I poliidrossialcanoati (PHA) sono polimeri di origine biologica completamente biodegradabili nell'ambiente che possono essere sintetizzati da fonti rinnovabili. Essi rappresentano una delle più promettenti alternative alle plastiche tradizionali (es. polipropilene), prodotte da combustibili fossili e altamente recalcitranti. Una strategia innovativa per diminuire i costi di produzione, che attualmente rendono i PHA non competitivi sul mercato, consiste nell'utilizzo di colture microbiche miste (MMC). I processi con MMC comprendono più stadi, di cui il primo prevede la fermentazione acidogenica di materiale organico di scarto per ottenere una miscela di acidi grassi volatili, che costituisce l'alimentazione dei due stadi successivi. Il secondo stadio è tipicamente operato in un reattore ad alimentazione periodica (SBR) ed è finalizzato alla selezione ed arricchimento di microrganismi produttori di PHA la cui capacità di stoccaggio è massimizzata nel terzo stadio, predisposto all'accumulo del polimero. L'obiettivo di questo progetto è quello di individuare le condizioni operative di un SBR in scala di laboratorio che consentono di selezionare un consorzio microbico misto con il più alto contenuto di polimero ottenibile da inviare direttamente allo stadio finale di estrazione, senza necessità di uno stadio intermedio di accumulo. Ciò consentirebbe di semplificare lo schema attuale di processo, offrendo un avanzamento positivo sia dal punto di vista progettuale che economico. Un altro obiettivo è quello di identificare le condizioni ottimali di esercizio di un approccio altamente innovativo ed ecosostenibile di estrazione dei PHA, che prevede l'uso di CO2 supercritica accoppiato ad un successivo trattamento enzimatico per massimizzare l'efficienza di recupero e la purezza del polimero estratto. Infine, quest'ultimo sarà utilizzato per realizzare un protocollo sperimentale al fine di creare oggetti tridimensionali di vario utilizzo mediante l'impiego di una stampante 3D.
La produzione di PHA con colture microbiche miste è un processo che attrae notevole attenzione scientifica da diversi anni, ma che presenta ancora varie criticità da risolvere prima di poter essere sviluppata in scala industriale. Questo progetto ha lo scopo principale di studiare approcci innovativi per affrontare alcune delle criticità presenti. Il gruppo di ricerca coinvolto ha una consolidata esperienza nello studio del processo multi-stadio proposto, come dimostrato anche dalla partecipazione a progetti di ricerca europei appartenenti al programma Horizon 2020, in cui l'attività sperimentale è principalmente dedicata ad investigare la prestazione in scala pilota dei tre principali stadi del processo inclusa la fermentazione acidogenica di substrati reali di scarto. Nel presente progetto, invece, si intende effettuare uno studio di base in scala di laboratorio con substrati sintetici dedicato in particolar modo ad ottimizzare il secondo stadio di selezione microbica, che influenza significativamente sia il successivo stadio di accumulo che i processi finali di estrazione e purificazione del polimero prodotto. Più in dettaglio, si intende verificare la possibilità di effettuare lo stadio di selezione in un SBR operato a carichi organici molto elevati con un regime di alimentazione separato di carbonio ed azoto. Ciò al fine di consentire sia una migliore selezione che una elevata produttività di microrganismi stoccatori di PHA, con un conseguente significativo accumulo di polimero nello stadio di selezione stesso. In base alle prestazioni ottenute si potrà optare di eliminare il terzo stadio di accumulo di PHA, inviando allo stadio finale di estrazione del polimero il consorzio microbico direttamente prelevato dall'SBR con il più alto contenuto di polimero ottenibile, che è fortemente correlato al carico organico applicato. Questo approccio consentirebbe di semplificare lo schema di processo offrendo un avanzamento positivo, sia dal punto di vista progettuale che economico, rispetto allo schema attuale. Inoltre, qualora il contenuto intracellulare di polimero risultasse sufficiente, questo approccio semplificato non andrebbe ad interferire sul bilancio economico dello stadio di estrazione (il cui costo diminuisce all'aumentare del quantitativo intracellulare di PHA). Particolare attenzione verrà posta anche allo studio di un metodo efficace e ecosostenibile di estrazione. La tecnologia proposta, che prevede l'uso di CO2 supercritica accoppiato ad un successivo trattamento enzimatico, risponde ad entrambi i requisiti prefissati. Infatti, punta ad ottenere un buon recupero dei PHA con un elevato grado di purezza e senza l'impiego di elevati quantitativi di solventi clorurati altamente tossici e con un grande impatto ambientale dovuto ai problemi legati al loro smaltimento. Questo metodo estrattivo, oltre ad essere altamente innovativo, è semplice dal punto di vista applicativo e gli studi preliminari effettuati finora dal presente gruppo di ricerca sono molto promettenti. Tuttavia, è necessario definire le condizioni operative ottimali, nonché investigare l'effetto dei principali parametri di esercizio sulla qualità del polimero estratto, valutata in termini di purezza, composizione e peso molecolare. Questo studio è necessario al fine di acquisire conoscenze fondamentali per poter effettuare un passaggio di scala della tecnologia, anche in considerazione del fatto che le proprietà dei PHA estratti condizionano notevolmente la scelta del settore applicativo. Un'applicazione attraente ed ancora in via di sviluppo consiste nella creazione di oggetti tridimensionali di vario utilizzo mediante l'impiego di una stampante 3D. Lo studio si propone di realizzare un protocollo sperimentale che consenta di rendere operabile l'apparecchiatura (già disponibile) con i PHA. Ciò rappresenta un ulteriore avanzamento della ricerca proposta nella prospettiva generale di creare nuove opportunità di sviluppo del mercato di PHA prodotti esclusivamente con colture microbiche miste.