Sweet Waste

Dolci scarti: quando il rifiuto diventa una risorsa. Lo scorso aprile durante il nostro Hackathon, Hacking the City, abbiamo avuto il piacere di avere con noi numerosi ospiti, tra cui la Professoressa Paola Branduardi dell’Università degli studi  Milano-Bicocca.  

Nel 2050 il numero di abitanti sul pianeta Terra sarà all’incirca di 9 miliardi, un dato conosciuto non di recente, ma che è accompagnato da una recente percezione di poter offrire delle soluzioni alternative che siano in grado praticamente di risolvere le sfide attuali garantendo a tutta la popolazione un accesso equo a beni e servizi.  

Come può il micro non essere in realtà un’altra faccia del macro?  

Da quando è arrivata all’Università Milano-Bicocca, la Prof.ssa Branduardi si è occupata dei microrganismi considerandoli come gli attori principali dell’equilibrio dinamico del nostro Pianeta e studiando il ruolo che possono giocare anche nel macro ambito. Durante la sua presentazione ha spiegato che la Terra è caratterizzata al suo interno da flussi di materia di energia che non sono altro che il modo dinamico che questa ha di tenere in equilibrio la parte biotica (dove c’è vita) e quella abiotica (dove c’è materia). È fondamentale che questo flusso continui e che tutto ciò rimanga in un andamento ciclico, dove i produttori primari sono con una materia organica che poi è consumata, e qui troviamo sia organismi che microorganismi. Dopodiché, c’è la fase di decomposizione che riporta i nutrienti organici ed inorganici a disposizione. Questa chiusura del cerchio la fanno solo i microrganismi con dei metabolismi unici e la fanno sin dalla loro comparsa sulla Terra, dove sono i primissimi abitanti e sono anche la maggior biomassa vivente.  

La Prof.ssa Branduardi ed il suo team, prendono ispirazione dalla natura e da ciò che già conoscono, ad esempio i lieviti, per studiarli nella loro biodiversità ed inserirvi dei principi di ingegnerizzazione che possano espanderne le capacità, e tramite il loro utilizzo vanno a creare vari nuovi prodotti.  

Il problema attuale, è che il nostro sistema economico è stato impostato quando ancora eravamo pochi sul Pianeta e riuscivamo ad utilizzare le sue risorse soddisfacendo i nostri bisogni nei limiti garantiti da queste. Si è riusciti a mantenere questa condizione fino agli anni ’70 da lì in poi, però, la situazione è gradualmente peggiorata creando un disequilibrio evidente causato dall’uomo. Questo disequilibrio deriva in realtà dal nostro modello economico lineare con cui utilizziamo le risorse in una logica di “take-make-use-dispose”, dove prendiamo le materie prime, costruiamo, usiamo e poi gettiamo, senza pensare che questo vettore non tornerà mai al suo punto di partenza.  

Le conseguenze che derivano da questo sistema economico sono perlomeno di due tipi: 

  • durante, sia l’estrazione che la lavorazione, la distribuzione ed il consumo, utilizziamo fondamentalmente fonti fossili che si rigenerano in tempi geologici e perciò non compatibili con il nostro utilizzo; 
  • durante tutte le fasi di questa filiera, si generano molti sprechi e scarti che sono da un lato elementi inquinanti di cui doversi occupare, determinando anche dei costi diretti ed indiretti, e, dall’altro, dimostrano che stiamo continuando ad utilizzare male le risorse del pianeta nonostante sappiamo di andare avanti a debito. 

Come cambiare questo trend? 

Se ci focalizziamo solo sulla filiera produttiva alimentare, è noto che 1/3 di tutto quello che produciamo viene buttato generando anche almeno il 10% dei gas serra. Questi numeri dimostrano ancora una volta che le risorse sono usate male e che hanno un peso diretto o indiretto su di noi. 

Per cambiare il sistema si può cominciare chiedendosi cosa c’è in questi scarti che sono in realtà ancora ricchi di molte risorse organiche da poter sfruttare tra cui proteine, fibre, zuccheri ed inorganiche, come sali, grassi e tante altre. 

