Estrazione e recupero di biopolimeri intracellulari (PHAs) da ceppi produttori mediante l’uso di enzimi.

I poliidrossialcanoati (PHAs) sono polimeri di origine biologica, sintetizzati da diversi batteri e archea, costituiti da una catena esterea principale di unità monomeriche ripetute, dove ogni carbonio γ porta una catena laterale di diversa natura da cui dipendono le caratteristiche chimico-fisiche e la classificazione del polimero. Sono prodotti dai microrganismi come fonte di energia di riserva in condizioni di scarsità di nutrienti e carenza di azoto e fosfati, da substrati come zuccheri e lipidi. Negli ultimi anni, l’interesse per i poliidrossialcanoati (PHAs) è cresciuto grazie alla biodegradabilità e biocompatibilità che caratterizzano questi polimeri aventi proprietà chimico-fisiche e meccaniche simili alle plastiche fossili. Tuttavia, la produzione su larga scala di PHAs tramite processi di fermentazione industriale è ostacolata da costi elevati e processi poco sostenibili. I polimeri con maggiore interesse industriale sono il PHBv, copolimero con i monomeri 3-idrossibutirrato e 3-idrossivalerato, e l’mcl-PHA, classe di polimeri amorfi di media lunghezza (C6-C14). L’obiettivo di questa Tesi è stato sviluppare protocolli di estrazione di PHBv e mcl-PHA con enzimi e tensioattivi per migliorare efficienza e impatto ambientale del processo. Dopo un’analisi della letteratura, per l’estrazione di PHBv da Cupriavidus necator è stato selezionato un protocollo basato sull’impiego di enzimi idrolitici e tensioattivi. Le rese di estrazione ottenute sono comprese tra 80-95% e la purezza del campione estratto è risultata sempre >98%, in linea con i risultati del protocollo di estrazione di riferimento sviluppato da Versalis S.p.A. (85-90%). L’ottimizzazione del protocollo, basato sulla riduzione del numero di cicli di omogeneizzazione e lavaggio e sulla diminuzione della concentrazione di tensioattivo durante la lisi enzimatica, ha permesso di ottenere un processo più efficiente, senza compromettere la resa e la qualità del biopolimero. Per l’estrazione di mcl-PHA prodotto da Pseudomonas putida, sono stati testati sia un approccio enzimatico sia un protocollo basato sull’uso di solventi organici (cloroformio, ciclopentanone e acetone). Le estrazioni con solvente hanno avuto lo scopo di ottenere un campione di biopolimero ad elevata purezza da usare come riferimento per gli altri protocolli. Tra i solventi utilizzati, l’acetone è risultato il più efficace in termini di purezza (>90%) e di resa (>50%) del prodotto. Sebbene l’approccio enzimatico abbia fornito campioni di purezza inferiore (70-80%), ha certamente un miglior potenziale in termini di sostenibilità. I pretrattamenti del fermentato e la lisi enzimatica sono fasi che potrebbero essere ottimizzate per migliorare l’efficienza del processo. Il lavoro sperimentale ha dimostrato che i metodi enzimatici possono rappresentare una valida alternativa ai processi tradizionali, riducendo l’impiego di tensioattivi e solventi chimici, garantendo simili livelli di purezza e resa, e migliorando la sostenibilità complessiva del processo. L’ottimizzazione del processo di estrazione di PHBv ha permesso di ottenere un processo più snello e con minore consumo di reagenti, ricavando un polimero con purezza superiore al 98% e con rese tra 80-95%; mentre l’estrazione di mcl-PHA.