Sviluppo di processi di fermentazione per l'upcycling di scarti agro-industriali in polialcoli attraverso sistemi a cellule immobilizzate

The transition toward circular economy necessitates the implementation of industrial approaches exploiting agro-industrial residues, such as pentose-rich lignocellulosic biomasses and glycerol, as second-generation feedstocks. Polyalcohols such as xylitol and arabitol represent attractive targets that could be produced by industrial fermentations of such residues. Both these molecules are diabetic-friendly sweeteners with anticariogenic property and are attractive chiral building blocks for chemical industry. In the first part of this study, fifty non-Saccharomyces yeast strains were screened for xylitol production from xylose under aerobic and anaerobic conditions. Three strains (Pichia fermentans WC 1507, Wickerhamomyces anomalus WC 1501, and Kluyveromyces bacillosporus ATCC 200960) showed aerobic xylitol production potential. Optimal cultivation methods were explored, favoring a batch approach over a batch-and-pulse strategy. Furthermore, the black liquor derived from hemp hurds biomass treated with organosolv method was tested for xylitol production, revealing inhibitory effects at higher concentrations. The strain P. fermentans WC 1507, identified as the most efficient xylitol producer, achieved remarkable results in suspended bioreactor batch processes. Operating under optimal conditions (pH > 3.5, low oxygenation, and a medium with (NH4)2SO4 and yeast extract), the strain produced 79.4 g/L xylitol with a conversion yield (YP/S) of 66.3% and a volumetric productivity of 1.3 g/L/h. These results are among the highest values of xylitol tire, yield YP/S and volumetric productivity representing a promising starting point for both strain and process improvement. Further, P. fermentans WC 1507 was immobilized in inactive Aspergillus oryzae 76-2 pellet mycelial carrier (MC) and calcium alginate beads (AB) and tested in three consecutive runs. While AB and MC showed similar xylitol titer and YP/S values, MC demonstrated lower final and volumetric productivity due to mass transfer limitations. In a laboratory-scale airlift bioreactor, AB carriers achieved a xylitol titer of 63 g/L, a conversion yield of 60.3%, and a volumetric productivity of 0.66 g/L/h. These findings confirm the potential of P. fermentans WC 1507 for xylitol production in cells-entrapped systems, albeit with lower process performance compared to free cells. The yeast strain W. anomalus WC 1501, known for its great glycerol-to-arabitol bioconversion, was tested in calcium-alginate beads. Under optimal conditions (medium deprived of inorganic nitrogen and a 1:3 carrier-medium ratio), the strain produced 32 g/L arabitol in 168 h with a YP/S of 38%. Scaling-up to laboratory-scale bioreactors (Stirred Tank Reactors - STR, Packed-Bed Reactors - PBR, Fluidized-Bed Reactors - FBR, and Air-Lift Reactors - ALR) revealed crucial importance of effective broth oxygenation. AL exhibited superior performances, yielding 38 g/L arabitol in 168 h with a YP/S of 68%. While biomass immobilization simplified the process, challenges in mixing and oxygenation require further improvements in AL bioreactor geometry and operational conditions to ensure the profitability of glycerol conversion into valuable arabitol. Despite promise in polyalcohol production, processes with immobilized yeasts proved unsatisfactory at bioreactor scale compared to free cells. These processes are sensitive to mixing and oxygenation, demanding further efforts to identify optimal process conditions.

La transizione verso un'economia circolare richiede l'implementazione di strategie industriali che sfruttino residui agro-industriali come fonti di materie prime di seconda generazione, come ad esempio le biomasse lignocellulosiche ricche di pentosi e il glicerolo. I polialcoli come lo xilitolo e l’arabitolo possono essere prodotti da fermentazioni industriali di tali residui. Entrambe queste molecole sono dolcificanti adatti ai diabetici con proprietà anti-cariogene e sono attraenti building block per l'industria chimica. Nella prima parte di questo studio, cinquanta ceppi di lieviti non-Saccharomyces sono stati selezionati per la produzione di xilitolo da xilosio in condizioni aerobiche e anaerobiche. Tre ceppi (Pichia fermentans WC 1507, Wickerhamomyces anomalus WC 1501 e Kluyveromyces bacillosporus ATCC 200960) hanno manifestato produzione di xilitolo in condizioni aerobiche. Sono stati esplorati i metodi ottimali per la loro fermentazione e l’approccio batch è risultato migliore rispetto al batch-and-pulse. È stata, inoltre, testata la produzione di xilitolo a partire dal black liquor derivato dalla biomassa di canapa trattata con metodo organosolv, e si è osservata inibizione della crescita a concentrazioni più elevate. P. fermentans WC 1507 è stata identificata come la più efficiente produttrice di xilitolo e ha ottenuto notevoli risultati nei processi batch a cellule sospese, in bioreattore. Operando a condizioni ottimali (pH > 3,5, bassa ossigenazione e terreno con (NH4)2SO4 ed estratto di lievito), il ceppo ha prodotto 79,4 g/L di xilitolo con una resa (YP/S) del 66,3% e una produttività volumetrica di 1,3 g/L/h. Questi risultati rappresentano un punto di partenza promettente per l’implementazione sia nel ceppo che del processo. Inoltre, P. fermentans WC 1507 è stata immobilizzata in carrier micelici (MC) di Aspergillus oryzae 76-2 e in sferette di calcio-alginato (AB) e testato in tre runs consecutivi. Mentre AB e MC hanno mostrato titolo di xilitolo e valori YP/S simili, MC ha manifestato una minore produttività volumetrica finale a causa di limitazioni nel trasferimento di massa del substrato nelle AB. Quando testato in bioreattore airlift su scala di laboratorio, le AB hanno raggiunto un titolo di xilitolo di 63 g/L, una resa YP/S 60,3% e una produttività volumetrica di 0,66 g/L/h. Questi risultati confermano il potenziale di P. fermentans WC 1507 per la produzione di xilitolo in sistemi di immobilizzazione cellulare, sebbene con una minore performance rispetto alle cellule libere. Il ceppo di lievito W. anomalus WC 1501, noto per le sue ottime potenzialità di bioconversione da glicerolo ad arabitolo, è stato testato anche in AB. Nelle condizioni ottimali (terreno privo di azoto inorganico e un rapporto 1:3 carrier-terreno), il ceppo ha prodotto 32 g/L di arabitolo in 168 h con una resa YP/S del 38%. L’applicazione delle AB in bioreattori a scala di laboratorio (Stirred Tank Reactors - STR, Packed-Bed Reactors - PBR, Fluidized-Bed Reactors - FBR, and Air-Lift Reactors - ALR) ha rivelato l'importanza cruciale di un'efficace ossigenazione del mezzo di coltura. Il sistema AL ha mostrato performance superiori, producendo 38 g/L di arabitolo in 168 ore con un rendimento YP/S del 68%. Sebbene la biomassa immobilizzata semplifichi il processo, le sfide legate alla miscelazione e all'ossigenazione richiedono ulteriori miglioramenti nella geometria e nelle condizioni operative del bioreattore AL per garantire il rendimento della conversione del glicerolo in arabitolo. Nonostante promettenti nella produzione di polialcoli, i processi a cellule immobilizzate sono sensibili alla miscelazione e all'ossigenazione, richiedendo ulteriori sforzi per identificare le condizioni ottimali per lo svolgimento del processo.