Bioetanolo e prodotti di fermentazione dalla carruba
La parte carnosa del frutto di carruba contiene fino a metà del suo peso secco in zucchero. Questo alto e facilmente estraibile contenuto di zucchero rende la carruba una materia prima interessante non solo per l'alimentazione, ma anche per la fermentazione industriale. Negli ultimi trent'anni sono stati condotti numerosi studi per ottenere diversi prodotti di fermentazione dalla carruba, in particolare bioetanolo, acido citrico, acido lattico e manitolo.
In questo articolo discutiamo il profilo zuccherico della carruba, i metodi utilizzati nella produzione di bioetanolo e i risultati ottenuti, la valutazione dei rifiuti di carruba per il bioetanolo di seconda generazione, altri prodotti di fermentazione e le limitazioni economiche e tecniche in questo campo.
Il profilo zuccherico della carruba: le fondamenta della fermentazione
La maggior parte dei prodotti prodotti tramite fermentazione si basa su microrganismi che convertono gli zuccheri. Pertanto, il valore di una materia prima nella fermentazione dipende in gran parte dal suo contenuto di zuccheri e da quanto facilmente questi zuccheri siano accessibili.
Nello studio del 2007 di Biner et al., che ha esaminato la carruba coltivata nei bacini mediterraneo ed egeo della Turchia, è stato riportato che lo zucchero più abbondante nei baccelli senza semi era lo saccarosio, mentre glucosio e fruttosio sono stati trovati in quantità inferiori. Lo zucchero totale è stato misurato come 531 ± 93 g/kg di peso secco e 437 ± 77 g/kg nelle varietà selvatiche coltivate.
Un quadro simile si osserva nei sottoprodotti industriali. Lima-Costa et al. hanno affermato che piccoli frammenti provenienti dall'industria della lavorazione della carruba contengono il 45-50 percento di zucchero solubile; Rodrigues et al. affermano che circa il 50 percento del peso secco dei rifiuti di carruba è costituito da saccarosio, glucosio e fruttosio.
Una caratteristica importante che distingue la carruba da molte materie prime lignocellulosiche è che i suoi zuccheri sono in gran parte liberi. Mentre materie prime come legno e paglia richiedono pretrattamento e idrolisi enzimatica per rilasciare gli zuccheri, gli zuccheri possono essere estratti con acqua in carruba.
Fasi chiave della produzione di bioetanolo
La produzione di bioetanolo dalla carruba consiste generalmente nei seguenti passaggi:
| Preparazione | Rompere la carruba, separare i semi |
| Estrazione dello zucchero | Rimozione degli zuccheri nella fase liquida con acqua calda |
| Fermentazione | Conversione dello zucchero in etanolo da parte di lieviti o batteri |
| Distillazione e purificazione | Separazione dell'etanolo dal mezzo di fermentazione |
Il progetto di processo di Sánchez-Segado et al. per un ipotetico impianto di bioetanolo segue questa logica: estrazione acquosa da baccelli, seguita da fermentazione e distillazione.
Uno degli studi importanti sulle condizioni di estrazione appartiene a Turhan et al. I ricercatori hanno determinato le condizioni ottimali di estrazione per il frutto di carruba con il metodo della superficie a risposta; Hanno ottenuto un estratto contenente 115,3 g/L di zucchero a una temperatura di 80 °C, 2 ore e un rapporto frutta:acqua 1:4.
Fermentazione con lievito: risultati della ricerca
Il microrganismo più studiato nella produzione di etanolo da estratto di carruba è Saccharomyces cerevisiae, noto anche come lievito di pane e lievito di birra. La tabella seguente riassume alcuni dei risultati riportati in diversi studi:
| Funzionamento | Metodo | Risultato principale riportato |
|---|---|---|
| Turhan et al. (2010) | S. cerevisiae libera, pH controllato (5,5) | 42,6 g/L etanolo; Tasso di produzione di 3,37 g/L/ora |
| Yatmaz, Turhan e Karhan (2013) | Il ca-alginato immobilizzò S. cerevisiae, agitò il bioreattore in serbatoio | 40,10 g/L di etanolo; 3,19 g/L/ora; consumo di zucchero 90,66%; durata 24 ore |
| Roukas (1994) | S. cerevisiae immobilizzate, cultura agitata | Massimo consumo di etanolo di 65 g/L; resa di 0,44 g/g |
| Lima-Costa et al. (2012) | Medium ad alto contenuto di zucchero, batch e lotto per mangime | 90–95% dello zucchero consumato; resa 0,47–0,50 g/g; 100–110 g/L etanolo |
| Rodrigues et al. (2015) | Scarti di carruba, diverse concentrazioni iniziali di zucchero | Resa di 0,42 g/g a 250 g/L di zucchero di partenza |
I valori nella tabella non dovrebbero essere confrontati direttamente tra loro, poiché sono stati ottenuti in condizioni diverse, su scale diverse e con metodi di misura differenti. Tuttavia, il quadro generale mostra che gli zuccheri carrubi sono fortemente consumati dai lieviti e che è possibile convertire l'etanolo vicino al rendimento teorico.
