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Il presente lavoro di tesi ha come oggetto lo studio di un processo di sfruttamento di microorganismi fotoautotrofi per la produzione sostenibile di poli(idrossialcanoati). I poli(idrossialcanoati) hanno proprietà chimico-fisiche adatte per essere utilizzati nel settore del packaging e del food packaging, per questo motivo questi polimeri sono fra i principali candidati nella sostituzione delle tradizionali plastiche non biodegradabili impiegate in tali settori.
I poli(idrossialcanoati) sono una classe di biopolimeri che, in particolari condizioni colturali, vengono accumulati da alcuni tipi di microorganismi.
Attualmente la produzione industriale dei poli(idrossialcanoati) vede l’impiego di microorganismi eterotrofi per la biosintesi del biopolimero mediante processi di fermentazione a carico di substrati organici.
Lo sfruttamento di microorganismi fotoautotrofi per la biosintesi dei poli(idrossialcanoati) risulta di rilevante interesse, nell’ottica di limitare l’utilizzo di substrati organici che rappresentano una voce di costo molto incidente nell’economia del processo.
L’attività sperimentale ha preso in esame i meccanismi di crescita di un microorganismo fotoautotrofo identificato dal genere dei cianobatteri. In questa prima attività è stata studiata la curva di crescita del microorganismo, identificando tre diverse fasi caratterizzate da differente velocità di crescita e produttività in biomassa del cianobatterio. La fase di crescita del microorganismo è stata indagata in relazione ai parametri più rilevanti per lo sviluppo della coltura.
L’accumulo del biopolimero da parte dei cianobatteri avviene in risposta a condizioni di coltura non ottimali per la crescita della biomassa, infatti la sintesi dei poli(idrossialcanoati) decorre mediante vie metaboliche differenti rispetto a quelle impiegate per la proliferazione della coltura. Questo è stato confermato in seguito a prove condotte in carenza dei nutrienti inorganici essenziali (nitrati e fosfati) per lo sviluppo dei cianobatteri. L’accumulo del biopolimero è stato incrementato introducendo lo ione acetato, considerando che la biosintesi dei poli(idrossialcanoati) è strettamente collegata alla disponibilità di AcetiCoA nel metabolismo microbico.
Nel complesso le attività sperimentali hanno portato ad individuare specifiche condizioni di coltura del microorganismo ed una strategia di accumulo del polimero impiegando quantità ottimizzate di acetato di sodio come substrato organico.
Una volta che è stata ottenuta la biomassa contenente il biopolimero, sono state investigate diverse metodologie di recupero dalla coltura e di estrazione dei poli(idrossialcanoati).
Nello specifico per recuperare la biomassa dalla coltura sono state studiate le tecnologie di sedimentazione, centrifugazione e filtrazione, mentre per l’estrazione del biopolimero sono stati presi in considerazione tre diversi metodi di recupero ovvero la rottura cellulare, l’estrazione con solvente e la disgregazione cellulare.
Queste attività hanno portata ad individuare una strategia di recupero dei poli(idrossialcanoati) basata sulla degradazione della biomassa ad opera di un doppio trattamento, impiegando in sequenza una soluzione acquosa di un tensioattivo cationico e un non solvente per il biopolimero. Tale approccio è apparso promettente rispetto allo stato dell’arte che contempla l’impiego di solventi clorurati, tipo il cloroformio o il cloruro di metilene.
A conclusione delle attività sperimentali è stata condotta un’analisi della sostenibilità economica delle strategie considerate, nell’ottica di un loro potenziale sfruttamento industriale.