Biomasse di origine agricola: studio di processi fermentativi per l'ottenimento di polimeri bio-based (BBP) come "speciality chemicals" per applicazioni farmaceutiche, cosmeceutiche e nutraceutiche

Sostenibilità e rispetto dell'ambiente sono alcuni dei driver dell'utilizzo delle biomasse di origine agroalimentare, in quanto tale industria genera grandi quantità di sottoprodotti e rifiuti che possono essere considerati fonti interessanti ed economiche per i processi fermentativi.

L’obiettivo principale del progetto è quello di ottenere molecole ad elevato valore aggiunto: “small molecules” e biopolimeri, da sottoprodotti della produzione agricola e alimentare mediante processi fermentativi, riducendo così l'impatto ambientale del loro smaltimento e aggiungendo valore (up-cycling) ad una biomassa normalmente indirizzata alla combustione. I targets di questi processi fermentativi, condotti con diversi microrganismi, sono rappresentati da molecole destinate all’applicazione nei settori Nutraceutico, Cosmetico o Farmaceutico.

La ricerca sarà orientata secondo diverse direttrici. Un primo filone riguarderà la produzione di idrossi-acidi come ad esempio acido lattico. A tale scopo si svilupperà un processo fermentativo batch utilizzando Lactobacillus casei. Il monomero, una volta purificato, sarà utilizzato come tale (formulazioni cosmetiche come esfoliante) o polimerizzato (acido polilattico, PLA), utilizzando strategie enzimatiche o metodiche che seguono i principi della Green Chemistry.

Altro target riguarderà la produzione di acido ialuronico (HA). Polimero provvisto di un'eccellente viscoelasticità, alta capacità di ritenzione dell'umidità ed elevata biocompatibilità, l'HA trova un'ampia gamma di applicazioni in medicina, cosmetica e nutraceutica. La sua produzione mediante metodiche sostenibili, di filiera corta e indipendente da fonti esterne è diventata sempre più appetibile dal punto di vista industriale. L’approccio fermentativo prevede l’utilizzo del microrganismo Streptococcus zooepidemicus wild type o mutante in quanto capace di produrre HA con la possibilità di variare ampliamente la tipologia di HA ottenuto in funzione di variabili quali il terreno di crescita ed altri microfattori in modo tale da massimizzare la resa di HA ottenibile.

Un altro processo fermentativo che verrà esplorato sarà quello riguardante la produzione di biosurfattanti (BS). Tali polimeri sono un gruppo di molecole tensioattive sintetizzate a livello extracellulare o come parte delle membrane cellulari da microrganismi (batteri, lieviti, funghi e alghe). Il BS focus questo progetto un peptide di elevato costo (500-1000 Euro/Kg). La composizione dei terreni di coltura e condizioni di fermentazione possono influenzarne la struttura e quindi le proprietà. Ai fini del progetto verranno innanzitutto studiate le fermentazioni che portano alla formazione di BS partendo da diversi sottoprodotti dell’industria agroalimentare utilizzando inizialmente ceppi commerciali ed un ceppo specificamente selezionato (ALAB-BS-012). Verrà poi investigata la possibilità di migliorare la produttività utilizzando altri ceppi batterici da noi selezionati. Inoltre, verranno valutate le relazioni struttura-proprietà dei BS ottenuti.

Dai tre filoni di ricerca che verranno condotti ci si aspetta innanzitutto di ottenere le tre tipologie di prodotti: “small molecules” ed eventualmente polimeri bio-based: es. PLA, HA e BS, inoltre, si cercherà di ottimizzare sia le condizioni nelle quali vengono effettuati i processi fermentativi sia le fasi di upstream e downstream in modo tale da ottenere tali composti con rese ottimizzate e in forma il più possibile pura.

Le attività si svolgeranno presso il Dipartimento di Scienze della Vita dell’Università degli Studi di Ferrara e si assoceranno a periodi presso l’azienda Ambrosialab, spin-off accreditato di UniFe, dove si svolgeranno approfondimenti dal punto di vista applicativo farmaceutico, nutraceutico e cosmeceutico.

In particolare, il progetto si articolerà in tre fasi principali:

• FASE 1: sviluppo dei processi fermentativi (fasi di upstream, scelta dei microrganismi, prove su piccola scala in condizioni standard)
• FASE 2: Ottimizzazione dei processi (studio delle condizioni ottimali di fermentazione) e scelta della miglior metodica di downstream.
• FASE 3: Verifica dell’applicabilità farmaceutica, nutraceutica o cosmeceutica.

Guardando all'industria agro-alimentare, la quantità di rifiuti prodotta nel corso degli anni è costantemente aumentata. I sottoprodotti e le acque di scarico sono i principali elementi che vengono solitamente scartati e non riutilizzati; questo include sfalci, semi, gambi, foglie e bucce. Vista la composizione chimica simile a quella delle altre parti commestibili, questi sottoprodotti possono essere riutilizzati per la preparazione di prodotti di alta qualità.

Il pieno sfruttamento delle risorse deve prevedere la costruzione di filiere corte, adeguatamente differenziate e distribuite in grado di garantire l’estrazione di tutti i componenti a elevato valore aggiunto.

Tali sfide rappresentano un’occasione per ripensare il business model italiano in chiave green: il presente progetto, mira a concretizzare i principi previsti dall’area tematica “industria intelligente e sostenibile energia ed ambiente” e le traiettorie di sviluppo relative alle “tecnologie per biomateriali e prodotti biobased e bioraffinerie”. La realizzazione dei principi di “circolarità” dell’economia richiede lo sviluppo di una chimica “rigenerativa” che non “consumi” risorse e non crei “rifiuto”, i cosiddetti “rifiuti” di una produzione possono costituire il “materiale di partenza” per un’altra. Occorre quindi creare, attraverso la biotecnologia industriale, sinergie tra bioenergia, bioprodotti e altri settori con ricadute industriali multisettoriali attraverso lo sviluppo di bioraffinerie integrate.

Ambrosialab s.r.l. - Ferrara

Spin-off universitario accreditato

Durata: 6 mesi

Il progetto è coerente con l'Ambito di Ricerca e Innovazione 5.6 - "Prodotti alimentari, bioeconomia, risorse naturali, agricoltura, ambiente" del PNR 2021-2027

• Valorizzazione scarti industria agro-alimentare
• Biotecnologie industriali
• Green chemistry
• Biopolimeri
• Fermentazioni