l'impianto, dal momento in cui arriva lo zucchero al momento in cui i fogli essiccati vengono confezionati.
I ricercatori hanno progettato la disposizione di una fabbrica che si basa su grandi vassoi poco profondi dove i batteri crescono in un ambiente tranquillo e immobile. Questo è necessario perché i batteri hanno bisogno di respirare aria per creare le loro fibre, e agitare la miscela romperebbe i delicati fogli che essi formano. Il processo prevede un ciclo lungo di circa otto giorni per ogni lotto, durante il quale i batteri consumano lo zucchero e costruiscono uno strato spesso di nanocellulosa sulla superficie del liquido. Una volta completata la crescita, i fogli vengono raccolti, lavati con una soluzione di pulizia leggera per rimuovere i batteri e poi asciugati. Il team ha modellato due esiti diversi per il prodotto finale: uno in cui il materiale viene asciugato fino a diventare quasi completamente solido con una piccola quantità di umidità, e un altro in cui viene venduto come gel umido che è quasi interamente acqua.
Quando hanno analizzato i numeri, i risultati sono stati chiari ma impegnativi. Per rendere il progetto finanziariamente sostenibile, l'azienda dovrebbe vendere il materiale essiccato a circa duecento e tre euro per chilogrammo, o il gel umido a poco più di due euro per chilogrammo. Questi prezzi sono alti, ma riflettono la realtà dell'attuale tecnologia. Il principale fattore di costo non era lo zucchero o l'elettricità, ma il macchinario stesso. I ricercatori hanno scoperto che l'attrezzatura necessaria per far crescere i batteri, specificamente i serbatoi di inoculo e i grandi reattori a vassoio, rappresentava quasi l'ottanta per cento del costo totale per costruire la fabbrica. Questo pesante investimento è richiesto perché i batteri crescono lentamente, il che significa che la fabbrica ha bisogno di un gran numero di reattori che lavorano simultaneamente per produrre una quantità decente di prodotto in un anno.
Lo studio ha anche evidenziato che il costo di nutrimento dei batteri è un fattore importante. La soluzione di zucchero richiede nutrienti costosi, in particolare un ingrediente ricco di proteine chiamato peptone, che costituisce una parte significativa del budget operativo giornaliero. Inoltre, il processo genera un grande volume di acque reflue che devono essere trattate con cura, aggiungendo un altro livello di costo e complessità. I ricercatori hanno osservato che la fase di asciugatura, pur essendo energivora, è un onere finanziario minore rispetto ai costi delle attrezzature, ma rimane critica perché il modo in cui il materiale viene asciugato ne cambia le proprietà fisiche. Se il materiale viene asciugato troppo aggressivamente, perde le qualità uniche che lo rendono prezioso per applicazioni di alto livello.
Nonostante l'alto prezzo, l'analisi suggerisce che il progetto potrebbe essere redditizio su una durata di trent'anni, a condizione che il mercato dia valore alle proprietà uniche del materiale per pagare il premio. I ricercatori hanno concluso che la strada per rendere questo materiale più economico risiede nell'ingegnerizzare reattori migliori e meno costosi e nel trovare modi per accorciare i lunghi cicli di fermentazione. Hanno inoltre sottolineato che migliorare l'efficienza del processo di asciugatura e trovare modi più economici per trattare le acque reflue sono passi essenziali. Mentre il modello attuale mostra che la nanocellulosa batterica è un prodotto ad alto costo, lo studio fornisce una chiara tabella di marcia su dove siano necessari i miglioramenti per avvicinarla al prezzo dei materiali quotidiani. Il lavoro conferma che, sebbene la tecnologia sia valida, l'economia è attualmente serrata, facendo affidamento sulla qualità superiore del materiale per giustificarne il costo in mercati di nicchia come la medicina e l'imballaggio avanzato.
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