La produzione di bio-idrogeno da scarti agro-industriali attraverso fermentazione è una delle alternative rinnovabili per la produzione di biogas più promettente. In questo studio sarà valutata la produzione di idrogeno tramite dark fermentation (DF), con l'utilizzo di consorzio microbico inoculato da fanghi attivi pretrattati termicamente e siero di latte come substrato nutritivo. Gli effluenti derivanti dalla DF del siero di latte sono un ulteriore risorsa poiché comprendono principalmente acidi grassi voltatili, valorizzabili attraverso la produzione di biopolimeri. Tramite un approccio microbiologico innovativo saranno descritte, sia le capacità d'immagazzinamento del pool microbico, sia un'indagine accurata dell'efficienza dei singoli gruppi batterici, per una selezione dei più promettenti e un potenziamento biologico del sistema. Attraverso la tipizzazione microbiologica: classica (microscopia e conta batterica) e innovativa (metagenomica e metodi molecolari), verranno studiate le funzioni e sfruttate le potenzialità applicative dei microrganismi.
L'innovazione della ricerca è rappresentata dalla messa a punto di sistemi biotecnologici che consistono nell'adottare due distinti stadi: il primo per la produzione di bioidrogeno e di acidi grassi volatili, il secondo per la valorizzazione dei sottoprodotti del primo stadio attraverso la produzione di biopolimeri di sintesi microbica. I Poliidrossialcanoati (PHAs) sono materiali biopolimerici sintetizzati da un vasto numero di ceppi batterici. Sono noti per il loro utilizzo come bioplastiche perché hanno delle proprietà chimico fisiche simili alle plastiche convenzionali.
Lo scopo è di attuare un processo che sia completamente sostenibile e innovativo, efficace in termini di produzione di bio-idrogeno e biopolimeri, accoppiando i due stadi consecutivi si riducono al minimo gli sprechi, si abbassando i costi di utilizzo di substrati e si crea un sistema sostenibile.
L'innovatività del progetto risiede nello studio di un processo economicamente competitivo, che tramite la riduzione degli scarti e la valorizzazione dei sottoprodotti delle matrici di partenza, generi un prodotto finale a basso impatto ambientale risultando sostenibile.
La peculiarità della ricerca è rappresentata dalla messa a punto di sistemi biotecnologici che siano in grado di valorizzare i sottoprodotti della (DF) per la produzione di idrogeno e biopolimeri, attraverso uno studio e un'ottimizzazione approfondita del microbioma utilizzato come inoculo, al fine di ottenere un potenziamento biologico del sistema.
La soluzione proposta prevede l'impiego, in fermentazione, di un substrato a basso costo, costituito dai sottoprodotti dell'industria casearia: il siero di latte. Questo sottoprodotto presenta dei vantaggi di impiego: è una materia di scarto e costituisce un costo per lo smaltimento, riduzione di dispersione nell'ambiente di una sostanza fortemente inquinante a causa dell'alto contenuto di carico organico ed è un'importante risorsa di lattosio, proteine e lipidi.
Secondo punto innovativo del progetto sarà: adottare una biotecnologia che unisca i due stadi produttivi, del bioidrogeno e della valorizzazione dei sottoprodotti del primo stadio attraverso la produzione di biopolimeri.
Numerosi studi evidenziano la necessità di un processo fermentativo del siero di latte per la formazione dei VFA principali quali acido lattico, acetico, butirrico, propionico e valerico (Colombo et al., 2016; Valentino et al., 2014).
Sfruttando la fermentazione per la produzione di idrogeno si potenzierà la concentrazione di VFA formatasi nel digestato, creando un ciclo di produzione completamente sostenibile, a partire da substrati di scarto ottenere prodotti come l'idrogeno e sottoprodotti come i biopolimeri, come già studiato in bibliografia (Reddy et al., 2015; Mohan et al., 2010). L'approccio biotecnologico descritto apporterà il valore aggiunto di innovatività, tentando di realizzare un avanzamento delle conoscenze rispetto lo stato dell'arte. Risulta necessario avere una conoscenza microbiologica del processo per poterlo potenziare. La sfida sarà di caratterizzare i gruppi batterici più produttivi, per quanto riguarda le rese di PHA, apportando i seguenti vantaggi alla ricerca: la valorizzazione di biomassa organica da materia di scarto, la possibile ricerca e scoperta di nuovi ceppi produttivi ed altamente efficienti, una selezione delle eccellenze per poter effettuare un potenziamento biologico del sistema tramite l'utilizzo di un consorzio microbico misto specializzato.
I PHA infatti possono essere prodotti da colture pure o colture miste di microrganismi. Le colture pure sono associate alle migliori prestazioni di produzione e immagazzinamento dei polimeri (Reis et al., 2011). Invece i consorzi microbici misti non hanno bisogno di condizioni di sterilità e si adattano meglio alla variabilità e alla complessità del substrato di partenza (Reis et al., 2011). Una volta ottenuti i primi risultati, si potrà applicare un focus microbiologico di tipizzazione metodologica classica (microscopia e conta batterica) e innovativa (metodi molecolari e tipizzazione metagenomica). Parallelamente agli obiettivi sopra esposti, verrà effettuata la caratterizzazione dei gruppi batterici più produttivi per accumulo di PHA. Durante tutte le fasi di fermentazione verranno costantemente monitorati l'attività microbiologica tramite metodi classici di tipizzazione più immediati, come la conta batterica e la microscopia. La possibile ricerca e scoperta di nuovi ceppi specializzati e altamente efficienti, per puntare allo scopo di selezione delle eccellenze ed effettuare un potenziamento biologico del sistema tramite l'utilizzo di un consorzio microbico misto specializzato invece, verrà attuata tramite la metagenomica.
La metagenomica è una nuova scienza emergente che studia l¿insieme dei diversi materiali genetici (detto metagenoma), complessivamente derivanti dalle diverse specie presenti in un determinato ambiente; La metagenomica interpreta la biologia a livello aggregato, trascende il singolo organismo per concentrarsi su uno o più geni della comunità al fine di analizzarne il grado di biodiversità o i meccanismi attraverso i quali è possibile influenzare le rispettive attività sulla base delle funzioni collettive. Questo strumento di analisi scientificamente è il più avanzato per la caratterizzazione del genoma completo del substrato e dell'analisi specifica delle potenzialità del pool microbico, sarà la chiave per ottenere un sistema biologicamente efficiente.
Il sistema progettato pone le basi di un'indagine allargata e propedeutica a future ricerche applicative al fine di trasferire il sistema alla scala reale.