Messa a punto di processi biotecnologici per la produzione di biocombustibili da matrici organiche di rifiuto

The bioproduction of materials and energy from renewable sources (industrial biotechnology) is getting more and more interest in order to improve environmental sustainability of chemical industrial processes and to decrease their dependence from oil. Anaerobic digestion of organic waste matrices (agricultural and industrial wastes, organic fraction of municipal wastes, sewage sludges etc.) may play an important role in the implementation of industrial biotechnology being a well developed strategy in the valorization of complex matrices, as it can mineralize them while producing bioenergy in the form of a biogas rich in methane. In this research the potential of anaerobic digestion in the treatment of polluted sewage sludge was studied by developing three set of anaerobic microcosms with sludges differently contaminated by xenobiotic compounds. The effect of different incubating temperatures and of exogenous carbon and vitamine sources was investigated along with the role of the occurring microbial populations in the pollutant degradation activity. So, while confirming the potential of anaerobic digestion for the biomethanization of sewage sludges, this work proved the effectiveness of this technology in the removal of pollutants too. Moreover, since the degradation of lignocellulose appears to be a limiting step in the anaerobic treatment of a wide range of biomass, the possibility of optimizing anaerobic digestion of lignocellulosic substrates was also studied. To this aim a research was carried out at the BOKUUniversity of Natural Resources and Applied Life Sciences, Department for Agrobiotechnology, IFA - Tulln, where mixed cellulolytic cultures were isolated from biogas plants while assessing the metabolic pathway leading to cellulose degradation and verifying their capability to grow on lignocellulose too, proving that on the long term such bacterial cultures could be used as inoculum in order to improve the hydrolysis of lignocellulose in anaerobic digestion plants.

Produzione di virus sintetici per lo studio dei meccanismi di interazione coinvolti nell'induzione di resistenza

Beet soil-borne mosaic virus (BSBMV) and Beet necrotic yellow vein virus (BNYVV) are members of Benyvirus genus. BSBMV has been reported only in the United States while BNYVV has a worldwide distribution. Both viruses are vectored by Polymyxa betae, possess similar host ranges, particles number and morphology. Both viruses are not serologically related but have similar genomic organizations. Field isolates consist of four RNA species but some BNYVV isolates contain a fifth RNA. RNAs 1 and 2 are essential for infection and replication while RNAs 3 and 4 play important roles on plant and vector interactions, respectively. Nucleotide and amino acid analyses revealed BSBMV and BNYVV are different enough to be classified in two different species. Additionally in BNYVV/BSBMV mixed infections, a competition was previous described in sugar beet, where BNYVV infection reduces BSBMV accumulation in both susceptible and resistant cultivars. Considering all this observations we hypothesized that BNYVV and BSBMV crossed study, exploiting their similarities and divergences, can improve investigation of molecular interactions between sugar beets and Benyviruses. The main achievement of our research is the production of a cDNA biologically active clones collection of BNYVV and BSBMV RNAs, from which synthetic copies of both Benyviruses can be transcribed. Moreover, through recombination experiments we demonstrated, for the first time, the BNYVV RNA 1 and 2 capability to trans-replicate and encapsidate BSBMV RNA 3 and 4, either the BSBMV RNA 1 and 2 capability to replicate BNYVV RNA2 in planta. We also demonstrated that BSBMV RNA3 support long-distance movement of BNYVV RNA 1 and 2 in B. macrocarpa and that 85 foreign sequence as p29HA, GFP and RFP, are successfully expressed, in C. quinoa, by BSBMV RNA3 based replicon (RepIII) also produced by our research. These results confirm the close correlation among the two viruses. Interestingly, the symptoms induced by BSBMV RNA-3 on C. quinoa leaves are more similar to necrotic local lesions caused by BNYVV RNA-5 p26 than to strongly chlorotic local lesions or yellow spot induced by BNYVV RNA- 3 encoded p25. As previous reported BSBMV p29 share 23% of amino acid sequence identity with BNYVV p25 but identity increase to 43% when compared with sequence of BNYVV RNA-5 p26. Based on our results the essential sequence (Core region) for the longdistance movement of BSBMV and BNYVV in B. macrocarpa, is not only carried by RNA3s species but other regions, perhaps located on the RNA 1 and 2, could play a fundamental role in this matter. Finally a chimeric RNA, composed by the 5’ region of RNA4 and 3’ region of RNA3 of BSBMV, has been produced after 21 serial mechanically inoculation of wild type BSBMV on C. quinoa plants. Chimera seems unable to express any protein, but it is replicated and transcript in planta. It could represent an important tool to study the interactions between Benyvirus and plant host. In conclusion different tools, comprising a method to study synthetic viruses under natural conditions of inoculum through P. Betae, have been produced and new knowledge are been acquired that will allow to perform future investigation of the molecular interactions between sugar beets and Benyviruses.