Alcune lezioni tecniche di questi studi sono le seguenti:
| Controllo del pH | Turhan et al. hanno raggiunto una concentrazione e un tasso di produzione di etanolo più elevati rispetto al pH incontrollato mantenendo il pH a 5,5. |
| Sorgente di azoto | Nello stesso studio sono state indagate le fonti economiche di azoto; Raposo et al. hanno inoltre analizzato diverse fonti di azoto organico e inorganico nella produzione di etanolo dai rifiuti di carruba. |
| Immobilizzazione | Nello studio di Yatmaz et al., è stato dimostrato che le cellule immobilizzate possono essere riutilizzate per cinque cicli. |
| Concentrazione di zucchero | Rodrigues et al. hanno riferito che la concentrazione iniziale di zucchero modifica significativamente il metabolismo del lievito; ad alte concentrazioni, lo zucchero è quasi completamente diretto all'etanolo. |
Fermentazione batterica e approcci allo stato solido
Oltre ai lieviti, il batterio Zymomonas mobilis è stato testato anche nella produzione di etanolo dalla carruba. Vaheed et al. hanno ottimizzato la produzione di etanolo dall'estratto di carruba con Z. mobilis tramite disegno sperimentale statistico. Saharkhiz et al., invece, hanno sottolineato che l'estrazione dello zucchero è un passo costoso e hanno esaminato la fermentazione "solido-immersa" che non richiede estrazione, ottenendo 0,42 g di etanolo per grammo di zucchero di partenza con Z. mobilis in condizioni di 30 °C e pH 5,3.
L'idea di ridurre la fase di estrazione emerge anche nella valutazione dei rifiuti di carruba. Bahry et al. hanno descritto un processo per la produzione di etanolo di seconda generazione da rifiuti solidi residui dalla preparazione dello sciroppo di carruba nell'industria alimentare libanese; hanno confrontato la fermentazione sommersa con quella a stato solido. Nello studio, è stato riportato che il funzionamento della fermentazione allo stato solido è più semplice ed economico, con una resa di 0,458 g di etanolo per grammo di zucchero consumato.
Scarti di carruba e bioetanolo di seconda generazione
Il bioetanolo di "prima generazione" è prodotto direttamente da materie prime zuccherate o amidacine, che possono essere utilizzate anche come alimento, mentre il bioetanolo di "seconda generazione" viene prodotto da rifiuti agricoli e industriali. La carruba occupa una posizione interessante in questa distinzione.
Il principale valore economico della carruba deriva in gran parte dalla gomma ottenuta dal chicco; la polpa viene trasformata in prodotti come farina, melassa e mangimi. Piccole granella prodotte durante la lavorazione e la polpa dalla produzione di melassa o sciroppo possono comunque contenere quantità significative di zucchero. Lima-Costa et al. identificano i materiali di scarto dell'industria della lavorazione della carruba come una potenziale fonte di bioetanolo di seconda generazione.
Questo approccio ha senso anche per l'economia circolare nell'industria della carruba: la conversione dei sottoprodotti zuccherati rimasti dopo la produzione di prodotti alimentari in materie prime energetiche o chimiche permette di estrarre più valore dalla stessa materia prima.
Prodotti di fermentazione diversi dal bioetanolo
Gli zuccheri di carruba sono stati sperimentati come mezzo nutritivo non solo per l'etanolo ma anche per diversi prodotti biotecnologici.
