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 più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è 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 è 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 è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità 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 è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità 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 più 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 è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è 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’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.

Sintesi e proprietà di biochar da biomasse residuali

Il termine biochar definisce il prodotto solido derivante dalla pirolisi di un qualsiasi materiale organico, con lo specifico scopo di essere applicato nei suoli sia per fini agronomici che di gestione ambientale. Un suo utilizzo in maniera "responsabile" richiede però una piena comprensione delle sue proprietà e dei meccanismi che controllano la sua attività nel terreno, che dipendono dalla biomassa di partenza e dalle condizioni di sintesi tramite pirolisi. Infatti le condizioni di pirolisi, in particolare la temperatura di processo e il tempo di residenza, determinano biochar con caratteristiche differenti. In questo lavoro di tesi sono stati prodotti biochar da due diverse tipologie di biomassa residuale ampiamente disponibili (stocchi di mais e pollina). Per ciascuna biomassa sono state scelte tre condizioni di pirolisi (400°C x 20 minuti, 500°C x 10 minuti e 600°C x 5 minuti). Sui biochar ottenuti sono state effettuate le seguenti determinazioni: analisi elementare, Pirolisi‐GC‐MS, idrocarburi policiclici aromatici (IPA), acidi grassi volatili (VFA), azoto ammoniacale (N‐NH4 +), pH, conduttività elettrica e ritenzione idrica. Infine i biochar sintetizzati sono stati utilizzati per fare due test di germinazione per valutare l'effetto sulla formazione delle prime strutture di crescita delle plantule, tramite test di tossicità brevi con piastre Petri. Il primo test è stato condotto a concentrazione crescente di miscele acqua/biochar (2, 5, 40 e 100 g/L sulla base delle quantità di biochar utilizzate come ammendante nel suolo), sulla germinazione seguendo la metodologia normata dalla ISO 11269:2012. I semi utilizzati nel primo test sono stati quelli del crescione (Lepidium sativum L.) come specie dicotiledone, e del sorgo (Sorghum saccharatum M.) come monocotiledone. Il secondo saggio di tossicità eseguito è stato quello descritto dalla normativa in materia UNI 11357, valutando l'eventuale effetto di tossicità alla massima concentrazione delle varie tipologie di biochar, utilizzando come specie dicotiledoni il cetriolo (Cucumis sativus L.) ed il crescione (Lepidium sativum L.), come monocotiledone il sorgo (Sorghum saccharatum M.). Per i biochar da stocchi di mais, rappresentativi di biomasse erbacee e con diverso grado di carbonizzazione, non si osservano effetti apprezzabili alle condizioni di uso agricolo. Nel caso dei biochar da pollina si osservano invece inibizioni alla germinazione sin dalle concentrazioni più basse. In particolare, quello pirolizzato a 400°C mostra un potenziale effetto tossico più marcato, probabilmente associato ad un contenuto di IPA e VFA superiore a quello degli altri biochar.

Sviluppo di metodologie per l'analisi di composti organici prodotti dalla fermentazione di frazioni pirolitiche della biomassa

I processi microbiologici rivestono una grande importanza nello sviluppo di combustibili e sostanze chimiche da fonti rinnovabili (biomassa), quali: il biometano e le bioplastiche, come i poli(idrossialcanoati), PHA. I PHA sono poliesteri ottenuti per condensazione di 3-idrossiacidi, il più comune dei quali è il poli(3-idrossibutirrato, PHB). Gli alti costi di produzione del PHA da colture microbiche singole ha portato a valutare nuove strategie, tra cui l’utilizzo di colture microbiche miste (MMC) e substrati di scarto. Il bio-olio ottenuto dalla pirolisi di biomassa potrebbe essere un substrato interessante per la produzione di biogas e PHA. Gli acidi a catena corta (acidi grassi volatili, VFA), infatti, sono i prodotti intermedi nella produzione sia di biogas che di PHA. L’analisi di questi ultimi viene normalmente effettuata tramite GC-FID o GC-MS. La degradazione termica (pirolisi, Py) di PHA produce acidi alchenoici caratteristici, come l’acido crotonico. Il metodo tradizionale per la determinazione del PHA è la metanolisi seguita da un’analisi GC-MS, una procedura laboriosa con uso di solventi clorurati e sostanze corrosive. Lo scopo principale di questa tesi è stato quello di sviluppare un nuovo metodo di analisi dei PHA. Il metodo studiato si basa sulla pirolisi diretta della biomassa e determinazione degli acidi alchenoici prodotti dalla degradazione del PHA in GC-FID. La pirolisi analitica è stata studiata tramite analisi di polimeri puri (per la calibrazione) e poi è stata applicata a campioni batterici derivanti da MMC e a ceppi selezionati. Il confronto con il metodo convenzionale ha dimostrato che la Py/GC-FID è un metodo valido per l’identificazione dei PHA e per la loro quantificazione nelle matrici batteriche. Il pre-trattamento del campione è minimo e non richiede l’uso di solventi e reagenti chimici. Inoltre, è stata applicata una tecnica di analisi dei VFA nei test di biometanazione basata sull’estrazione con una microquantità di dimetilcarbonato.

