Preparation and assessment of immobilized laccase-based micro- and nanocatalysts for the degradation of anthropogenic compounds

Since the dawn of its presence on earth, the human being has been able to exploit the enzymes for its subsistence. More recent is the meeting between the enzymatic processes and the urgent need for technologies that aim to preserve our planet. In this field nowadays enzymatic catalysis is tested either to depollution/remediation as well as waste disposal. The work presented in this thesis, regarding both these two topics, is tailored on two European projects (EU 2020), MADFORWATER and TERMINUS respectively. Firstly, production of micro- and nanocatalysts via immobilization of laccases (a lignin-degrader enzyme) is performed. In the second part of the thesis laccase is applied to a tertiary treatment of wastewater with the aim to degrade 9 pharmaceutical active compounds in batch reactors. Despite several optimizations, poor degradation is reached and we did not proceed with the study of different bioreactor setups. Therefore, the focus is moved to a project concerning the production of smart multi-layer plastic packaging containing enzymes to improve the possibilities of recycling. In this field shielded nanocatalysts produced via coating techniques able to interact with redox mediators are investigated. The target substrate in this second project is produced in laboratory (i.e. polyurethane like compounds), starting from monomers whose degradation had already been tested, as a proof of concept. The first enzyme studied is still the laccase.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l��� elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i pi�� elevati nell���ambito dell���industria agroalimentare e la loro tossicit�� �� determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l���influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento �� stato condotto a 35��C e carico organico pari a 12,39 g/L���d, il secondo a 25��C e carico organico pari a 8,40 g/L���d. Si �� scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si �� rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si �� scelto di lavorare in continuo poich�� tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocit�� specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l���influenza di tale parametro, in particolare si �� fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si �� visto che la massima quantit�� di VFA prodotta nell���ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25��C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l���effluente in uscita risulta pi�� concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell���alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si �� trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l���acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione pi�� favorevole alla produzione di VFA per��, si �� riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell���universit�� ���La Sapienza��� di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si pu�� constatare che la modesta produzione di VFA non �� dovuta all���eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto �� dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo �� di buon auspicio nell���ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poich�� �� possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 �� pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si pu�� agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si �� visto che il processo di acidogenesi �� favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA �� molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si pu�� quindi pensare a un���applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.