Acido citrico: Nello studio di Roukas del 1998, è stata indagata la produzione di acido citrico tramite fermentazione superficiale da estratto di carruba con muffa di Aspergillus niger; sono state ottenute concentrazioni iniziali di zucchero e acido citrico fino a 85,5 g/L in condizioni di pH 6,5 e 30 °C.
Acido lattico: Azaizeh et al. hanno esaminato la produzione di acido lattico da biomasse di carruba, banana e canna da zucchero; hanno riferito che l'aggiunta di estratto di lievito nella carruba aumentava la produttività. Bahry et al. hanno inoltre ottimizzato la produzione di acido lattico dai rifiuti di carruba dell'industria alimentare libanese con Lactobacillus rhamnosus intrappolata in perle di alginato.
Mannitol: Nello studio di Carvalheiro et al., otto batteri lattici che producono mannitolo sono stati prodotti in sciroppo di carruba fortificato; tutti i ceppi sono stati segnalati come produttori di mannitolo con rese superiori a 0,70 g per grammo di fruttosio.
| Prodotto | Microrganismi (esempio) | Possibile caso d'uso |
|---|---|---|
| Etanolo | Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis | Industria del carburante, solvente, chimica |
| Acido citrico | Aspergillus niger | Acidificanti alimentari, farmaci e prodotti per la pulizia |
| Acido lattico | Bacillo coagulante, Lactobacillus rhamnosus | Materiale grezzo additivo alimentare, bioplastico (PLA) |
| Mannitolo | Batteri dell'acido lattico (leuconostoc, ecc.) | Dolcificante a basso contenuto calorico, industria farmaceutica |
Limitazioni economiche e tecniche
I risultati promettenti ottenuti su scala di laboratorio e pilota non significano che la carruba possa essere utilizzata come materia prima al bioetanolo su scala industriale. Ci sono diverse ragioni per questo:
| Costo delle materie prime | L'analisi economica di Sánchez-Segado et al. per l'ipotetica pianta ha mostrato che la redditività dell'impianto dipende fortemente dal prezzo del baccello di fagiolo di locusta, e che lo stabilimento può essere redditizio solo al di sotto di un certo prezzo delle materie prime. È stato inoltre riportato che l'aumento della capacità influisce sui costi. |
| Usi concorrenti | La polpa di carruba è utilizzata nei settori alimentare (farina, melassa, sciroppo e mangimi); questi usi generalmente offrono un valore aggiunto superiore rispetto alla produzione di energia. |
| Stagionalità e offerta | La carruba viene raccolta una volta all'anno; per un impianto in continuo funzionamento, è necessario immagazzinare la materia prima. |
| Costo di estrazione | Come sottolineano Saharkhiz et al., l'estrazione dello zucchero è un passo costoso; perciò, si stanno esplorando alternative come la fermentazione a stato solido e la fermentazione sommersa solida. |
Per questi motivi, la produzione di bioetanolo dalla carruba acquisisce significato all'interno di un approccio di bioraffineria, in cui vengono valutati i sottoprodotti zuccherati che emergono dopo la lavorazione degli alimenti, non come prodotto primario.
Domande Frequenti
Perché la carruba è considerata una materia prima adatta per il bioetanolo? La polpa di carruba contiene fino a circa la metà del suo peso secco di zuccheri, che possono essere facilmente estratti con acqua perché sono in gran parte liberi.
Il bioetanolo viene prodotto dalla carruba su scala commerciale? Le fonti esaminate in questo articolo sono principalmente studi di laboratorio, su scala pilota e ipotetici di piante. Le analisi economiche mostrano che la redditività dipende fortemente dal prezzo delle materie prime.
Cosa significa bioetanolo di seconda generazione? Si tratta di bioetanolo prodotto da rifiuti agricoli e industriali invece che da materie prime utilizzate direttamente come alimento. I rifiuti di lavorazione della carruba e le polpe di produzione di sciroppo vengono valutati in questo contesto.
Cosa si può produrre dalla carruba oltre all'etanolo? Nella ricerca, prodotti come acido citrico, acido lattico e mannitolo sono stati ottenuti da zuccheri di carruba tramite fermentazione.
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Nelle applicazioni basate sulla fermentazione, come in quelle alimentari, la pulizia, l'umidità e la consistenza del contenuto di zucchero della materia prima influenzano direttamente il risultato. L'utilizzo di materie prime standard nei progetti di ricerca e sviluppo è anche importante per la riproducibilità dei risultati.
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Fonti straniere
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