Experimental development of high-density perfusion bioreactor for the production of bacterial bioplastics : polyhydroxyalkanoates

Nowadays, global pollution caused by petroleum-based plastic is recognised as one of the major challenges mankind will face during the 21st century. Despite decreasing oil reserves, plastic demand is constantly increasing since it is employed in innumerable applications. In order to overcome this so called “Plastic Age” one of the potential solutions is the switching to more environmentally friendly alternatives, such as PolyHydroxyAlkanoates (PHA). PHAs are aliphatic biopolyesters produce by a wide range of microorganism as energy storage materials, with a broad range of uses. Since PHA production is still not cost competitive compared to fossil-derived plastics, a development in the upstream process is mandatory. Traditional PHA production setups, such as batch and fed batch reactors, are often limited in productivity and the implementation of a continuous process is the goal of this thesis. As a matter of fact, the work focuses on the experimental development of a high-density perfusion bioreactor, in order to exploit its benefits in the production of PHA. In this work, a comparison among fed-batch, high-density fed-batch (HD-FBR) and perfusion is carried out, together with a study on how nutrients and oxygen limitation affect cellular growth. HD-FBR obtained an increase in productivity of 90% compared to the one of FBR, while the purity, the recovery from dry biomass and the average molecular weight were average 60-70%, 50% and 5X105 g/mol, respectively. Perfusion bioreactor was successfully implemented for more than 40h, opening a new opportunity for intracellular products. Despite a premature interruption after 70h, the analysed parameters (56% purity and 45% recovery) were just slightly slower than the one of HD-FBR, demonstrating that this technology has large spaces of improvement. Through further studies it will be possible to optimize the working parameters and even implement a configuration of 2 perfusion stage bioreactors in series, permitting the separation between cell growth and PHA accumulation, enabling the use of the best process conditions for these two stages of production.

Oggigiorno, l’inquinamento globale della plastica derivante dal petrolio è considerato come una delle sfide maggiori che l’umanità dovrà affrontare nel XXI secolo. Nonostante la diminuzione delle riserve petrolifere, la richiesta di plastica è in costante aumento, essendo utilizzata per numerose applicazioni. Per superare questa cosiddetta “Era della Plastica”, una delle possibili soluzioni è il passaggio ad alternative più sostenibili come i Polidrossialcanoati (PHA). Si tratta di biopolimeri alifatici prodotti da diversi tipi di microorganismi come riserva energetica e che ad oggi trovano un ampio spazio di utilizzo. Poiché la produzione di PHA non è ancora competitiva in termini di costi rispetto alle plastiche di derivazione fossile, è necessario un miglioramento nella parte di upstream. Le tradizionali configurazioni utilizzate, come batch e reattori fed-batch, sono spesso limitate nella produttività e l'implementazione di un processo continuo è l'obiettivo di questa tesi. Il lavoro, infatti, si concentra sullo sviluppo sperimentale di un bioreattore a perfusione ad alta densità cellulare, al fine di sfruttarne i benefici per la produzione di PHA. In questa tesi, vengono confrontati un fed-batch, un fed-batch ad alta densità cellulare (HD-FBR) e un bioreattore a perfusione. Contemporaneamente è stata condotta un’analisi su come limitare la concentrazione di nutrienti e di ossigeno possa influenzare la crescita cellulare. La produttività ottenuta nell’HD-FBR è aumentata del 90% rispetto a quella del FBR, mentre la purezza, il recupero dalla biomassa secca e il peso molecolare medio si sono assestati rispettivamente a circa 60-70%, 50% e 5X105 g/mol. Il bioreattore a perfusione è stato mantenuto con successo per più di 40h, aprendo nuove opportunità per i prodotti intracellulari. Nonostante un’interruzione prematura dopo 70 ore, i parametri analizzati (purezza 56% e recupero 45%) erano solo leggermente inferiori rispetto a quelli dell’HD-FBR, dimostrando come questa tecnologia abbia ampi margini di miglioramento. Attraverso ulteriori studi sarà possibile ottimizzare i parametri lavorativi e addirittura implementare una configurazione con due bioreattori a perfusione in serie, consentendo una divisione tra le fasi di crescita cellulare e accumulo di PHA e permettendo le migliori condizioni di processo per entrambi gli step di produzione.