Bioraffineria di vinacce per la produzione ed il recupero di acidi grassi volatili

Obiettivo della presente ricerca è stato la valutazione dell’utilizzo degli scarti derivanti dal processo di vinificazione come substrato per la digestione anerobica finalizzata alla produzione di VFA (“Volatile Fatty Acids”). I VFA sono acidi grassi a corta catena, convenzionalmente fino a 6 atomi di carbonio, che possono essere utilizzati industrialmente nell’ambito della “Carboxilation Platfrorm” per produrre energia, prodotti chimici, o biomateriali. La sperimentazione si è articolata in due fasi principali: 1) Produzione di VFA in processi batch alimentati con vinacce e fecce come substrato; 2) Recupero dei VFA prodotti dall’effluente anaerobico (digestato) mediante processi di adsorbimento con resine a scambio anionico. Nella prima fase sono stati studiati i profili di concentrazione dei principali VFA nel brodo di fermentazione al variare della tipologia di substrato (vinacce e fecce, bianche e rosse) e della temperatura di incubazione (35 °C e 55 °C). La condizione ottimale rilevata per la produzione di VFA è stata la digestione anaerobica di vinacce rosse disidratate e defenolizzate alla temperatura di 35 °C (mesofilia), che ha permesso di raggiungere una concentrazione di VFA totali nel digestato di circa 30 g/L in 16 giorni di monitoraggio. Nella seconda fase è stato analizzato il processo di estrazione in fase solida (Solid Phase Extraction, SPE) con resine a scambio anionico per il recupero dei VFA dal digestato di vinacce rosse. Sono state messe a confronto le prestazioni di quattro diverse resine a scambio anionico: Sepra SAX, Sepra SAX-ZT, Sepra NH2, Amberlyst A21. I parametri operativi ottimali per l’adsorbimento sono risultati essere condizioni di pH acido pari al valore naturale delle soluzioni indicate sopra (~2.5) e tempo di contatto di 2 ore. Tra le quattro resine quella che ha fornito i migliori risultati è stata la Amberlyst A21, una resina polimerica a scambio anionico debolmente basica il cui gruppo funzionale caratteristico è un’ammina terziaria. Infine è stato valutato il processo di desorbimento dei VFA adsorbiti dalla resina con tre diverse soluzioni desorbenti: acqua demineralizzata, etanolo (EtOH) ed acqua basificata con NaOH (1 mol/L). I risultati migliori sono stati conseguiti nel caso dell’EtOH, ottenendo un recupero finale del 9,1% dei VFA inizialmente presenti nel digestato di vinacce rosse incubate in termofilia.

Implementation of enhanced biological phosphorus removal (ebpr) wastewater treatment processes enriched with different microbial communities

The EBPR (Enhanced Biological Phosphorus Removal) is a type of secondary treatment in WWTPs (WasteWater Treatment Plants), quite largely used in full-scale plants worldwide. The phosphorus occurring in aquatic systems in high amounts can cause eutrophication and consequently the death of fauna and flora. A specific biomass is used in order to remove the phosphorus, the so-called PAOs (Polyphosphate Accumulating Organisms) that accumulate the phosphorus in form of polyphosphate in their cells. Some of these organisms, the so-called DPAO (Denitrifying Polyphosphate Accumulating Organisms) use as electron acceptor the nitrate or nitrite, contributing in this way also to the removal of these compounds from the wastewater, but there could be side reactions leading to the formation of nitrous oxides. The aim of this project was to simulate in laboratory scale a EBPR, acclimatizing and enriching the specialized biomass. Two bioreactors were operated as Sequencing Batch Reactors, one enriched in Accumulibacter, the other in Tetrasphaera (both PAOs): Tetrasphaera microorganisms are able to uptake aminoacids as carbon source, Accumulibacter uptake organic carbon (volatile fatty acids, VFA). In order to measure the removal of COD, phosphorus and nitrogen-derivate compounds, different analysis were performed: spectrophotometric measure of phosphorus, nitrate, nitrite and ammonia concentrations, TOC (Total Organic Carbon, measuring the carbon consumption), VFA via HPLC (High Performance Liquid Chromatography), total and volatile suspended solids following standard methods APHA, qualitative microorganism population via FISH (Fluorescence In Situ Hybridization). Batch test were also performed to monitor the NOx production. Both specialized populations accumulated as a result of SBR operations; however, Accumulibacter were found to uptake phosphates at higher extents. Both populations were able to remove efficiently nitrates and organic compounds occurring in the feeding. The experimental work was carried out at FCT of Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL) from February to July 2014.

