Produzione di Xilitolo mediante processi fermentativi via cellule immobilizzate con il lievito Pichia fermentans wc1507 in beads di Alcol polivinilico

Lo studio proposto in questa tesi riguarda l’ottimizzazione di un protocollo per l’immobilizzazione delle cellule del lievito Pichia fermentans WC1507 all’interno di carrier a base di alcool polivinilico (PVA) e alginato di sodio, al fine di massimizzare la bioconversione dello xilosio in xilitolo. Lo xilosio è un monosaccaride ottenuto dall’idrolisi di biomasse lignocellulosiche, costituite da residui vegetali derivanti da attività agricole o processi agroindustriali. La sua conversione in xilitolo, un dolcificante dal sapore simile al saccarosio e con proprietà nutrizionali favorevoli (basso indice glicemico, potenziale attività antitumorale), rappresenta un’opportunità interessante in ottica di economia circolare. La produzione di xilitolo avviene principalmente tramite processi chimici ad elevato impatto ambientale. L’impiego di catalizzatori biologici, come cellule microbiche immobilizzate, consente una riduzione significativa del consumo energetico e l’eliminazione di catalizzatori metallici. Il protocollo sviluppato si propone come tecnologia abilitante per la valorizzazione delle biomasse lignocellulosiche, con applicazioni potenziali in bioraffineria. L’immobilizzazione consente il riutilizzo della biomassa per più cicli produttivi, sia in beuta che in bioreattori, semplificando il recupero del mezzo di coltura e le operazioni di downstream. La tecnica adottata prevede l’impiego combinato di PVA e alginato di sodio per la formazione di piccole sfere (beads), reticolate con acido borico e cloruro di calcio, seguite da un trattamento con solfato di sodio per stabilizzare il PVA. Rispetto a protocolli con solo alginato, questa formulazione offre maggiore resistenza meccanica, utile per applicazioni in bioreattori con agitazione. Nella fase preliminare in beuta, sono stati valutati diversi cicli di lavaggio per migliorare la vitalità cellulare. I protocolli sono stati confrontati mediante analisi HPLC e verificando la possibilità di riutilizzare i carrier per cicli successivi. I primi test hanno mostrato una bassa produzione di xilitolo (1.7 g/L) nel primo ciclo, aumentata drasticamente (36.8 g/L) dopo il cambio di terreno, a causa di residui di acido borico nelle beads. Un lavaggio aggiuntivo in soluzione fisiologica per 30 minuti ha migliorato la resa iniziale a 55.7 g/L, con una conversione del 62.3%, ma ha compromesso l’elasticità delle sfere. L’uso di glicerolo al 15% m/V come soluzione di lavaggio ha offerto un buon compromesso, mantenendo la produttività e la stabilità meccanica. Definito il protocollo ottimale, si è passati alla fase in bioreattore (800 rpm), dimostrando la possibilità di riutilizzare le sfere fino a quattro cicli consecutivi. La produzione media è stata di 52.6 g/L di xilitolo per ciclo, a fronte di 103.3 g/L di xilosio consumato, con una resa del 47.2% e una produttività di 237.9 mg/L/h. I carrier sviluppati si sono rivelati efficaci e meccanicamente stabili, benché la loro preparazione richieda tempi lunghi, passaggi multipli in diverse soluzioni e presenti criticità legate alla viscosità del PVA, che tende a far aderire le sfere tra loro. Nonostante condizioni di processo non ottimizzate, è stata comunque ottenuta un'efficiente produzione di xilitolo da xilosio in un bioreattore ad agitazione meccanica. Questi risultati promettenti potrebbero aprire nuove prospettive nella valorizzazione biotecnologica dei pentosi ottenuti da biomasse vegetali come materie prime rinnovabili.