Realizzazione di riporti funzionalizzanti su superfici ceramiche per la produzione di energia elettrica mediante effetto fotovoltaico

This research, carried out during the PhD in Materials Engineering, deals with the creation of layers, with different functionality, deposited on a ceramic substrate, to obtain photovoltaic cells for electricity production. The research activities are included in the project PRRIITT, Measure 4 (Development of Networks), Action A (Research and Technology Transfer Laboratories), Thematic reference 3 (Advanced materials applications development), co-financed by the Emilia Romagna Region, for the creation of CECERBENCH laboratory, which aims to develop "Tiles with a functionalised surface”. The innovation lies in the study of materials and in the development of technologies to achieve a "photovoltaic surface", directly in the tiles production process. The goal is to preserve the technical characteristics, and to make available new surfaces, exploiting renewable energy sources. The realization of Building Integrated PhotoVoltaic (BIPV) is nowadays a more and more spread tendency. The aims of the research are essentially linked to the need to diversify the actual ceramic tile production (which is strongly present in the Emilia Romagna Region ), and to provide a higher added value to the tiles. Solar energy production is the primary objective of the functionalization, and has a relevant ecological impact, taking into account the overwhelming global energy demand. The specific activities of the PhD were carried out according to the achievement of scientific and technological objectives of CECERBENCH laboratory, and involved the collaboration in design solutions, to obtain the cells directly on the tiles surface. The author has managed personally a part of the research project. Layers with different features were made: - Electrically conductive layers, directly on the ceramic tiles surface; - Layers to obtain the photovoltaic functionality; - Electrically insulating, protective layers (double function). For each layer, the most suitable materials have been selected. Among the technical application, the screen printing was used. This technique, widely used in ceramics, has many application areas, including the electronics and photovoltaic industries. It is an inexpensive technique, easy to use in industrial production lines. The screen printing technique was therefore studied in depth by theoretical considerations, and through the use of rheological measurements.

Semicelle SOFC: studio e produzione di elettroliti con processi a basso impatto ambientale

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono dei sistemi elettrochimici in grado di trasformare direttamente l’energia chimica di un combustibile (generalmente H2) e di un comburente (O2) in energia elettrica, senza l’intervento intermedio di un ciclo termico. Le SOFCs rappresentano un sistema energetico pulito, efficiente e sicuro, tuttavia questa tecnologia presenta costi di produzione ancora elevati e necessita di un maggiore sviluppo. L’argomento della presente tesi si colloca nell’ambito dello studio e realizzazione di materiali per l’elettrolita di SOFCs ed il contributo scientifico che si propone di fornire trova spazio nella necessità di migliorare la sinterizzazione di tali materiali e nell’ottimizzazione dei processi di formatura per produzioni facilmente scalabili a livello industriale con costo contenuto ed ecocompatibili. L’approccio di ricerca adottato è stato quello di approfondire le conoscenze relative ad un ossido di cerio drogato con gadolinio (GDC), scelto come elettrolita, cercando di comprendere su quali parametri intervenire per promuovere la densificazione ed ottimizzare il seguente processo di formatura. La ricerca si è articolata nei seguenti punti: a) Studio del processo di sinterizzazione in relazione alle caratteristiche morfologiche delle polveri di GDC pura ed esaminando l’influenza dell’ossido di rame, aggiunto come drogante, sul comportamento in sinterizzazione e microstruttura finale. I risultati indicano che il processo di sinterizzazione è enormemente influenzato dalla presenza del CuO, dalla sua morfologia e dalla procedura usata per il drogaggio b) Realizzazione di un inchiostro serigrafico a base di GDC in matrice acquosa da depositare su anodi in verde. La serigrafia rappresenta un’importante tecnica di formatura, facilmente adattabile ad una produzione industriale, con cui è possibile ottenere film di GDC densi. L’ottimizzazione dei processi in matrice acquosa porta un enorme contributo per la diminuzione dei costi di produzione e per la realizzazione di un processo maggiormente ecocompatibile. Questo obiettivo è stato raggiunto con la corretta scelta e caratterizzazione di tutti gli additivi di formatura c) Assemblaggio della semicella SOFC anodo supportante e relativo trattamento in co-firing. La messa a punto di un idoneo ciclo di burn out degli organici ha contribuito a preservare l’integrità ed omogeneità dei film depositati che dopo sinterizzazione risultano perfettamente densi e privi di cricche.

