La produzione biotecnologica su scala industriale di proteine e vitamine è economicamente sostenibile
Nutrire il mondo con proteine che non richiedono l'agricoltura
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I ricercatori stanno sviluppando processi biotecnologici che consentono ai microbi di produrre proteine e vitamine destinate al consumo umano utilizzando ingredienti chimici di base, quali anidride carbonica, idrogeno e ossigeno, aggirando completamente l’allevamento e l’agricoltura. Poiché questi metodi richiedono anche un apporto energetico, sono comunemente denominati processi “power-to-protein” e “power-to-vitamin”. Il professor Lars Angenent, biotecnologo ambientale del cluster di eccellenza «Control of Microorganisms to Fight Infections» (CMFI) dell’Università di Tubinga, ha ottimizzato in laboratorio uno di questi processi, che produce sia proteine che vitamina B9, nota anche come acido folico.
Il processo è unico nel suo genere in quanto si articola in due fasi, che prevedono l’utilizzo sequenziale di due diversi microrganismi. Angenent e il suo team hanno lavorato per verificare se fosse possibile portarlo su scala industriale in modo tecnicamente ed economicamente sostenibile. Hanno scoperto che un impianto di produzione in grado di fornire a 5,6 milioni di persone la dose giornaliera raccomandata di vitamina B9 e di contribuire al loro apporto proteico a prezzi di mercato si ripagherebbe da solo in soli cinque anni. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista PNAS.
La crescita della popolazione mondiale e il riscaldamento globale pongono sfide importanti per l’agricoltura convenzionale. L’allevamento, in particolare, consuma molte risorse e contribuisce in modo significativo al rilascio di sostanze nocive per l’ambiente. Secondo le stime delle Nazioni Unite, già nel 2023 733 milioni di persone – oltre il nove per cento della popolazione mondiale – soffrivano di denutrizione. «Si teme che questo numero continui ad aumentare. Soprattutto nei paesi più poveri, il fabbisogno proteico non può essere soddisfatto», afferma Lars Angenent. Il corpo umano non è in grado di produrre autonomamente tutti i nutrienti essenziali e dipende dall’assunzione di determinate proteine e vitamine.
I prezzi dell’elettricità hanno un impatto significativo sul costo complessivo
Gli impianti «power-to-protein» e «power-to-vitamin» necessitano di energia per far funzionare i bioreattori. Si tratta di contenitori che ospitano il liquido in cui i microbi trasformano le materie prime nei prodotti desiderati in condizioni controllate, quali temperatura e pressione costanti. È necessaria ulteriore energia per produrre idrogeno libero dall’acqua. Nel sistema a bioreattore a due stadi di Angenent, il batterio Thermoanaerobacter kivui riduce l’anidride carbonica in acetato utilizzando idrogeno in un ambiente privo di ossigeno durante la prima fase di produzione. Il batterio è poco esigente e produce l’acido folico necessario per la produzione di acetato. Successivamente, il lievito di birra – un fungo chiamato Saccharomyces cerevisiae – converte l’acetato in proteine in presenza di aria. «Il lievito stesso, arricchito di proteine e acido folico, è sicuro da consumare. Come integratore alimentare assunto in piccole quantità giornaliere per soddisfare il fabbisogno di vitamina B9, è un alimento sicuro», afferma Angenent. «Se si vuole soddisfare l’intero fabbisogno proteico attraverso proteine prodotte da microrganismi, il lievito deve essere purificato per rimuovere sostanze che possono provocare, ad esempio, la gotta. In tal caso, il processo di produzione diventa di conseguenza più complesso».
Un impianto con bioreattori a due stadi, con un volume di 1.750 metri cubi, come illustrato nel calcolo di esempio del team di ricerca biotecnologica, potrebbe produrre 12,9 chilotonnellate di lievito all’anno, contenenti 813 chilogrammi di acido folico e 5,6 chilotonnellate di proteine. Tale quantità sarebbe sufficiente a fornire a 5,6 milioni di persone la dose giornaliera raccomandata di acido folico e il 5% del loro fabbisogno proteico. A un prezzo di 20 dollari per chilogrammo di lievito arricchito, l’impianto di produzione si ripagherebbe in cinque anni. «Secondo i nostri calcoli, il prezzo minimo per una produzione economicamente sostenibile è determinato principalmente dal costo dell’elettricità e dall’energia necessaria per l’elettrolisi, utilizzata per produrre idrogeno», afferma Angenent. «In condizioni ideali, il prezzo potrebbe essere ridotto a 4,53 dollari al chilogrammo se, ad esempio, non vi fossero costi associati alla produzione di anidride carbonica e se fosse possibile aumentare ulteriormente la velocità di produzione del lievito». Se il processo in due fasi venisse utilizzato principalmente per garantire il fabbisogno proteico della popolazione, il lievito dovrebbe essere sottoposto a trattamento termico per la purificazione. «Ciò farebbe salire il prezzo minimo a 14,24 dollari per chilo di lievito; a un prezzo di 20 dollari, l’impianto si ripagherebbe in sette anni».
In entrambi i modelli di produzione, i test non hanno evidenziato problemi tecnici nel passaggio a un impianto industriale. «I prodotti ottenuti rientrerebbero nella stessa fascia di prezzo di altri prodotti proteici derivati da lievito, piante, siero di latte o alghe e potrebbero probabilmente reggere il confronto con la concorrenza sul mercato alimentare», afferma Angenent. Tuttavia, i calcoli hanno anche evidenziato che, nei processi «power-to-protein» e «power-to-vitamin», i processi elettrochimici per la produzione di idrogeno, in particolare, dovrebbero essere ulteriormente sviluppati per raggiungere una maggiore efficienza. «Ciononostante, i processi presentano un grande potenziale economico sotto diversi punti di vista. Ad esempio, l’impronta di carbonio della produzione di proteine e vitamine potrebbe essere significativamente ridotta rispetto a quella derivante dalla produzione di origine animale e vegetale».
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