Analisi di fattibilità di un impianto di produzione di vanillina per bioconversione di acido ferulico

La vanillina è una molecola dalle spiccate proprietà aromatiche largamente impiegata sia nell’industria alimentare (come ingrediente di cibi e bevande e conservante) che nell’industria chimica e farmaceutica (come intermedio per la sintesi di svariati prodotti quali erbicidi, antischiuma, farmaci, profumi e cosmetici).
Tradizionalmente la vanillina viene ottenuta per via naturale attraverso un procedimento lungo e complesso a partire dalla Vanilla planifolia, un’orchidacea originaria del Messico; a tale processo si affianca la sintesi chimica per la quale le materie prime più largamente utilizzate sono attualmente l’eugenolo o l’isoeugenolo (composti economici e facilmente reperibili), la lignina (ottenuta dai reflui dell’industria cartiera) e il guaiacolo. A partire dalla fine degli anni novanta sono stati sviluppati studi relativi alla produzione di vanillina per via microbica a partire da diversi substrati: l’eugenolo, l’isoeugenolo, l’acido ferulico e la lignina.

A causa degli elevati costi di produzione la vanillina naturale è caratterizzata da un prezzo di vendita piuttosto considerevole (2000 – 3000 $/kg, pari a circa 1400 - 2100 €/kg) e per questo riesce a soddisfare solo lo 0,25% del fabbisogno mondiale (circa 40 tonnellate l’anno). Di conseguenza la vanillina sintetica, molto meno costosa (5-15 $/kg, pari a circa 3,5 – 11 €/kg), ma anche molto più scadente dal punto di vista delle caratteristiche organolettiche, a causa della inevitabile presenza di sottoprodotti, è destinata a coprire la restante richiesta del mercato, pari a circa 16000 tonnellate l’anno.

In questa tesi, inserita nell’ambito di un progetto di ricerca sviluppato presso il Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM), è stata studiata la possibilità di produrre industrialmente vanillina mediante bioconversione di acido ferulico ad opera di Pseudomonas fluorescens BF13-1p, mutante del ceppo BF13 dotato di un blocco a livello del gene che codifica per l’enzima per il catabolismo della vanillina ad acido vanillico.
In particolare la convenienza economica dell’investimento è stata valutata con riferimento al possibile diretto concorrente attualmente presente sul mercato: la vanillina biotecnologica Rhovanil® Natural prodotta tramite l’impiego di batteri streptomiceti, il cui costo si aggira attorno ai 700 $/kg, ovvero 500 €/kg.

Per una produzione annuale che si è ritenuto opportuno porre pari a 20 tonnellate, vista l’entità del fabbisogno del mercato mondiale, sono stati dimensionati un impianto base e due possibili varianti, (A) (con solvente più concentrato nell’estrazione) e (B) (con tutti gli apparati in acciaio inox). Sono stati individuate cinque diverse operazioni unitarie: crescita (da realizzare in un singolo fermentatore batch, con durata pari a 7 ore), bioconversione (da realizzare in tre diversi reattori batch, con durata pari a 21 ore); estrazione discontinua con acetato di n- butile in una batteria di contatori a membrana; controestrazione in continuo con acqua basica in un’ulteriore batteria di contattori a membrana; recupero dei cristalli. Nell’impianto base e nell’alternativa (B) quest’ultima fase avviene per centrifugazione e successiva vaporizzazione dell’acqua residua, mentre nella variante (A) l’evaporatore finale è assente.

Per ognuna delle alternative considerate sono stati valutati il capitale fisso ( 3 M€ per il caso base e per l’alternativa (A) e 5 M€ per (B), la cui durata stimata è stata però prolungata da 10 a 15 anni) ed i costi di produzione (pari a circa 8 M€/a). Infine, è stata effettuata un’analisi della redditività, calcolando il VAN ed il TIR per diversi prezzi di vendita, in modo da determinare quello più adeguato, sia in termini di rendimento dell’investimento che di competitività del prodotto sul mercato.

In base allo studio effettuato i casi esaminati sono risultati sostanzialmente equivalenti: per l’impianto base e per la variante (A) è stato ritenuto opportuno scegliere un prezzo di vendita pari a 480 €/kg, mentre per l’alternativa (B) si è optato per un prezzo leggermente più elevato, visti i maggiori costi in termini di capitale fisso, e corrispondente a 485 €/kg.

In conclusione, la vanillina prodotta tramite l’impianto dimensionato nell’elaborato sarebbe certamente competitiva rispetto al diretto concorrente, ma non particolarmente interessante (data la modesta differenza di prezzo, pari a circa il 4%).