Adattamento e acclimatazione a diverse temperature di lieviti psicrofili obbligati e facoltativi e di lieviti mesofili. Studio della produzione di acidi grassi polinsaturi omega-3 e omega-6 per via fermentativa.

Adaptation and acclimation to different temperatures of obligate psychrophilic, facultative psychrophilic and mesophilic yeasts. Production of ω-3 and ω-6 polyunsaturated fatty acids by fermentative way. Obligate psychrophilic, facultative psychrophilic and mesophilic yeasts were cultured in a carbon rich medium at different temperatures to investigate if growth parameters, lipid accumulation and fatty acid composition were adaptive and/or acclimatory responses. Acclimation of facultative psychrophiles and mesophiles to lower temperature negatively affected their specific growth rate. Obligate psychrophiles exhibited the highest biomass yield (YX/S), followed by facultative psychrophiles, then by mesophiles. The growth temperature did not influence the YX/S of facultative psychrophiles and mesophiles. Acclimation to lower temperature caused the increase in lipid yield (YL/X) in mesophilic yeasts, but did not affect YL/X in facultative psychrophiles. Similar YL/X were found in both facultative and obligated psychrophiles, suggesting that lipid accumulation is not a distinctive character of adaptation to permanently cold environments. The extent of unsaturation of fatty acids was one major adaptive feature of the yeasts which colonize permanently cold ecosystems. Remarkable amounts of α-linolenic acid were found in obligate psychrophiles at the expenses of linoleic acid, whereas it was generally scarce or absent in all the others strains. Increased unsaturation of fatty acids was also an acclimatory response of mesophiles and facultative psychrophiles to lower temperature. It’s well known that omega-3 polyunsaturated fatty acids (PUFAs) display a variety of beneficial effects on various organ systems and diseases, therefore a process for the microbial production of omega-3 PUFAs would be of great interest. This work sought also to investigate if one of the better psychrophilic yeast, Rhodotorula glacialis DBVPG 4785, stimulated by acclamatory responses, produced omega-3 PUFAs. In fact, the adaptation of psychrophilic yeasts to cold niches is related to the production of higher amounts of lipids and to increased unsaturation degree of fatty acids, presumably to maintain membrane fluidity and functionality at low temperatures. Bioreactor fermentations of Rhodotorula glacialis DBVPG 4785 were carried out at 25, 20, 15, 10, 5, 0, and -3°C in a complex medium with high C:N ratio for 15 days. High biomass production was attained at all the temperatures with a similar biomass/glucose yield (YXS), between 0.40 and 0.45, but the specific growth rate of the strain decreased as the temperature diminished. The coefficients YL/X have been measured between a minimum of 0.50 to a maximum of 0.67, but it was not possible to show a clear effect of temperature. Similarly, the coefficient YL/S ranges from a minimum of 0.22 to a maximum of 0.28: again, it does not appear to be any significant changes due to temperature. Among omega-3 PUFAs, only α-linolenic acid (ALA, 18:3n-3) was found at temperatures below to 0°C, while, it’s remarkable, that the worthy arachidonic acid (C20:4,n-6), stearidonic acid (C20:4,n-3) C22:0 and docosahexaenoic acid (C22:6n-3) were produced only at the late exponential phase and the stationary phase of batch fermentations at 0 and -3°C. The docosahexaenoic acid (DHA) is a beneficial omega-3 PUFA that is usually found in fatty fish and fish oils. The results herein reported improve the knowledge about the responses which enable psychrophilic yeasts to cope with cold and may support exploitation of these strains as a new resource for biotechnological applications.