La Prof.ssa ed il suo team si occupano di rivalorizzare questi scarti tramite l’uso di microrganismi. In questo processo, utilizzano i substrati, cioè il cibo che i microrganismi devono ingerire, facendo attenzione che questo derivi da biomasse residuali non in competizione con la filiera alimentare, per creare dei prodotti che partendo da queste biomasse residue vanno a soddisfare un’ampia gamma di altri prodotti, che sono quelli che solitamente vengono generati dalla filiera petrolchimica. La sfida è vedere come questo possa diventare un processo tecnologico che sia poi in grado di impattare positivamente anche le filiere produttive. Si tratta di spunti di conversione che pian piano si stanno inserendo in queste realtà, in alcuni ambiti sono delle vere e proprie rivoluzioni, in altri si affiancano e in altri ancora creano casi di simbiosi industriale. 

Ad esempio, ha sottolineato la Prof.ssa, il turnover delle biomasse questa volta è compatibile con il loro utilizzo e, se si creano dei prodotti bio-based che sono anche biodegradabili, non solo ci si occupa dell’inizio della vita di questi prodotti, ma anche di chiudere il loro cerchio facendo in modo che ritornino all’inizio della filiera.  

Prendendo come esempio il caso della filiera produttiva del biodiesel, questa ha inizio da piante oleose che vengono utilizzate in quanto dai loro semi è possibile estrarre i grassi e poi da questi, tramite un processo chimico che si chiama transesterificazione si produce il biodiesel. La CO2 che ne verrà liberata sarà poi fissata di nuovo dalle piante chiudendo così il cerchio. In realtà, questo processo produttivo genera comunque uno scarto sostanziale che è il glicerolo grezzo, che rappresenta 1/10 della produzione in termini volumetrici e scartarlo sarebbe uno spreco, per questo, il team ha lavorato con dei microrganismi che accumulano naturalmente oli quando si trovano in una condizione in cui invece di avere un giusto bilanciamento tra azoto e carbonio, hanno più fonte di carbonio che di azoto. I microrganismi oleaginosi possono accumulare fino al 70% del loro peso in forma di oli microbici.  

Uno dei punti fondamentali su cui adesso si sta lavorando è assicurare il cibo a tutta la popolazione, si sa infatti, ad esempio, che il pesce è un alimento importante da un punto di vista nutritivo però il pescato attuale non è sufficiente e quindi si pratica l’acquacoltura. Questa però ha un problema, perché per dare un giusto alimento ai pesci d’allevamento si dovrebbe dare l’olio di pesce, ma se questi non si hanno come si può darli il loro olio? Ci sono molti casi in cui i mangimi per i pesci non sono correttamente bilanciati per questo apporto perché altrimenti i costi di produzione diventerebbero particolarmente alti. In questo progetto, portato avanti dalla Prof.ssa ed il suo team, si è deciso di usare proprio lo scarto del biodiesel, il glicerolo grezzo, ed una serie di microrganismi oleaginosi per creare questo olio, che è stato visto essere molto ricco anche di omega 3, e poi grazie ad alcuni altri microrganismi è stato arricchito in carotenoidi, degli importanti antiossidanti, formulando così un nuovo mangime per pesci. Il mangime è stato poi testato sui branzini, grazie alla collaborazione con l’Università Insubria di Varese, ed è stato visto che effettivamente rispetto alle vasche di controllo, le vasche con i pesci cresciuti con questo mangime, erano più arricchiti in omega 3. 

Questo esempio dimostra come la valorizzazione di uno scarto può dare una nuova possibilità ed incentivo a delle nuove produzioni che siano circolari e sostenibili.           

Per saperne di più potete guardare il video dell’intervento della Prof.ssa Branduardi qui sotto.  

Inglese: 

Sweet waste  

Sweet waste: when waste becomes resource. Last april, during our Hackathon, Hacking the City, we had the pleasure of having numerous guests among who also Professor Paola Branduardi from the University of Milan-Bicocca.   

In 2050, the number of inhabitants on Earth will be approximately 9 billion, a number that is not recent, but which is followed by a recent perception of being able to offer alternative solutions that are practically capable of solving the current challenges by guaranteeing all the population fair access to same goods and services.   

How can the micro not actually be another face of the macro?   

