Valorizzazione di polisaccaridi recalcitranti da scarti agricoli attraverso strategie chimiche/biochimiche combinate

Corn straw and cherry petioles, by-products of the food industry, represent lignocellulosic waste, the disposal of which is often problematic. However, they still contain many components that could be enhanced to obtain value-added products from a circular economy perspective. This thesis work therefore focused on the development of sustainable processes based on the model of an integrated biorefinery, with the aim of fully valorizing the different fractions present in these waste materials. Corn straw was subjected to a green extraction treatment, exploiting subcritical water as a solvent in combination with microwaves. In this way, hemicelluloses were extracted and subsequently characterized using different techniques. Cherry petioles, on the other hand, which contain polyphenols and pectins in addition to structural polymers, were subjected to a cascade pretreatment, involving first subcritical water extraction and then alkaline delignification, both conducted using microwaves. Hemicelluloses extracted from corn straw and residual cellulose-rich biomass obtained from pretreatment were used as a carbon source in fermentation trials. Specifically, Thermoanaerobacterium saccharolyticum strain LL1185 (Δack, Δpta) was used for the fermentation of hemicelluloses, while Clostridium thermocellum strain LL1630 (mixed population evolved from strain LL111111 with increased tolerance to LA) was used for cellulose-rich solid. However, the yields and final lactic acid concentrations obtained were not satisfactory for industrial application, being lower than those reported in the literature. The pretreatments and fermentations tested in this study demonstrated the potential for valorization of agricultural wastes, maximizing the recovery of all components of lignocellulosic biomass. However, further optimization of fermentation conditions is needed to make the process competitive on an industrial scale

La paglia di mais e i piccioli di ciliegia, sottoprodotti dell’industria alimentare, rappresentano scarti lignocellulosici, il cui smaltimento risulta spesso problematico. Tuttavia, contengono ancora molte componenti che potrebbero essere valorizzate per ottenere prodotti a valore aggiunto, in ottica di economia circolare. Questo lavoro di tesi si è concentrato pertanto sullo sviluppo di processi sostenibili basati sul modello di una bioraffineria integrata, con l’obiettivo di valorizzare integralmente le diverse frazioni presenti in questi materiali di scarto. La paglia di mais è stata sottoposta a un trattamento di estrazione green, sfruttando l’acqua subcritica come solvente in combinazione con le microonde. In questo modo sono state estratte le emicellulose, successivamente caratterizzate mediante diverse tecniche. I piccioli di ciliegia, invece, che contengono, oltre ai polimeri strutturali, anche polifenoli e pectine, sono stati sottoposti a un pretrattamento a cascata, che ha previsto prima un’estrazione in acqua subcritica e poi una delignificazione alcalina, entrambe condotte con l’ausilio delle microonde. Le emicellulose estratte dalla paglia di mais e la biomassa residua ricca in cellulosa, ottenuta dal pretrattamento, sono state impiegate come fonte di carbonio in prove di fermentazione. Nello specifico, il ceppo Thermoanaerobacterium saccharolyticum LL1185 (Δack, Δpta) è stato utilizzato per la fermentazione delle emicellulose, mentre il ceppo Clostridium thermocellum LL1630 (popolazione mista evoluta dal ceppo LL1111 con aumentata tolleranza all’LA) è stato impiegato per il solido ricco in cellulosa. Le rese e le concentrazioni finali di acido lattico ottenute non sono tuttavia risultate soddisfacenti per un’applicazione industriale, essendo inferiori a quelle riportate in letteratura. I pretrattamenti e le fermentazioni sperimentate in questo studio hanno dimostrato il potenziale di valorizzazione degli scarti agricoli, massimizzando il recupero di tutte le componenti delle biomasse lignocellulosiche. Tuttavia, per rendere il processo competitivo su scala industriale, sono necessarie ulteriori ottimizzazioni delle condizioni fermentative.