IL PROGETTO RiVaRIO

Gli obiettivi del progetto

La paglia di riso è tra le biomasse più corpose disponibili al mondo ed è attualmente sotto-utilizzata e priva di valore economico.
Il progetto propone un nuovo approccio per estrarre la silice dalla paglia ed utilizzare il residuo organico post-trattamento per una conveniente fermentazione batterica.
Ciò sarà ottenuto rendendo cellulolitico un batterio produttore di un polimero di forte rilevanza industriale, il γ-PGA.

La tecnologia proposta è abilitante in quanto adattabile alla produzione di altri prodotti ad alto valore aggiunto a partire dalla paglia di riso.

RiVaRIO Mini-fermentatore
Mini-fermentatore
RiVaRIO Bacillus subtilis
Bacillus subtilis al microscopio. Contrasto di Fase, ingrandimento 100X

PERCHÉ É IMPORTANTE SVILUPPARE I BACILLI CELLULOLITICI

L’importanza di sviluppare ceppi di Bacillus che crescano su biomasse di scarto risiede nel fatto che tali microorganismi sono responsabili della produzione di una grande quantità di prodotti biotecnologici industriali utili all’uomo, come gli enzimi proteasi e amilasi,  il cui costo elevato dipende in gran parte dai costi di fermentazione.

Le attività

Le principali componenti organiche della paglia di riso sono cellulose ed emicellulose; il basso contenuto in lignina rende gli zuccheri della massa cellulosica facilmente saccarificabili rispetto ad altre biomasse.

Un altra caratteristica della paglia di riso è l’importante contenuto in silice, un materiale inorganico che si presta a numerose applicazioni, sia in settori tradizionali, sia in settori tecnologicamente avanzati, come nello sviluppo di nuovi materiali isolanti. La silice è presente nella paglia in quantità pari al 10-15% circa.

Il Team di RiVaRIO che fa capo all’unità INSTM, oltre ad avere lo scopo di caratterizzare sia dal punto di vista chimico che fisico la materia prima (la paglia di riso), ha anche lo scopo di caratterizzare i prodotti finali della ricerca ovvero il polimero γ-PGA e la silice, nonché tutti gli eventuali materiali intermedi del processo

Il microrganismo scelto per la fermentazione è Bacillus subtilis, un batterio di forte rilevanza industriale, che trovandosi normalmente nel suolo, è dotato di intrinseche proprietà cellulolitiche.

Tramite ingegneria genetica è stato possibile ottimizzare le proprietà cellulolitiche di Bacillus per renderlo in grado di crescere utilizzando la paglia di riso come sola fonte di carbonio.

RiVaRIO Ceppi improved su CMC
Ceppi improved su CMC
RiVaRIO Ceppo Improved
Ceppo Improved

L’OTTIMIZZAZIONE DI BACILLUS

Nel progetto RiVaRIO il ceppo di Bacillus di partenza è stato in precedenza ottimizzato per la aumentare produzione di un biopolimero di grande interesse biotecnologico, il poli-gamma-glutammato (γ-PGA), il cui sviluppo industriale è limitato dall’alto costo di produzione.

Il γ-PGA è un polimero anionico estremamente versatile, non tossico, biodegradabile, adatto a numerose applicazioni biotecnologiche in campi che spaziano dalla cosmetica, alla bioingegneria, alla bioremediation.

Abbattere i costi di produzione del γ-PGA, grazie all’uso di uno scarto agricolo come la paglia di riso per la fermentazione, contribuirà a rendere questo promettente biomateriale economicamente più accessibile e quindi industrialmente attraente.

Rispetto alle tecnologie attuali di sfruttamento delle biomasse, tra cui va ricordata per importanza la produzione di biocombustibili come il bioetanolo, l’innovazione proposta da RiVaRIO è la possibilità di saccarificazione diretta delle biomasse da parte di microorganismi produttori di bio-commodities, evitando l’aggiunta di enzimi cellulolitici commerciali, che incidono gravosamente sul costo prodotto finale. Tale processo di sfruttamento delle biomasse è definito Consolidate BioProcessing (CBP), ed è uno degli obiettivi chiave della ricerca biotecnologica odierna.

RiVaRIO Polimero γ-PGA
Polimero γ-PGA

I RISULTATI OTTENUTI

È stato sviluppato un protocollo semplice ed a basso impatto ambientale per il trattamento della paglia ed il recupero della silice sotto forma di silice precipitata, xerogel o di aerogel.

Il residuo organico rimanente, sia solido che liquido, è risultato idoneo alla fermentazione batterica.

Sono stati ottenuti ceppi di Bacillus subtilis con proprietà cellulolitiche ottimizzate ed allo stesso tempo privi di geni esogeni o marcatori selezionabili.

Tali ceppi sono in grado di fermentare direttamente i residui organici della paglia e trasformarli in γ-PGA.

La produzione di γ-PGA è solo una delle possibili applicazioni di Bacilli CBP. Questa stessa strategia può essere adattata per la produzione di qualsiasi altra bio-commodity a partire da biomasse di scarto, abbattendo i costi di produzione e favorendo la transizione verso modelli di economia circolare.

RiVaRIO γ-PGA
γ-PGA
RiVaRIO Aerogel di silice
Aerogel di silice
RiVaRIO γ-PGA raccolto da paglia
γ-PGA raccolto da paglia