Sviluppo di sperimentazioni per la produzione di getti in lega di alluminio a caratteristiche difettologiche e microstrutturali controllate, per la validazione di modelli di previsione delle porosità

Nei processi di progettazione e produzione tramite tecnologie di colata di componenti in alluminio ad elevate prestazioni, risulta fondamentale poter prevedere la presenza e la quantità di difetti correlabili a design non corretti e a determinate condizioni di processo. Fra le difettologie più comuni di un getto in alluminio, le porosità con dimensioni di decine o centinaia di m, note come microporosità, hanno un impatto estremamente negativo sulle caratteristiche meccaniche, sia statiche che a fatica. In questo lavoro, dopo un’adeguata analisi bibliografica, sono state progettate e messe a punto attrezzature e procedure sperimentali che permettessero la produzione di materiale a difettologia e microstruttura differenziata, a partire da condizioni di processo note ed accuratamente misurabili, che riproducessero la variabilità delle stesse nell’ambito della reale produzione di componenti fusi. Tutte le attività di progettazione delle sperimentazioni, sono state coadiuvate dall’ausilio di software di simulazione del processo fusorio che hanno a loro volta beneficiato di tarature e validazioni sperimentali ad hoc. L’apparato sperimentale ha dimostrato la propria efficacia nella produzione di materiale a microstruttura e difettologia differenziata, in maniera robusta e ripetibile. Utilizzando i risultati sperimentali ottenuti, si è svolta la validazione di un modello numerico di previsione delle porosità da ritiro e gas, ritenuto ad oggi allo stato dell’arte e già implementato in alcuni codici commerciali di simulazione del processo fusorio. I risultati numerici e sperimentali, una volta comparati, hanno evidenziato una buona accuratezza del modello numerico nella previsione delle difettologie sia in termini di ordini di grandezza che di gradienti della porosità nei getti realizzati.

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.

Produzione di bioetanolo da effluenti del settore lattiero-caseario con Kluyveromyces marxianus

Il siero di latte e la scotta sono effluenti provenienti rispettivamente dal processo di trasformazione del latte in formaggio e ricotta. Il siero di latte contiene minerali, lipidi, lattosio e proteine; la scotta contiene principalmente lattosio. Il siero può essere riutilizzato in diversi modi, come l'estrazione di proteine o per l’alimentazione animale, mentre la scotta è considerata solamente un rifiuto. Inoltre, a causa degli ingenti volumi di siero prodotti nel mondo, vengono a crearsi seri problemi ambientali e di smaltimento. Destinazioni alternative di questi effluenti, come le trasformazioni biotecnologiche, possono essere un modo per raggiungere il duplice obiettivo di migliorare il valore aggiunto dei processi agroindustriali e di ridurre il loro impatto ambientale. In questo lavoro sono state studiate le condizioni migliori per produrre bioetanolo dal lattosio del siero e della scotta. Kluyveromyces marxianus è stato scelto come lievito lattosio-fermentante. Sono state effettuate fermentazioni su scala di laboratorio aerobiche e anaerobiche in batch, fermentazioni semicontinue in fase dispersa e con cellule immobilizzate in alginato di calcio,. Diverse temperature sono state testate per migliorare la produzione di etanolo. Le migliori prestazioni, per entrambe le matrici, sono state raggiunte a basse temperature (28°C). Anche le alte temperature sono compatibili con buone rese di etanolo nelle fermentazioni con siero. Ottimi risultati si sono ottenuti anche con la scotta a 37°C e a 28°C. Le fermentazioni semicontinue in fase dispersa danno le migliori produzioni di etanolo, in particolare con la scotta. Invece, l'uso di cellule di lievito intrappolate in alginato di calcio non ha migliorato i risultati di processo. In conclusione, entrambi gli effluenti possono essere considerati adatti per la produzione di etanolo. Le buone rese ottenute dalla scotta permettono di trasformare questo rifiuto in una risorsa.