La fermentazione aerobica per la produzione di poliidrossibutirrato: un approccio di economia circolare per la valorizzazione di scarti zuccherini industriali = Aerobic fermentation for the production of polyhydroxybutyrate: a circular economy approach for the valorization of industrial sugar wastes

Negli ultimi anni, l’impatto ambientale causato dalla crescente produzione delle plastiche di origine petrolchimica ha generato una spinta globale verso lo studio e lo sviluppo di polimeri biodegradabili, sostenibili, ecologici ed economicamente competitivi. Tra i polimeri cosiddetti “verdi” vi sono i poliidrossialcanoati (PHA), l’acido polilattico (PLA), il polibutilene succinato (PBS) e il policaprolattone (PCL), oggi intensamente studiati per le loro proprietà chimiche, fisiche e meccaniche simili a quelle delle plastiche convenzionali. In particolare, i PHA vengono prodotti tramite la fermentazione di un ampio range di ceppi batterici, i quali accumulano questi biopolimeri come riserva di energia in condizioni di limitazione di nutrienti essenziali e/o di eccesso di carbonio. La caratteristica interessante dei PHA è la loro possibilità di essere prodotti impiegando substrati a basso costo e/o di scarto; questo riconduce a un modello di economia circolare che consentirebbe di ridurre gli elevati costi di produzione dei PHA. Questo lavoro di tesi rientra nel progetto PRIME (Processi e pRodotti Innovativi di chiMica vErde) promosso dalla Regione Piemonte con l’obiettivo di studiare e sviluppare nuovi biomateriali in diversi settori economici. A tale scopo, nel seguente lavoro vengono studiate la crescita e la produzione di poliidrossibutirrato (PHB) in C. necator DSM 545 fornendo come fonte di carbonio degli scarti zuccherini industriali principalmente a base di glucosio e fruttosio. Infatti, C. necator è in grado di accumulare PHB fino al 90% del suo peso secco cellulare. Il ceppo mutato C. necator DSM 545 è caratterizzato da un’espressione costitutiva del gene che codifica l’enzima glucosio-6-fosfato deidrogenasi, portando a un aumento della produzione di NADPH, cofattore dell’acetoacetil-CoA reduttasi, uno dei tre enzimi coinvolti nella biosintesi del PHB. La prima parte della tesi presenta una breve ricerca bibliografica che descrive le caratteristiche e le proprietà principali dei PHA e il metabolismo di C. necator. Invece, la seconda parte si concentra sulle prove sperimentali; sono state eseguite prove di fermentazione aerobica in beuta e in bioreattore (in modalità batch e fed-batch) e prove di induzione con acetato di sodio in diverse concentrazioni. Tali prove sono state svolte impiegando diverse fonti di carbonio oltre agli scarti zuccherini industriali per confrontare la crescita del batterio e la sua produzione di PHB in presenza di substrati diversi. Inoltre, è stata svolta una modellazione matematica della curva di crescita batterica per meglio studiarne l’andamento.