Processi di biorefining per l'estrazione di secondary chemical building blocks da sottoprotti dell'agro-industria

Phenol and cresols represent a good example of primary chemical building blocks of which 2.8 million tons are currently produced in Europe each year. Currently, these primary phenolic building blocks are produced by refining processes from fossil hydrocarbons: 5% of the world-wide production comes from coal (which contains 0.2% of phenols) through the distillation of the tar residue after the production of coke, while 95% of current world production of phenol is produced by the distillation and cracking of crude oil. In nature phenolic compounds are present in terrestrial higher plants and ferns in several different chemical structures while they are essentially absent in lower organisms and in animals. Biomass (which contain 3-8% of phenols) represents a substantial source of secondary chemical building blocks presently underexploited. These phenolic derivatives are currently used in tens thousand of tons to produce high cost products such as food additives and flavours (i.e. vanillin), fine chemicals (i.e. non-steroidal anti-inflammatory drugs such as ibuprofen or flurbiprofen) and polymers (i.e. poly p-vinylphenol, a photosensitive polymer for electronic and optoelectronic applications). European agrifood waste represents a low cost abundant raw material (250 millions tons per year) which does not subtract land use and processing resources from necessary sustainable food production. The class of phenolic compounds is essentially constituted by simple phenols, phenolic acids, hydroxycinnamic acid derivatives, flavonoids and lignans. As in the case of coke production, the removal of the phenolic contents from biomass upgrades also the residual biomass. Focusing on the phenolic component of agrifood wastes, huge processing and marketing opportunities open since phenols are used as chemical intermediates for a large number of applications, ranging from pharmaceuticals, agricultural chemicals, food ingredients etc. Following this approach we developed a biorefining process to recover the phenolic fraction of wheat bran based on enzymatic commercial biocatalysts in completely water based process, and polymeric resins with the aim of substituting secondary chemical building blocks with the same compounds naturally present in biomass. We characterized several industrial enzymatic product for their ability to hydrolize the different molecular features that are present in wheat bran cell walls structures, focusing on the hydrolysis of polysaccharidic chains and phenolics cross links. This industrial biocatalysts were tested on wheat bran and the optimized process allowed to liquefy up to the 60 % of the treated matter. The enzymatic treatment was also able to solubilise up to the 30 % of the alkali extractable ferulic acid. An extraction process of the phenolic fraction of the hydrolyzed wheat bran based on an adsorbtion/desorption process on styrene-polyvinyl benzene weak cation-exchange resin Amberlite IRA 95 was developed. The efficiency of the resin was tested on different model system containing ferulic acid and the adsorption and desorption working parameters optimized for the crude enzymatic hydrolyzed wheat bran. The extraction process developed had an overall yield of the 82% and allowed to obtain concentrated extracts containing up to 3000 ppm of ferulic acid. The crude enzymatic hydrolyzed wheat bran and the concentrated extract were finally used as substrate in a bioconversion process of ferulic acid into vanillin through resting cells fermentation. The bioconversion process had a yields in vanillin of 60-70% within 5-6 hours of fermentation. Our findings are the first step on the way to demonstrating the economical feasibility for the recovery of biophenols from agrifood wastes through a whole crop approach in a sustainable biorefining process.

Gli effetti degli investimenti in R&S sulla produttività: il caso dell'industria alimentare italiana

Tutte le scuole di pensiero economico riconoscono l’importanza dell’attività di ricerca e sviluppo per rafforzare la competitività delle imprese, e per promuovere quindi la crescita economica di lungo periodo di ogni paese. Si tratta di un tema di indiscussa rilevanza, e ben presente nel dibattito politico ed economico a livello nazionale ed internazionale. A partire dal fondamentale lavoro di Solow (1957), molti studi si sono interessati al ruolo centrale che il cambiamento tecnologico ha nella crescita economica, contribuendo ad una vasta letteratura riguardante il rapporto tra il capitale tecnologico, o gli investimenti in ricerca e sviluppo, e la crescita della produttività. In questo contesto, il presente lavoro ha come obiettivo l’analisi degli effetti degli investimenti in ricerca e sviluppo sulla produttività delle imprese manifatturiere e del settore agroalimentare italiano. L’industria agroalimentare italiana è caratterizzata da alcuni elementi specifici, che ne rendono lo studio particolarmente interessante: il suo necessario confrontarsi con le pressioni provenienti dall’emergere di nuove tendenze comportamentali del consumatore, da un lato e, dall’altro, dalla radicale trasformazione del sistema produttivo, commerciale e distributivo, che a sua volta si interfaccia con il processo di globalizzazione che interessa l’intera economia mondiale. Il settore agroalimentare riveste nel nostro Paese una notevole importanza sia in termini di fatturato, che per numero di imprese, che di occupazione, e risulta tipicamente caratterizzato dalla predominanza, dal punto di vista numerico, della classe dimensionale delle piccole imprese. È chiaro che acquisire competitività su mercati ormai globali presuppone costanti sforzi negli investimenti in ricerca ed innovazione; tuttavia, a questo proposito, le performances italiane risultano essere inferiori alla media europea. È proprio alla luce di queste considerazioni che uno studio sul ruolo che gli investimenti in ricerca e sviluppo rivestono nel sistema agroalimentare italiano, in rapporto a quanto avviene per l’intero settore manifatturiero, riveste quindi un particolare interesse.

