Valutazione delle performance fermentative dei ceppi batterici ingegnerizzati W105-4V F ed W105-4V Fe nello scale-up di un processo per la valorizzazione di scarti caseari.

L’impatto ambientale causato dallo smaltimento dei rifiuti suscita notevole interesse soprattutto se questi hanno un elevato potere inquinante. Tra i rifiuti speciali rientra il siero del latte che può essere trattato per ricavarne sostanze ad elevato valore energetico ottenendo come prodotto di scarto il permeato. Un ceppo di E. coli, opportunamente ingegnerizzato per la conversione del lattosio in etanolo. In laboratorio la prestazione fermentativa del ceppo W105F (standard) ha mostrato una discreta capacità di conversione, influenzata dalla scarsa tolleranza all’etanolo delle cellule batteriche e dalla carenza di nutrienti, quali l’azoto, nel PC. L’aggiunta di questo nutriente non ha tuttavia mostrato il risultato sperato in quanto alla fine della fermentazione vi era un residuo di zucchero (36,6g/l). L’evoluzione adattativa è stata necessaria al fine di ottimizzare il ceppo standard rendendolo tollerante all’etanolo senza modificarlo geneticamente; la resa fermentativa massima(53,8 g/L) del ceppo evoluto (W105Fe), è stata raggiunta aggiungendo ammonio solfato. In questo lavoro di tesi inoltre è stata studiata la capacità fermentante del ceppo W105F variando la dimensione dell’inoculo iniziale con l’obiettivo di ridurre i costi del singolo processo, ottenendo però risultati estremamente variabili. Successivamente è stato valutato lo scale-up del processo passando da una scala di laboratorio ad una scala sperimentale preindustriale; l’obiettivo era di dimostrare che i ceppi siano in grado di mantenere la stessa produttività e qualità mostrata in scala da laboratorio. I ceppi sono stati testati in bioreattore sperimentale pre-industriale avente una capienza di 200L e hanno mostrato una risultati variabili. La performance fermentativa del ceppo standard è stata maggiormente variabile rispetto alla scala da laboratorio: infatti valutandone la prestazione in un volume opportuno di PC congelato e di PC prelevato direttamente dall’azienda fornitrice lo stesso giorno dell’avvio dell’esperimento, ha mostrato il completo consumo di lattosio ma non la resa teorica di etanolo. Il ceppo evoluto, studiandone la capacità fermentante in bioreattore da laboratorio era risultato più efficiente nel processo di trasformazione del lattosio in etanolo, per tale motivo è stato testato su larga scala in un volume di 45L di PC non diluito come substrato di fermentazione, addizionato di solfato di ammonio. La resa di etanolo (19,3g/l) anche in questo caso non è stata quella attesa nonostante il lattosio iniziale fosse stato completamente consumato. Un evento osservato in tutti gli esperimenti è la concentrazione elevata di galattosio a fine processo, causata dalla presenza dell’enzima beta-galattosidasi la cui azione normalmente è inibita in quanto si trova all’interno della cellula batterica. Quando i batteri vanno incontro a lisi l’enzima viene rilasciato nel substrato di fermentazione e, avendo disponibilità di lattosio, lo idrolizza prevalentemente in galattosio a discapito della conversione in etanolo e questo potrebbe essere oggetto di studi futuri. Un altro fenomeno osservato in bioreattore su larga scala per entrambi i ceppi sono i contaminanti la cui presenza è da attribuire alla difficoltà di garantire condizioni di sterilità per l’intero processo; in questo lavoro di tesi tale problematica è stata affrontata attuando un protocollo di pulizia a base di NaOH e acido peracetico. Le prove effettuate hanno diminuito i contaminanti ma il problema in quantità ridotta persiste. Per il futuro sono previste modifiche all'impianto. Le realtà industriali che si occupano di recupero di scarti sono solo una piccola parte, questo richiama l’attenzione sulla necessità di migliorare le tecniche di valorizzazione affinchè le industrie possano approcciarsi a questo tipo di processi per la produzione di sostanze ad elevato valore energetico ed economico.