4green RICERCA / BIOPOLIMERI
fu scoperta la capacità di alcuni ceppi batterici, in particolare appartenenti al genere Acetobacter( oggi noto come Komagataeibacter), di produrre cellulosa attraverso un processo di fermentazione [ 3 ]. Questa scoperta, avvenuta nel 1886 ad opera di A. J. Brown, aprì la strada alla produzione di cellulosa batterica( BC), un biopolimero con proprietà uniche e potenzialmente superiori rispetto alla cellulosa di origine vegetale. Nonostante la scoperta della BC risalga a oltre un secolo fa, l’ interesse verso questo biopolimero è cresciuto notevolmente solo negli ultimi decenni. Questo rinnovato interesse è dovuto principalmente alle sue potenzialità applicative in numerosi settori industriali, che spaziano dal settore alimentare al settore medico, dal settore cosmetico al settore energetico( batterie). Un ulteriore fattore che ha contribuito all’ aumento dell’ interesse verso la BC è la sua sostenibilità ambientale. La produzione di BC, infatti, non richiede l’ abbattimento di alberi e può essere realizzata utilizzando scarti agricoli come substrato di fermentazione, riducendo così l’ impatto ambientale rispetto alla produzione di cellulosa tradizionale [ 4 ].
Caratteristiche della cellulosa batterica
La BC è un polisaccaride costituito da catene lineari di glucosio legate tramite legami β1-4, analoghi a quelli presenti nella cellulosa vegetale. Tuttavia, a differenza della cellulosa estratta da fonti vegetali, quella batterica si distingue per:
• Maggiore purezza: l’ assenza di impurità quali lignina ed emicellulosa conferisce alla BC caratteristiche chimiche e fisiche particolarmente apprezzabili per applicazioni di alta qualità.
RIFERIMENTI
1. Britannica. Cellulose. In: Encyclopædia Britannica. Disponibile su: https:// www. britannica. com / science / cellulose.
2. Klemm, D., Kramer, F., Moritz, S., Lindström, T., Ankerfors, J., Horvath, T., & Wågberg, L.( 2011). Nanocelluloses: A new family of nature-based materials? Angewandte Chemie International Edition, 50( 24), 5438 – 5466.
3. Brown, A. J.( 1886). On a new constituent of the vegetable cell. Journal of the Chemical Society, Transactions, 49, 432 – 439.
4. Zhong, C.( 2020). Industrial-Scale Production and Applications of Bacterial Cellulose. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8( December), 1 – 19.
5. Sundaravadanam, V., Basu, A., & Lim, S.( 2022). Bacterial cellulose production, functionalization, and development of hybrid materials using synthetic biology. Polymer Journal, 54( 4), 481 – 492.
6. Kamal, T., Ul-Islam, M., Fatima, A., Ullah, M. W., & Manan, S.( 2022). Cost-Effective Synthesis of Bacterial Cellulose and Its Applications in the Food and Environmental Sectors. Gels, 8( 9), 1 – 24.
7. Czaja, W., Krystynowicz, A., Bielecki, S., & Brown, R. M.( 2004). Microbial Cellulose— the Natural Power to Heal Wounds. Biomaterials, 25( 8), 1287 – 1308.
La produzione di cellulosa batterica non richiede l’ abbattimento di alberi e può essere realizzata utilizzando scarti agricoli
• Elevate proprietà meccaniche: la cellulosa batterica è costituita da una rete tridimensionale di nanofibrille, che si auto-assemblano in strutture altamente organizzate. Questa configurazione conferisce al materiale un’ elevata resistenza meccanica, mantenendo al contempo una notevole elasticità e flessibilità. Inoltre, la disposizione delle nanofibrille crea una struttura altamente porosa, capace di trattenere grandi quantità di acqua, rendendo la BC particolarmente utile in applicazioni che richiedono elevata capacità di assorbimento e idratazione [ 5 ].