Pretrattamenti termo-meccanici ed enzimatici su scarti dell'industria enologica per la produzione di Biogas

A fundamental assumption for by-product from winery industy waste-management is their economic and commercial increase in value. High energetic value recovery from winery industry is an attractive economic solution to stimulate new sustainable process. Approach of this work is based about physic and biological treatment with grape stalks and grape marc to increase polysaccharides components of cell wall and energetic availability of this by-products. Grape stalks for example have a high percentage of lignin and cellulose and can’t be used, whitout pretreatment, for an anaerobic digestion process. Our findings show enzymatic and thermo-mechanical pre-treatments in combined application for optimise hydrolytic mechanism on winemaking wastes which represents 0,9 milion ton/year in Italy and on straw, cereal by-products with high lignin content. A screening of specifically industrial enzymatic complex for the hydrolysis lignocellulosic biomass were tested using the principal polysaccharides component of the vegetal cells. Combined thermo-mechanical and enzymatic pretreatment improve substrates conversion in batch test fermentation experiment. The conservation of the grape stalks, at temperature above 0°C, allow the growth of spontaneus fermentation that reduce their polysaccharides content so had investigated anarobic condition of conservation. The other objective of this study was to investigate the capability of a proprietary strain of L.buchneri LN 40177 to enhance the accessibility of fermentable forage constituents during the anaerobic conservation process by releasing the enzyme ferulate esterase. The time sequence study by batch tests showed that the L. buchneri LN-40177 inoculated grape stalk substrate was more readily available in the fermenter. In batch tests with grape stalk, after mechanical treatment, the L. buchneri LN41077 treated substrate yielded on average 70% more biogas per kg/DM. Thermo-mechanical, enzymatic and biological treatment with L. buchneri LN-40177 can increase the biogas production from low fermented biomasses and the consequent their useful in anaerobic biodigesters for agro-bioenergy production.

Produzione di bioidrogeno in dark fermentation da scarti dell'industria agroalimentale mediante l'impiego di batteri ipertermofili

La presente tesi di dottorato ha come argomento la produzione d’idrogeno per via fermentativa sfruttando il metabolismo anaerobico di particolari batteri estremofili del genere Thermotoga. In questo lavoro, svolto in seno al progetto Bio-Hydro, sfruttando reattori batch da 116 mL, è stato selezionato il ceppo migliore di Thermotoga fra i quatto ceppi testati: T. neapolitana. Una volta individuato il candidato batterico migliore è stato individuato il valore ottimale di pH (8.5 a t.amb) per la produzione d’idrogeno. Un intenso lavoro è stato svolto sul medium di coltura permettendone la minimizzazione e rendendolo così economicamente sostenibile per il suo utilizzo nel reattore da 19L; in questo caso il glucosio è stato completamente sostituito con due sottoprodotti agroindustriali individuati in precedenza, il melasso di barbabietola e il siero di latte. Sono stati poi eliminati i gravosi micronutrienti e le vitamine. È stata sfruttata la capacità di T. neapolitana di produrre biofilm e sono stati testati 4 diversi supporti in vetro sinterizzato e ceramici, tali test hanno permesso di individuare Biomax come supporto migliore. Sono stati svolti studi sul metabolismo di T. neapolitana volti ad individuare le concentrazioni inibenti di ogni substrato testato, l’inibizione da prodotto (idrogeno) e l’inibizione da ossigeno. Tutte queste prove hanno dato le conoscenze di base per la conduzione di esperienze su reattore da 19L. L’innovativo reattore di tipo SPCSTR è stato interamente studiato, progettato e costruito presso il DICMA. dell’Università di Bologna. La conduzione di esperienze batch su SPCSTR ha dato la possibilità di verificare il funzionamento del nuovo tipo d’impianto. Presso il Wageningen UR (NL), è stata svolta la selezione del miglior ceppo di Caldicellulosisruptor fra 3 testati e del miglior supporto per la produzione d’idrogeno; è stato poi costruito testato e condotto in continuo l’innovativo reattore CMTB.