Depliant informativo sul mercato tedesco dei biofarmaci: Proposta di traduzione

L'elaborato consiste nella traduzione di un un dépliant informativo sul mercato dei farmaci biotecnologici in Germania estratto dal sito ufficiale del gruppo vfa.bio. La traduzione è stata svolta simulandone la commissione per le seguenti finalità: informare i destinatari italiani che operano nello stesso tipo di mercato sul lavoro del gruppo vfa.bio; attirare finanziamenti esteri; informare e sensibilizzare il destinatario sulle scelte da operare in politica sanitaria a livello europeo per un miglior sviluppo di questo settore.

Valorization of biorefinery wastewater to carboxylates

La tesi della ha come obiettivo la valorizzazione delle acque di scarto derivanti dalla produzione del bioetanolo da colture cerealicole dedicate. Nella prima parte si studia la produzione di VFA mediante digestione anaerobica. In seguito, sono eseguiti batch tests per valutare la conversione dei VFA in MCFA. Infine, si focalizza sul processo di dowstream per il recupero degli acidi carbossilici dal brodo di fermentazione attraverso reactive extraction e back extraction.

Development of a biorefinery scheme for the valorization of olive mill wastewaters and grape pomaces

In the Mediterranean area, olive mill wastewater (OMW) and grape pomace (GP) are among the major agro-industrial wastes produced. These two wastes have a high organic load and high phytotoxicity. Thus, their disposal in the environment can lead to negative effects. Second-generation biorefineries are dedicated to the valorization of biowaste by the production of goods from such residual biomasses. This approach can combine bioremediation approaches to the generation of noble molecules, biomaterials and energy. The main aim of this thesis work was to study the anaerobic digestion of OMW and GP under different operational conditions to produce volatile fatti acids (VFAs) (first stage aim) and CH4 (second stage aim). To this end, a packed-bed biofilm reactor (PBBR) was set up to perform the anaerobic acidogenic digestion of the liquid dephenolized stream of OMW (OMWdeph). In parallel, the solid stream of OMW (OMWsolid), previously separated in order to allow the solid phase extraction of polyphenols, was addressed to anaerobic methanogenic digestion to obtain CH4. The latter experiment was performed in 100ml Pyrex bottles which were maintained at different temperatures (55-45-37°C). Together with previous experiments, the anaerobic acidogenic digestion of fermented GP (GPfreshacid) and dephenolized and fermented GP (GPdephacid) was performed in 100ml Pyrex bottles to estimate the concentration of VFAs achievable from each aforementioned GPs. Finally, the same matrices of GP and not pre-treated GP (GPfresh) were digested under anaerobic methanogenic condition to produce CH4. Anaerobic acidogenic and methanogenic digestion processes of GPs lasted about 33 days. Instead, the anaerobic acidogenic and methanogenic digestion process of OMWs lasted about 121 and 60 days, respectively. Each experiment was periodically monitored by analysing volume and composition of produced biogas and VFA concentration. Results showed that VFAs were produced in higher concentrations in GP compared to OMWdeph. The overall concentration of VFAs from GPfreshacid was approximately 39.5 gCOD L-1, 29 gCOD L-1 from GPdephacid, and 8.7 gCOD L-1 from OMWdeph. Concerning the CH4 production, the OMWsolid reached a high biochemical methane potential (BMP) at a thermophilic temperature (55°) than at mesophlic ones (37-45°C). The value reached was about 358.7 mlCH4 gSVsub-1. In contrast, GPfresh got a high BMP but at a mesophilic temperature. The BMP was about 207.3 mlCH4 gSVsub-1, followed by GPfreshacid with about 192.6 mlCH4 gSVsub-1 and lastly GPdephacid with about 102.2 mlCH4 gSVsub-1. In summary, based on the gathered results, GP seems to be a better carbon source for acidogenic and methanogenic microrganism compared to OMW, because higher amount of VFAs and CH4 were produced in AD of GP than OMW. In addition to these products, polyphenols were extracted by means of a solid phase extraction (SPE) procedure by another research group, and VFAs were utilised for biopolymers production, in particular polyhydroxyalkanoates (PHAs), by the same research group in which I was involved.