La biotecnologia è definita come l’applicazione delle scienze della vita alla sintesi chimica. Questa unità intende analizzarne il ruolo sempre più importante nella produzione diretta, tramite fermentazione, di speciali prodotti chimici come l’acido citrico, l’acido lattico, il propan-1,3-diolo e alcuni aminoacidi.

Altri usi della biotecnologia verranno trattati in altre sezioni di questo sito, per esempio nella produzione di biocarburanti (bioetanolo e biodiesel), di materie prime di base come i gas di sintesi (monossido di carbonio e idrogeno) da biomassa e nella produzione di polimeri biodegradabili come i poli(idrossialcanoati).

L’industria delle biotecnologie ha una lunga storia nel Regno Unito. Già nel 1916, durante la prima guerra mondiale, il batterio Clostridium acetobutylicum veniva alimentato con purè di patate e mais (entrambi contenenti amido) per produrre una miscela di propanone (acetone), butanolo ed etanolo (noto come processo ABE). Il propanone era necessario per produrre cordite per le munizioni. Un tempo l’ABE era secondo solo alla produzione di etanolo, il più grande processo di fermentazione industriale. Tuttavia, l’ascesa dell’industria petrolchimica negli anni ’50 ha fornito materie prime molto più economiche per la produzione di prodotti chimici, mandando l’industria dell’ABE in declino in tutto il mondo.

Figura 1 Molte reazioni biochimiche nell’industria vengono effettuate in reattori in discontinuo. I reattori della foto si trovano in un’unità di produzione di bioetanolo e vengono utilizzati per trattare prodotti di scarto, anidride carbonica, il calore riciclato e l’acqua per la produzione di alghe. Le alghe di questo impianto sono utilizzate per alimentazione animale, prodotti farmaceutici e cosmetici.
Per gentile concessione del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti / Lance Cheung (Wikimedia Commons).

I prodotti petrolchimici sono una risorsa limitata, che diventerà sempre più costosa man mano che il petrolio inizierà a scarseggiare; inoltre il loro uso è associato al rilascio di gas serra che causano il riscaldamento globale. Se producessimo più prodotti chimici utilizzando le biotecnologie, potremmo ridurre la nostra dipendenza dal gas naturale e dal petrolio, oltre a ridurre l’impatto ambientale dell’industria chimica. Ad esempio alcuni prodotti chimici, come l’acido 2-idrossipropan-1,2,3-tricarbossilico (acido citrico), per molti anni sono stati prodotti, su scala di milioni di tonnellate, utilizzando la biotecnologia, poiché le vie chimiche sintetiche sono complesse e costose. Altri esempi degni di nota sono descritti in questa unità, ma ci sono molti altri processi ancora in fase di sviluppo, finalizzati alla produzione di prodotti chimici in piccoli reattori della scala di poche tonnellate. Un’enorme quantità di ricerche è stata fatta da chimici, biotecnologi e ingegneri per rendere queste reazioni più efficienti ed economiche.

I prodotti chimici più importanti prodotti direttamente via fermentazione sono l’acido 2-idrossipropan-1,2,3-tricarbossilico (acido citrico), l’acido 2-idrossipropanoico (acido lattico), il propan-1,3-diolo e gli amminoacidi, ciascuno dei quali verrà descritto in questa unità.

Figura 2 I composti (diversi dall’etanolo) prodotti attraverso reazioni di fermentazione nell’industria chimica.

Acido 3-carbossi-3-idrossipentanoico (acido citrico)

La produzione annuale di acido citrico è di circa 1.4 milioni di tonnellate.

Impieghi

Figura 3 Impieghi dell’acido citrico.

L’acido citrico viene utilizzato principalmente nell’industria alimentare come acidificante nelle bevande analcoliche, come aromatizzante e come conservante. Spesso è elencato negli ingredienti con il codice E330.

Viene utilizzato con l’idrogenocarbonato di sodio in prodotti effervescenti, sia per l’ingestione (aspirina o antiacidi), sia per la cura personale (sali da bagno). Viene anche utilizzato nei detergenti e nei saponi per controllare il pH e per chelare gli ioni metallici in acqua dura per permettere ai detergenti di produrre più schiuma (vedi Unità 19-Tensioattivi).

Produzione

Il processo produttivo maggiormente utilizzato è quello che utilizza il fungo Aspergillus niger, che viene coltivato in soluzioni di saccarosio o glucosio. L’acido citrico prodotto viene precipitato con una soluzione di idrossido di calcio per formare citrato di calcio. Questo sale viene filtrato e l’acido viene rigenerato con acido solforico.

Acido 2-idrossipropanoico (acido lattico)

Annualmente vengono prodotte nel mondo circa 275.000 tonnellate di acido lattico .

Impieghi

Figura 4 Impieghi dell’acido lattico.

Un impiego importante dell’acido lattico è nella produzione del polimero biodegradabile, poli(acido lattico), PLA.

Un altro uso importante dell’acido lattico è nei cibi e nelle bevande, come conservante (è un antiossidante) e per regolare il pH.

