Ottimizzazione della conversione lattosio-etanolo da scarti caseari mediante batteri ingegnerizzati: valutazione sperimentale e confronto tra bioreattori su scala di laboratorio e preindustriale

Il siero di latte è il principale sottoprodotto dell’industria lattiero-casearia e rappresenta un importante problema ambientale a causa del suo contenuto di materia organica e degli elevati volumi prodotti. Sebbene, in letteratura, sono presenti diverse tecniche di valorizzazione, esse non riducono l’elevata concentrazione di lattosio, principale componente del siero responsabile dell’alta domanda chimica di ossigeno (COD), parametro usato per la classificazione come rifiuto speciale. Al fine di sviluppare soluzioni per un suo riutilizzo, tale lavoro di tesi si colloca nell’ambito della valorizzazione di scarti industriali, nello specifico del permeato concentrato, prodotto ottenuto dal siero di latte tramite un processo di ultrafiltrazione e di osmosi inversa. La fermentazione di tale materia di scarto, mediante batteri ingegnerizzati, permette di diminuire i costi associati allo smaltimento del siero di latte come rifiuto speciale e allo stesso tempo di produrre biocarburante da fonti rinnovabili. Come biocatalizzatore è stato utilizzato il batterio Escherichia coli, il cui pathway etanologenico è stato ottimizzato, in un precedente lavoro, con lo scopo di raggiungere la massima resa teorica di conversione lattosio-etanolo. In seguito ai primi risultati incoraggianti in scala di laboratorio, il processo di fermentazione è stato ulteriormente caratterizzato per valutare la procedura di scale-up. L’essenza di quest’ultimo è trasferire le condizioni operative ottimali presenti nel bioreattore da laboratorio in scala di produzione industriale per raggiungere maggiori produttività volumetriche e concentrazioni di prodotto. Uno dei fattori più critici su larga scala è la contaminazione microbica, in quanto può influire negativamente sulle prestazioni della fermentazione. È stato così studiato e ottimizzato un protocollo di decontaminazione, al fine di eliminare la presenza di microorganismi indesiderati, e pulizia di un impianto dimostrativo in scala pre-industriale in modo da garantire la standardizzazione e la riproducibilità del processo. Parallelamente sono state analizzate le performance fermentative del ceppo sia in scala di laboratorio che in scala pre-industriale in termini di vitalità cellulare, resa di conversione lattosio-etanolo, concentrazione di zuccheri residui ed etanolo alla fine del processo. Inoltre, è stata migliorata la tolleranza del ceppo all’etanolo, condizione che inibisce la crescita batterica incidendo sulla produzione di etanolo ad alte concentrazioni, tramite directed evolution. In ultima analisi è stato studiato il pathway metabolico del ceppo per analizzare se l’aggiunta di determinati supplementi nutritivi (Mg2+, NH4+) potesse aumentare la produzione di etanolo e nel contempo abbassare la durata del processo di fermentazione.