• Biocompatibilità: le proprietà di biocompatibilità di questo materiale lo rendono un candidato promettente per applicazioni in ambito biomedicale, quali la produzione di dispositivi per la guarigione delle ferite e lo sviluppo di scaffold per l’ ingegneria tissutale. [ 6 ][ 7 ].
L’ enzima che bio-sintetizza la cellulosa, presente nei microrganismi produttori, catalizza la formazione delle catene di glucosio che, una volta espulse attraverso pori della membrana plasmatica, si auto-organizzano in strutture gerarchiche che determinano le eccellenti proprietà finali del materiale.
Metodi di produzione
La produzione industriale di cellulosa batterica si basa principalmente su due approcci fermentativi, che si differenziano per il tipo di coltura: 1. Coltura statica: in questo metodo, i batteri vengono coltivati in un ambiente in cui il mezzo di crescita rimane in condizioni di quiete. Durante la fermentazione, la BC si deposita come un film sottile all’ interfaccia tra la fase liquida e l’ aria. Questa tecnica consente di ottenere pellicole con geometrie definite, particolarmente adatte ad applicazioni nel campo dell’ ingegneria dei materiali e delle biotecnologie.
2. Coltura in agitazione: in condizioni di agitazione, invece, il materiale cellulare si forma sotto forma di particolato disperso nel mezzo di coltura. La dinamica del sistema fermentativo favorisce una maggiore omogeneità e, in molti casi, un incremento della capacità di trattenere acqua, rendendo il prodotto particolarmente interessante per applicazioni dove la gestione dell’ umidità e la plasmabilità del materiale sono cruciali [ 5 ].
Applicazioni e benefici ambientali
Le peculiarità della cellulosa batterica la rendono estremamente versatile:
• Sostituzione di materiali sintetici: la BC può essere
Nel packaging, l’ uso del BC al posto di plastiche tradizionali può ridurre l’ inquinamento grazie alla sua biodegradabilità e bassa tossicità.
L’ enzima responsabile della biosintesi della cellulosa nei microrganismi catalizza la formazione di catene di glucosio che, espulse dalla membrana, si autoorganizzano in strutture gerarchiche, conferendo al materiale proprietà eccellenti
impiegata in settori tradizionalmente dominati da plastiche e fibre sintetiche, contribuendo così alla riduzione della dispersione di microplastiche e all’ impatto ambientale negativo associato agli scarti industriali [ 5 ].
• Confezionamento e imballaggi: nel settore del packaging, l’ utilizzo di BC in sostituzione di alcune plastiche tradizionali potrebbe portare a una significativa diminuzione dell’ inquinamento ambientale, grazie alle proprietà biodegradabili e alla bassa tossicità del materiale.
• Applicazioni biomedicali: grazie alla sua elevata biocompatibilità, la BC trova impiego in ambito medico, ad esempio nella realizzazione di bende per la guarigione delle ferite, nei supporti per il trapianto e come matrice per l’ ingegneria tissutale [ 6 ][ 7 ].
• Sostenibilità: la BC può essere prodotta utilizzando scarti agroalimentari come fonte di zuccheri, riducendo i costi di produzione e favorendo una gestione più sostenibile dei rifiuti organici [ 4 ].
Conclusioni
La cellulosa batterica si configura come una risorsa strategica e sostenibile per il futuro, capace di offrire soluzioni innovative in numerosi settori, dalla tecnologia ai biomedicali, passando per il packaging ecologico. L’ adozione di questa tecnologia consente non solo di ridurre l’ uso di materiali sintetici e processi chimici aggressivi, ma anche di preservare le risorse naturali, evitando l’ abbattimento degli alberi. Con l’ ulteriore miglioramento dei processi di produzione e la valorizzazione di materie prime alternative, la BC potrà consolidarsi come un elemento chiave nell’ economia circolare e nella transizione verso un modello industriale più sostenibile.
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