in Thermotoga neapolitana

Tesi di laurea

Ottimizzazione della produzione di idrogeno e acido lattico in Thermotoga neapolitana

Università degli studi di Napoli Federico II

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base

Relatore: Candidata:

Prof. Ing. Francesco Pirozzi Eliana Marigliano Correlatori :

Dott.ssa Giuliana d’Ippolito Ing. Antonio Panico

Matricola:

M67/421

Inquadramento:

Cambiamenti climatici Emissioni CO₂ Plastic Trash

Bio - RAFFINERIA

Bio-prodotti

Vettore energetico che garantisce zero emissioni di CO₂

Bioplastiche che mitigano il problema attuale delle plastiche

Acido Lattico

Thermotoga neapolitana

- Isolato da una sorgente termale di Lucrino - Temperatura ottimale 80°C

- Anaerobio obbligato - Toga

Pathway Metabolico

Carboidrati

Piruvato

Acido Lattico

Acido Acetico

H

Dark Fermentation

N₂

• Di Pasquale L. et al., Int J Hydrogen Energ.,2014, 39; d’Ippolito G. et al., ChemSusChem, 2014, 7

Pathway Metabolico

Carboidrati

Piruvato

Acido Lattico

H

CLF- Capnofilic Lactic Fermentation

CO₂

Acido Acetico

• Di Pasquale L. et al., Int J Hydrogen Energ.,2014, 39; d’Ippolito G. et al., ChemSusChem, 2014, 7

Ottimizzare la produzione di idrogeno e acido lattico tramite

«CLF- Capnophilic Lactic Fermentation»

Obiettivo della Tesi

Acido Lattico

Metodi

Sali inorganici

Resazurina

Proteine

Vitamine e Metalli in traccia Glucosio

(5g/L)

✓ Inoculo al 6% v/v

✓ Rapporto volume-spazio di testa

1:3 per evitare inibizione legata ad accumulo di idrogeno

✓ Correzione manuale di pH della coltura con soluzione di 1M NaOH

Time Line della sperimentazione

Statico Dinamico Scale up Controllo pH Semi-continuo

Esperimenti condotti sia sotto insufflazione di N₂ che di CO₂ per verificare attivazione della CLF

Dinamica Statica

Statico Vs Dinamico

0 1 2 3 4

statica dinamica

moli H2 /moli glucosio

Rese H₂

Statico Vs Dinamico

La resa di idrogeno aumenta di circa il 20 %

nel sistema dinamico Nel sistema dinamico non si osservano variazioni nella resa di acido acetico mentre

la resa di lattico è raddoppiata

0 0.4 0.8 1.2 1.6

statica dinamica

moli acido organico/moli glucosio Rese Acidi organici

acido acetico acido lattico

Scale – up del processo

Reattore piccolo

(P)

120 ml

Reattore medio

(M)

315 ml

Reattore grande

(G)

570 ml

Fermentatore (F)

3 L

Scale – up del processo

La diminuzione delle rese di acidi organici ed idrogeno suggerisce la necessità di intervenire sui parametri di processo per ottimizzare lo scale-up

0 1 2 3 4

120 ml 315 ml 570 ml 3 L

moli H2 / moli glucosio

Rese H2

+ 13% -26% + 15% -36%

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60

120 ml 315 ml 570 ml 3 L

moli acido organico/ moli glucosio Rese Acidi organici

acido acetico acido lattico

- 10% - 38%

5 5.5 6 6.5 7

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Tempo (h)

pH manuale

5 5.5 6 6.5 7

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Tempo (h)

pH automatico

Fermentatore per controllo del pH

Fermentatore 3 L

3.41

0 1 2 3 4

Manuale Automatico

moli H2/ moli glucosio

Rese H₂

Controllo del pH

Nel processo pH- controllato si osserva l’attivazione della CLF con una resa di idrogeno prossima a quella teorica di 4 moli/moli substrato ed un notevole aumento della resa di lattico

0 0.4 0.8 1.2 1.6

Manuale Automatico

Rese Acidi organici

acido acetico acido lattico

Processo semi-continuo

❖Ripristinare 5 g/L di glucosio nel terreno fermentato

❖Sostituzione di terreno operata sotto insufflazione di CO₂

0 1 2 3 4 5 6

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Glucosioin g/L

Time (h)

Consumo di glucosio in g/L

Tipologia di alimentazione

Andamento lineare nelle prime 24 ore

Successivamente andamento non più lineare (da 38 ore in poi) dovuto ad accumulo di prodotti nel terreno di coltura Diminuzione del consumo di substrato che evidenzia una inibizione batterica

Tipologia di alimentazione

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80

ABS540 nm

Tempo (h)

ABS_{540 nm}

Crescita esponenziale per le prime 14 ore

Andamento decrescente successivo a cambi di condizione

Attività inibita dall’accumulo di cataboliti nel terreno di coltura Cinetica biologica evidenziata con legge di Monod

0 20 40 60 80

0-14 14-24 24-38 38-48 48-62 62-72

H2mmol/L

Δt (h)

Produzione H₂ per punti

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80

Produzionemmol

t (h)

Produzione di Acidi Organici

AA AL

Tipologia di alimentazione

▪ Produzione di Acido Acetico di circa 70 mmol

▪ Produzione di Acido Lattico di circa 20 mmol

▪ Inibizione batterica evidenziata anche per rese di idrogeno, che subiscono un decremento

Conclusioni

✓ Alta potenzialità di Thermotoga neapolitana nel produrre idrogeno e acido lattico mediante CLF

✓ Attivazione della CLF in condizioni dinamiche

✓ Necessità di ottimizzare i parametri di processo in funzione del reattore scelto

✓ Miglioramento della produzione in fermentatore mediante controllo automatico di pH

Acido Lattico: 2 g/L H₂: 2000 mL/L

Prospettive future

❑ Studio approfondito sul processo di alimentazione semicontinua

❑ Verifica delle potenzialità di un processo in continuo

❑ Impiego di reflui agro-alimentari

come feedstock per l’alimentazione di Thermotoga neapolitana

Grazie per l’attenzione