Valorizzazione del glicerolo grezzo per mezzo del lievito Rhodosporidium toruloides per la produzione di chemicals ad alto valore aggiunto: carotenoidi e lipidi microbici

Climate change, along with continued population growth and increased demand for essential goods, has made evident the need for social, economic, and ecological adaptation to prevent further environmental degradation. In this context, the transition towards a circular economic model, which involves the valorization of industrial by-products and waste for the production of high-value chemicals, represents a sustainable and advantageous option. The aim of this thesis project is to exploit the metabolism of the oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides to valorize crude glycerol, a by-product generated in the biodiesel production process, through its bioconversion into high-value-added products such as carotenoids and microbial oils. Due to its ability to metabolize various substrates as a carbon source and its high resistance, this yeast has been studied for the valorization of pure glycerol and various agro-industrial wastes. It is known that in Rhodosporidium toruloides, the carbon/nitrogen (C/N) ratio, substrate concentration, and temperature are factors that significantly influence lipid and carotenoid production. To this end, an experimental design was developed to understand how the interactions between the molar carbon/nitrogen (C/N) ratio, the initial glycerol concentration, and temperature influence the production of carotenoids and lipids, with the aim of optimizing the fermentation process. The results obtained show that the highest concentrations of lipids and carotenoids in the culture broth occur under conditions that favor cell biomass production: low C/N, high glycerol concentrations, and elevated temperatures. The parameter values suggested by the software (C/N=22; Gly=49 g/L; T=29°C) for the optimization of carotenoids led to a production 7.4 times higher than reported in the literature using the same substrate, also demonstrating that the impurities in the crude glycerol used did not inhibit the yeast's metabolism. On the other hand, the lipid concentration values in the culture broth were approximately 60% lower than those reported in the literature for other oleaginous strains using crude glycerol as a growth substrate. The scale-up in a 1.2 L bioreactor also highlighted the key role of oxygenation in carotenoid production. By using the same conditions suggested by the software and maintaining oxygenation at a pO2 value of 30%, a 53.8% increase in carotenoid production was achieved compared to the results obtained in flasks.

I cambiamenti climatici, insieme alla continua crescita demografica e all'incremento della domanda di beni di prima necessità, hanno reso evidente la necessità di un adattamento a livello sociale, economico ed ecologico per prevenire un ulteriore degrado ambientale. In tale contesto, la transizione verso un modello economico circolare, che prevede la valorizzazione dei sottoprodotti e degli scarti industriali per la produzione di chemicals ad alto valore aggiunto, rappresenta un'opzione sostenibile e vantaggiosa. L'obiettivo del presente progetto di tesi è sfruttare il metabolismo del lievito oleaginoso Rhodosporidium toruloides per la valorizzazione del glicerolo grezzo, un sottoprodotto generato nel processo di produzione del biodiesel, attraverso la sua bioconversione in prodotti ad elevato valore aggiunto, quali carotenoidi e oli microbici. Per via della sua capacità di metabolizzare diversi substrati come fonte di carbonio e per via della sua elevata resistenza, questo lievito è stato studiato per la valorizzazione di glicerolo puro e diversi scarti agroindustriali. É noto che in Rhodosporidium toruloides, il rapporto carbonio/azoto (C/N), la concentrazione di substrato, così come la temperatura sono fattori che influenzano notevolmente la produzione di lipidi e carotenoidi. A tal proposito, è stato progettato un disegno sperimentale volto a comprendere come le interazioni tra il rapporto molare carbonio/azoto (C/N), la concentrazione iniziale di glicerolo e la temperatura influenzino la produzione di carotenoidi e lipidi, al fine di ottimizzare il processo fermentativo. I risultati ottenuti mostrano che le concentrazioni più elevate di lipidi e carotenoidi nel brodo di coltura si verificano in condizioni che favoriscono la produzione di biomassa cellulare, ovvero in presenza di bassi C/N, alte concentrazioni di glicerolo e temperature elevate. I valori dei parametri suggeriti dal software (C/N=22; Gly=49 g/L; T=29) per l’ottimizzazione di carotenoidi hanno portato ad una produzione 7,4 maggiore rispetto a quanto riportato in letteratura utilizzando lo stesso substrato, evidenziando inoltre come le impurezze nel glicerolo grezzo utilizzato non inibiscano il metabolismo del lievito. Di contro, i valori di concentrazione lipidica nel brodo di coltura sono risultati inferiori di circa il 60% rispetto ai valori riportati in letteratura per altri ceppi oleaginosi che utilizzano il glicerolo grezzo come substrato di crescita. Lo scale-up in bioreattore da 1,2 L ha inoltre evidenziato il ruolo chiave dell’ossigenazione nella produzione di carotenoidi. Utilizzando le stesse condizioni suggerite dal software e mantenendo l’ossigenazione a un valore di pO2=30%, si è ottenuto un incremento del 53,8% nella produzione di carotenoidi rispetto ai risultati ottenuti in beuta.