Valorizzazione de caffè esausto per la produzione di poliidrossialcanoati da Cupriavidus necator DSM 545

Abstract

I poliidrossialcanoati sono polimeri a base biologica e biodegradabili, prodotti all'interno di microrganismi in condizioni di crescita specifiche. Sono un'alternativa promettente alle plastiche convenzionali, ma la loro produzione presenta molte sfide, inclusa la loro limitata competitività sul mercato. A questo proposito, l'utilizzo di flussi di rifiuti come materie prime di carbonio consente di ridurre il costo di produzione finale e, allo stesso tempo, di valorizzare un residuo. Questa tesi ha dimostrato che Cupriavidus necator DSM 545 è in grado di crescere quando l'olio viene estratto dai fondi di caffè viene utilizzata una fonte di carbonio a basso costo nel mezzo. È stata sviluppata una strategia per estrarre l'olio da SCG riducendone preventivamente il contenuto in termini di composti antiossidanti e antimicrobici. A tal proposito è stata effettuata un'estrazione ad alta pressione e temperatura, seguita dall'estrazione dell'olio con n-esano come solvente. Sono stati eseguiti diversi studi di caratterizzazione degli estratti ottenuti. Il pretrattamento SCG ha dimostrato la sua capacità di ridurre la quantità di composti con una potenziale attività di inibizione microbica e, allo stesso tempo, ha modificato la struttura chimica e fisica di SCG, portando a diverse rese di estrazione e composizione dell'olio ulteriormente prodotto. Sono stati condotti studi di shake-flask su C. necator DSM 545 alimentato sia con glucosio che con olio derivato da SCG pretrattato con HPTE e testando diversi rapporti C/N. È stata dimostrata la fattibilità tecnica dell'alimentazione del microrganismo con olio derivato da SCG come substrato di carbonio e la quantità massima di biomassa totale 1,28 g/L è stata ottenuta con un rapporto C/N di 200 (g/g). È stata testata una tecnica di estrazione del PHA utilizzando il cloroformio come solvente. Gli spettri FTIR del polimero estratto hanno mostrato picchi tipici di poliidrossialcanoati di breve lunghezza, come i poliidrossibutirrato.

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are bio-based and biodegradable polymers, produced and accumulated inside microorganism under specific growth condition. They are a promising alternative to conventional plastics, but their production presents many challenges, including their limited competitiveness on the market. In these regards, the use of waste streams as carbon feedstocks allows to decrease the final production cost and, at the same time, to valorize a residue. This thesis demonstrated that Cupriavidus necator DSM 545 is capable of growing when oil extracted from spent coffee grounds (SCG) is used a low cost carbon source in the medium. A strategy was developed to extract oil from SCG by previously reducing their content in terms of antioxidant and antimicrobial compounds. In these regards, a high pressure and temperature extraction (HPTE) was carried out, followed by the extraction of oil with n-hexane as solvent. Several characterization studies of the obtained extracts were performed. The SCG pretreatment demonstrated its ability to reduce the amount of compounds with a potential microbial inhibition activity and, at the same time, modified the chemical and physical structure of SCG, leading to different extraction yields and composition of the further produced oil. Shake-flask studies were conducted on C. necator DSM 545 fed with both glucose and oil derived from SCG pre-treated by HPTE and by testing different C/N ratios. The technical feasibility of feeding the microorganism with SCG-derived oil as carbon substrate was demonstrated, and the highest amount of total biomass 1.28 g/L were obtained with a C/N ratio of 200 (g/g). A preliminary PHA extraction technique was tested using chloroform as solvent. The FTIR spectra of the extracted polymer showed typical peaks of short-chat length polyhydroxyalkanoates, like polyhydroxybutyrate (PHB).