L’acido lattico può essere esterificato con etanolo per formare il 2-idrossipropanoato di etile (lattato di etile), un solvente non tossico e biodegradabile. I solventi dell’estere lattato stanno sostituendo sostanze più tossiche come gli alogenoalcani, i solventi negli inchiostri, nelle vernici, nei detergenti e negli sgrassanti.

Anche se l’acido lattico può essere polimerizzato direttamente in una reazione di condensazione, la reazione è reversibile e l’acqua che viene prodotta tende ad idrolizzare la catena polimerica. Invece, l’acido lattico viene prima dimerizzato per fare un lattide ciclico. Questo produce acqua che viene rimossa.

Il lattide viene poi polimerizzato in PLA mediante una reazione di polimerizzazione ad anello, utilizzando lo stagno (II) ottanoato come catalizzatore:

Produzione

L’acido lattico (acido 2-idrossipropanoico) è prodotto dalla fermentazione degli zuccheri del mais (sciroppo di mais) e dello zucchero di canna (melassa) utilizzando un batterio lactobacillus.

Propan-1,3-diolo

Un uso particolarmente importante del propan-1,3-diolo (PDO) è nella produzione del poliestere, politrimetilene tereftalato (PTT). Il PTT è formato dalla reazione di condensazione tra il PDO e l’acido benzene-1,4-dicarbossilico (spesso chiamato acido tereftalico). I catalizzatori più comunemente usati per la reazione sono gli alcossilati di titanio come il titolato di tetrabutile (IV).

Il PTT ha una struttura molto simile a quella del noto polietilene tereftalato di poliestere (PET), prodotto a partire dall’acido etan-1,2-diolo e dal benzen-1,4-dicarbossilico (vedi Unità 59-Poliesteri).

Tuttavia, i gruppi di metilene in più nel PTT danno al polimero pronunciate pieghe nella catena e quindi proprietà diverse rispetto al PET. Si ritiene che il PTT abbia proprietà superiori di recupero allo stiramento rispetto al PET ed è anche facile da tingere (vedi Unità 11- Coloranti). Viene sempre più utilizzato sotto forma di fibra in tessuti, vestiti e tappeti, ma può anche essere utilizzato come termoplastico in parti di automobili, sistemi elettrici ed elettronici.

Il propan-1,3-diolo è anche usato nella preparazione di cosmetici, laminati, adesivi, vernici e inchiostri. Viene anche usato come sostituto delletan-1,2-diolo come refrigerante per motori e come solvente.

Produzione

Il propan-1,3-diolo è prodotto dal mais, che viene cotto e poi macinato per liberare l’amido. L’amido viene idrolizzato per produrre glucosio. Questo viene dato in alimento ad un Escherichia coli geneticamente modificato, che fermenta il glucosio in DOP.

Figura 5 Il tappeto contiene il 37% di politrimetilene tereftalato derivato dal mais tramite propan-1,3-diolo.
Per gentile concessione di DuPont.

Gli amminoacidi

Gli amminoacidi contengono sia gruppi funzionali amminici, sia carbossilici. Le catene lineari di amminoacidi sono i blocchi costitutivi delle proteine. Industrialmente, gli amminoacidi sono utilizzati negli additivi alimentari, nei mangimi e nei prodotti farmaceutici.

Ad eccezione dell’acido amminoetanoico (glicina), gli amminoacidi prodotti industrialmente sono chirali e i due isomeri (D e L) hanno proprietà diverse nelle reazioni biologicamente indotte. Tuttavia, la sintesi chimica produce quantità equimolari di forme D e L e sono necessari ulteriori e costosi passaggi per produrre uno stereoisomero puro. Tuttavia, le vie biotecnologiche hanno il grande vantaggio di produrre puri amminoacidi otticamente attivi.

Gli amminoacidi sono prodotti dalla fermentazione dello zucchero a cui sono state aggiunte piccole quantità di composti contenenti azoto (per esempio, ammoniaca o urea). Vengono utilizzati mutanti del Corynebacterium glutamicum o dell’E. coli geneticamente modificato. I due acidi prodotti sulla scala più grande sono l’acido L-glutammico e la L-lisina.

Acido glutammico – L

Annualmente vengono prodotte circa 1,7 milioni di tonnellate di acido L-glutammico per fermentazione, la maggior parte delle quali è prodotta in Asia, dove una società cinese produce il 33% della produzione mondiale.
La maggior parte viene utilizzata sotto forma di sale, glutammato monosodico (MSG), comunemente usato come esaltatore di sapidità, in particolare negli alimenti trasformati. Il sale sodico viene utilizzato al posto dell’acido, poiché è lo ione glutammato a produrre il sapore e il sale è più solubile in acqua rispetto all’acido madre.

Lisina – L

La produzione annuale di L-lisina è di circa 1 milione di tonnellate, con la Cina che ne produce il 35%. Si tratta di un amminoacido essenziale, il che significa che la maggior parte dei vertebrati non è in grado di sintetizzarlo. È spesso carente nelle diete del bestiame, per cui l’uso principale di L-lisina è nell’alimentazione animale.

Data ultima modifica: 18 marzo 2013

Edizione italiana a cura di Francesca Caprioli e Valter Ballantini 30 dicembre 2020

Foto in alto da National Cancer Institute on Unsplash