Since she arrived at the University of Milan-Bicocca, Prof. Branduardi has focused on micro-organisms, considering them to be the main players in the dynamic balance of our Planet and studying the role they can also play in the macro sphere. During her presentation, she explained that the Earth is characterised internally by flows of matter and energy, which are nothing more than the Earth’s dynamic way of keeping the biotic part (where there is life) and the abiotic part (where there is matter) in balance. It is essential that this flow continues and that all this remains in a cyclical pattern, where the primary producers are with organic matter which is then consumed, and here we find both organisms and micro-organisms. After that, there is the decomposition phase that brings the organic and inorganic nutrients back into the loop. This closing of the circle is only done by micro-organisms, which have unique metabolisms, and they have been doing this since their appearance on Earth, where they are the very first inhabitants and also the largest living biomass.   

Prof. Branduardi and her team take inspiration from nature and from what they already know, about yeasts for instance, to study their biodiversity and incorporate engineering principles that can expand their capacities, and through their use they create new products.   

The current problem is that our economic system was set up when there were still few of us on the planet and we were able to use its resources and satisfy our needs within the limits guaranteed by them. We managed to maintain this condition until the 1970s, but from then on, the situation gradually worsened, creating an evident imbalance caused in part by men. This imbalance actually derives from our linear economic model whereby we use resources in a “take-make-use- dispose” logic, with which we take raw materials with which we build, use and then throw away, without thinking that this vector will never return to its starting point.   

The consequences of this economic system are at least twofold:   

  • during both extraction, processing, distribution and consumption, we basically use fossil sources which regenerate in geological time and are therefore not compatible with our use;  
  • during all the stages of this chain, we generate a lot of waste and scrap which, on one hand, is a polluting element that we have to deal with, leading to direct and indirect costs, and, on the other hand, it shows that we keep misusing the planet’s resources despite knowing that we are running on debt.  

How can we change this trend?   

Focusing only on the food production chain, it is well known that 1/3 of everything we produce is thrown away, generating at least 10% of greenhouse gases. These numbers show once again that resources are being misused and that they are directly or indirectly affecting us. 

To change the system, we can start by asking ourself what’s in this waste, which is actually still rich in many organic resources that can be exploited, including proteins, fibres, sugars and inorganic resources such assalts, fats and many others.  

Professor Branduardi and her team are working on revalorising those wastes through the use of micro-organisms. In this process, they use the substrates, which is the food that the micro-organisms have to ingest, making sure that it is derived from residual biomass and it is not in competition with the food chain, to create products from these residual biomasses to satisfy a wide range of other products, which are those usually generated by the petrochemical industries. The challenge is to see how this can become a technological process that is then able to have a positive impact on production chains. Those ideas are gradually being incorporated into these realities, in some areas they are real revolutions, in others they go hand in hand with what already exist, and in others they create cases of industrial symbiosis.  

For example, she stressed, the turnover of biomass this time is compatible with its use and, if you create bio-based products that are also biodegradable, you are not only taking care of the beginning of the life of those products, but you are also closing their circle by ensuring that they return to the beginning of the chain.    

Taking the case of the biodiesel production chain as an example, this starts with oil plants, which are used because it is possible to extract fats from their seeds and then, through a chemical process called transesterification biodiesel is produced. The CO2 that is released will then be fixed again by the plants, thus closing the circle. However, this production process generates an important waste, which is the raw glycerol, which represents  1/10 of the production in volumetric terms, so the team worked with micro-organisms that naturally accumulate oils when they are in a condition where instead of having a proper balance between nitrogen and carbon, they have more carbon source than nitrogen. Oil micro-organisms can accumulate up to 70% of their weight in the form of microbial oils.    

One of the fundamental points people are now working on is to ensure food for the entire present and future population. We know, for example, that fish is an important food from a nutritional point of view, but the current catch is not sufficient, therefore acquaculture is practised. However, there is a problem because in order to feed farmed fish properly it is necessary to give them fish oil, but if there is no fish how can we give them fish oil? In fact, there are many cases in which fish feed is not properly balanced for this intake because otherwise the production costs would become particularly high.  

In this project, carried out by the Professor and her team, it was decided to use biodiesel waste, raw glycerol, and a series of oil micro-organisms to create this oil, which was found to be very rich in omega 3, and then thanks to some other micro-organisms was enriched in carotenoids, important antioxidants, thus formulating a new fish feed. Fish feed was then tested on seabass in collaboration with the Insubria University in Varese, Italy, and it was found that the tanks with the fish raised with this fish feed were indeed more enriched in omega 3 than the conventional control tanks.   

This example shows how the valorisation of a waste product can give a new opportunity and incentive to new productions that are circular and sustainable.             

To find out more watch the video of Professor Branduardi’s talk below.

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