Titolo della tesi: Efficient Production of Polyhydroxyalkanoates with Mixed Microbial Cultures: Combining Process Engineering, Modeling tools and Downstream Strategies
Questa ricerca di dottorato affronta una delle principali sfide della transizione verso l’economia circolare: lo sviluppo di alternative sostenibili ed economicamente competitive alle plastiche convenzionali. Lo studio si concentra sulla produzione di poliidrossialcanoati (PHAs) da colture microbiche miste (MMCs), con l’obiettivo di superare le barriere economiche e tecnologiche che ancora ne limitano la diffusione su larga scala. L’attività integra innovazione ingegneristica di processo, strategie di recupero eco-compatibili e modellazione cinetica per incrementare produttività, robustezza e comprensione del processo. L’obiettivo principale è stato lo sviluppo e l’ottimizzazione di un processo di produzione di PHA completamente continuo basato sull’impiego di colture microbiche miste, mediante l’implementazione di una configurazione innovativa, l’ottimizzazione del recupero del polimero e la costruzione di un modello cinetico descrittivo del processo.
Il Capitolo 2 ha dimostrato per la prima volta la fattibilità tecnica di un processo continuo (sia per la selezione microbica che per l’accumulo) brevettato per la produzione di PHA da colture microbiche miste. Il sistema ha raggiunto prestazioni di stoccaggio del polimero comparabili a quelle ottenute in prove batch effettuate con la biomassa selezionate nelle stesse condizioni (55±2%, wt/wt), rappresentando un importante passo avanti rispetto ai tradizionali reattori ad alimentazione discontinua sequenziale (SBR). L’analisi dei parametri operativi ha inoltre evidenziato l’interdipendenza tra i due parametri individuati come descrittivi del processo: il carico organico (OLR) e il fattore di ricircolo (RC), mostrando come un eccessivo ricircolo riduca l’efficacia della selezione di tipo feast-famine, specialmente ad alti valori di OLR applicato.
Nel Capitolo 3, l’attenzione si è spostata sull’ottimizzazione della fase di accumulo svolta in continuo, con l’introduzione di un nuovo parametro operativo, il Carico Organico Specifico (SOLR), che combina in un unico descrittore la disponibilità di substrato e la concentrazione di biomassa all’interno del reattore. Il parametro SOLR si è dimostrato determinante per l’ottimizzazione del processo, con contenuti intracellulari di PHA superiori al 70 % (wt/wt) ottenuti a valori di SOLR compresi tra 8 e 10 d⁻¹, fornendo così una base empirica per future strategie di controllo.
Nel Capitolo 4 viene descritta la caratterizzazione del prodotto ottenuto e la strategia di recupero del polimero. È stato dimostrato, per la prima volta in regime continuo, che il rapporto tra acido acetico e acido propionico nel substrato di alimentazione controlla direttamente la composizione del copolimero P(3HB-co-3HV), con frazioni di 3HV variabili tra 26 e 48 % (wt/wt), unito ad un aumento di circa il 20 % del contenuto intracellulare di PHA riducendo la quota di propionato nell’alimento. Inoltre, è stato validato un metodo di recupero alcalino-ossidativo (NaOH + H₂O₂), che ha consentito di ottenere polimeri con un grado di purezza fino a 92 ± 2 % e peso molecolare ultra-high (1.5-2.6 MDa), offrendo un’alternativa più sicura e sostenibile alle estrazioni con solvente. Integrata nel processo continuo, questa strategia ha raggiunto una produttività reale di 4.5 gPHA al giorno (corrispondenti a una produttività volumetrica di 0.60 g /Ld).
Il Capitolo 5 descrive lo sviluppo di un modello cinetico, calibrato e validato su dati ottenuti da prove di accumulo di PHA effettuate in batch, capace di interpretare e prevedere le tendenze osservate sperimentalmente. Il modello ha confermato che un aumento dell’OLR nella selezione riduce il contenuto di PHA nell’accumulo, suggerendo che le cinetiche di crescita superano quelle di accumulo, e ha mostrato che un aumento del tempo di ritenzione idraulica (HRT) nel reattore di accumulo operato in continuo può migliorare le prestazioni complessive del processo. Ha inoltre riprodotto l’aumento della frazione 3HV con la quota di propionato nel substrato, e il contemporaneo abbassamento della percentuale intracellulare di polimero, spiegando la riduzione delle prestazioni complessive attraverso un limite di saturazione alla polimerizzazione dell’HV.
Complessivamente, la tesi colma diversi gap scientifici e tecnologici nella produzione di PHA da MMC: (i) dimostrazione sperimentale di un processo continuo brevettato, (ii) identificazione del parametro SOLR come descrittore chiave per la fase di accumulo, (iii) conferma della possibilità di modulare la composizione del copolimero tramite la composizione del substrato, (iv) validazione di un metodo di recupero sostenibile, e (v) sviluppo di un modello cinetico per la descrizione e l’ottimizzazione del processo.
Le prospettive future comprendono uno studio più approfondito dell’interazione tra i principali parametri operativi mediante modelli avanzati, una migliore comprensione del parametro SOLR e dei meccanismi metabolici legati alla composizione del substrato, l’ottimizzazione del recupero integrato nel processo continuo, test con substrati reali e l’inserimento di un’unità di separazione solido-liquido. Tutti questi sviluppi convergono verso la realizzazione di un impianto pilota, obiettivo che ha già portato alla creazione dello spin-off universitario SiPHÀ s.r.l., nato con l’intento di realizzare lo scale-up di questa tecnologia puntando a rendere la produzione di PHA più economica, accessibile e competitiva.
Integrando l’ingegneria di processo, lavoro sperimentale in laboratorio e modellazione predittiva, questo lavoro di tesi di dottorato fornisce, complessivamente, un contributo significativo verso l’industrializzazione sostenibile dei PHA come reali alternative alle plastiche convenzionali.