Uso di Cupriavidus necator per la produzione di poliidrossialcanoati da prodotti della digestione anaerobica

Production of carbon dioxide and plastic pollution are pressing environmental concerns. Bioconversion of carbon dioxide and organic waste into useful products, such as bioplastics, presents a promising solution. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are particularly notable biopolymers due to their biocompatibility and biodegradability. This thesis focuses on the bacterium Cupriavidus necator, known for its ability to convert CO2 and other organic compounds into PHAs. Specifically, this bacterium accumulates polyhydroxybutyrate (PHB) and polyhydroxybutyrate-co-valerate (PHBV) granules as carbon reservoirs under nutritional stress. This study analysed carbon sources present in anaerobic digestion products, namely CO2 and VFA, and their bioconversion into PHA, which takes advantage of C. necator chemolithotrophic and heterotrophic metabolism, respectively. To optimise biomass accumulation using VFA, a series of growth trials was conducted to study VFA toxicity, as high concentrations inhibit C. necator growth. Aiming to utilise VFA present in digestate, obtained from a hydrolysis tank, as the main carbon source, a VFA mixture mimicking this substrate was used for another series of fed-batch growth tests, evaluating the effect of acetate and propionate on polymer composition. Furthermore, to fixate CO2 using C. necator, a two-stage process was tested: first, bacterial biomass was accumulated by fed batch growth with digestate-like VFA mixture; then, CO2 was converted into PHA. This phase was performed in a 12 L bioreactor designed to maximise gas transfer, which is essential for rapid C. necator autotrophic metabolism. From these different approaches, 9.04 g of dry biomass, of which 1.64 g was PHA, was ultimately obtained. Overall, results strongly support the feasibility of PHA production by C. necator from anaerobic digestion products, potentially opening a route for cheaper PHA production.

La produzione di anidride carbonica e l'inquinamento da plastica sono problemi ambientali urgenti. La bioconversione dell'anidride carbonica e dei rifiuti organici in prodotti utili, come le bioplastiche, rappresenta una soluzione promettente. I poliidrossialcanoati (PHA) sono biopolimeri particolarmente interessanti per la loro biocompatibilità e biodegradabilità. Questa tesi si concentra sul batterio Cupriavidus necator, noto per la sua capacità di convertire la CO2 e altri composti organici in PHA. In particolare, questo batterio accumula granuli di poliidrossibutirrato (PHB) e poliidrossibutirrato-co-valerato (PHBV) come riserve di carbonio in condizioni di stress nutrizionale. Questo studio ha analizzato le fonti di carbonio presenti nei prodotti della digestione anaerobica, ovvero CO2 e VFA, e la loro bioconversione in PHA, sfruttando rispettivamente il metabolismo chemiolitotrofico ed eterotrofico di C. necator. Per ottimizzare l'accumulo di biomassa utilizzando i VFA, è stata condotta una serie di prove di crescita per studiare la tossicità dei VFA, poiché alte concentrazioni inibiscono la crescita di C. necator. Per utilizzare i VFA presenti nel digestato, ottenuto da un serbatoio di idrolisi, come principale fonte di carbonio, è stata utilizzata una miscela di VFA che imita questo substrato per un'altra serie di test di crescita in fed-batch, valutando l'effetto dell'acetato e del propionato sulla composizione del polimero. Inoltre, per fissare la CO2 utilizzando C. necator, è stato testato un processo in due fasi: in primo luogo, la biomassa batterica è stata accumulata mediante crescita in batch con una miscela di VFA simile al digestato; quindi, la CO2 è stata convertita in PHA. Questa fase è stata eseguita in un bioreattore da 12 L progettato per massimizzare il trasferimento di gas, essenziale per un rapido metabolismo autotrofo di C. necator. Da questi diversi approcci sono stati ottenuti 9.04 g di biomassa secca, di cui 1.64 g di PHA. Nel complesso, i risultati supportano fortemente la fattibilità della produzione di PHA da parte di C. necator a partire da prodotti di digestione anaerobica, aprendo potenzialmente una strada per la produzione di PHA più economica.