Modalità di fermentazione ed effetti del mezzo sulla produzione di 1,3-propanediolo e acidi organici utilizzando Levilactobacillus brevis PD20.100

Trasformare gli scarti in materiali utili

Ogni giorno, le industrie producono materiali di scarto difficili da riutilizzare, come il glicerolo grezzo dagli impianti di biodiesel e i residui ricchi di proteine della lavorazione del pesce. Questo studio esplora come un microrganismo adattato possa convertire questi rifiuti a basso valore in 1,3-propanediolo—un ingrediente chiave per plastiche più ecologiche e prodotti per la cura personale—insieme a acidi organici utili. Confrontando diverse modalità di conduzione delle fermentazioni e varie ricette nutrizionali, i ricercatori cercano il punto ottimale in cui sostenibilità, costi e produttività si allineano.

Dai rifiuti da carburante e dagli scarti di pesce a nuovi prodotti

Il lavoro si concentra sul 1,3-propanediolo, una piccola molecola impiegata per produrre fibre elastiche e resistenti per abbigliamento e altri prodotti, oltre che come ingrediente in antigelo, vernici e cosmetici. Tradizionalmente ottenuto dal petrolio, può invece essere prodotto da microrganismi che “consumano” fonti di carbonio. Qui, il team utilizza glicerolo grezzo, un sottoprodotto della produzione di biodiesel spesso ricco di impurità, insieme al glucosio come principali fonti di carbonio. Per l'azoto—l'altro nutriente fondamentale per i microrganismi—vengono testate due opzioni: un mezzo di laboratorio ricco convenzionale chiamato mMRS modificato, e l'idrolizzato proteico di pesce (FPH), un prodotto in polvere ottenuto dagli scarti della lavorazione del pesce. L'obiettivo è verificare se l'FPH può sostituire ingredienti da laboratorio costosi mantenendo una produzione elevata.

Come lavorano i microrganismi

I ricercatori lavorano con un ceppo adattivamente evoluto del batterio lattico Levilactobacillus brevis PD20.100, addestrato a tollerare alti livelli di zuccheri e glicerolo grezzo. All'interno delle cellule, il glicerolo viene diviso tra due rami collegati: uno lo converte in 1,3-propanediolo, l'altro lo trasforma in acido lattico e acetico. Questi rami condividono “elettroni” interni, quindi l'equilibrio tra di essi è cruciale. Se le condizioni sono favorevoli, più flusso va verso il 1,3-propanediolo; altrimenti, una maggiore parte finisce come acidi. Lo studio esamina come la composizione del mezzo (mMRS versus FPH), la forma cellulare (cellule libere in sospensione versus immobilizzate in perle di alginato) e lo stile di fermentazione (batch singolo, fed-batch e batch ripetuti) influenzino questo equilibrio.

Confronto delle modalità di fermentazione

In semplici esperimenti batch con cellule sospese e entrambe le fonti di carbonio a 60 g/L, mMRS ha dato i risultati complessivi migliori, raggiungendo circa 39–40 g/L di 1,3-propanediolo con conversione molto elevata del glicerolo grezzo. Utilizzando invece l'FPH, il microrganismo ha comunque prodotto un rispettabile 27–31 g/L, ma è cresciuto più lentamente e ha lasciato più substrato inutilizzato, probabilmente perché l'FPH contiene peptidi amari o inibitori e manca di alcune vitamine presenti in mMRS. L'immobilizzazione delle cellule in perle di alginato ha migliorato la stabilità e permesso il riutilizzo, ma in genere ha ridotto i livelli massimi di prodotto rispetto alle cellule libere. Quando il team ha provato strategie fed-batch—aggiungendo più glicerolo e glucosio nel tempo—un particolare schema di alimentazione in mMRS ha mostrato buone prestazioni, seppur ancora inferiori al miglior batch. Con l'FPH, le stesse strategie hanno portato a rese più basse e a rallentamenti più marcati nel tempo.

Riutilizzo delle cellule e scale-up

Le fermentazioni in batch ripetuti, in cui cellule o perle vengono ciclate attraverso mezzo fresco più volte, hanno rivelato come la prestazione cambi nel tempo. Le cellule sospese in mMRS hanno mantenuto un'elevata produzione di 1,3-propanediolo per diversi cicli prima di declinare gradualmente, probabilmente a causa dello stress e dell'accumulo di prodotto che riduceva la salute cellulare. In FPH questo calo è avvenuto prima e più bruscamente, indicando effetti cumulativi di componenti inibitori. Le cellule immobilizzate in perle di alginato hanno mostrato un andamento simile: buone prestazioni iniziali in mMRS, ma cali evidenti dopo alcuni cicli, soprattutto con FPH. Infine, i ricercatori sono passati a un fermentatore agitato controllato utilizzando l'FPH. Con un migliore controllo del pH, del mescolamento e dei livelli di ossigeno, il sistema ha raggiunto quasi 29 g/L di 1,3-propanediolo e ha sfruttato il glicerolo grezzo in modo molto più efficiente rispetto alle piccole colture in flaconi agitati.

Cosa significa per una produzione più verde

Nel complesso, lo studio mostra che il ceppo evoluto L. brevis PD20.100 può convertire il glicerolo, sottoprodotto del biodiesel, in prezioso 1,3-propanediolo e acidi organici in diverse condizioni. Il mezzo convenzionale mMRS continua a offrire le rese più alte e le fermentazioni più rapide, ma l'idrolizzato proteico di pesce—prodotto dagli scarti della lavorazione ittica—emerge come una fonte di azoto promettente, a costo inferiore e più sostenibile. Con una progettazione attenta dei processi, controlli più accurati nei bioreattori e un ulteriore affinamento della composizione dell'FPH, gli autori sostengono che questo approccio potrebbe aiutare l'industria a convertire due flussi di rifiuto problematici in sostanze chimiche utili, promuovendo obiettivi di bioeconomia circolare e una produzione di materiali più verde.

Citazione: Alphy, M.P., Anjitha, S.K., Sherin, S.D. et al. Fermentation mode and media effects on 1,3-propanediol and organic acids production using Levilactobacillus brevis PD20.100. npj Mater. Sustain. 4, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00106-x

Parole chiave: 1,3-propanediolo, glicerolo grezzo, idrolizzato proteico di pesce, batteri lattici, fermentazione sostenibile