Designing Novel Sustainable Biorefinery Models

In an era marked by global warming and climate instability, shifting from fossil-based production to a circular economy is imperative. This thesis addresses two biorefinery approaches for valorizing nutrient-rich waste streams that can pose environmental risks if mismanaged: waste cooking oils (WCO) and cheese whey (CW). Chapter 2 investigates the optimization of fermentation conditions using the unconventional yeast Yarrowia lipolytica (strain W29) to produce extracellular lipases and accumulate single-cell oils (SCO) from WCO as a carbon source. Experiments varying WCO and glucose concentrations along with different pH levels demonstrated that even high WCO concentrations (100–200 g/l) enhance lipase activity (up to nearly 1 U/ml) and boost SCO accumulation, due to increased free fatty acid availability. Chapter 3 examines the fermentation of CW-derived lactose with Kluyveromyces marxianus DSM 7239 to produce ethanol under varying temperatures (30° and 37°C) and substrate concentrations (100–200 g/l). The experimental data were used to model an industrial plant in Apulia processing 539 m³/day of CW, divided into three sections: membrane filtration (yielding whey protein concentrate and reusable water), fermentation-distillation for anhydrous ethanol, and wastewater treatment via anaerobic digestion with cogeneration. Technoeconomic analysis identified an optimal scenario (YE/L = 0.45 g/g, minimum ethanol price 1.43 €/kg), while sensitivity analysis highlighted the model’s reliance on state mandated policies, such as a gate-fee price associated with CW handling. Chapter 4 concludes with final remarks and a systematic literature review using the PRISMA methodology on LCA applications for CW valorization, showing that CW is often regarded merely as a by-product despite its potential, with milk production emerging as the main environmental hotspot.

In un’epoca segnata dal riscaldamento globale e dall’instabilità climatica, diventa urgente il passaggio da metodologie produttive fossili a strategie basate su un’economia circolare. La tesi affronta questo tema evidenziando approcci biorefineristici per la valorizzazione di sottoprodotti ad alto valore nutrizionale e potenzialmente dannosi se smaltiti impropriamente: gli oli esausti da cucina (WCO) e il siero del latte (CW). Nel secondo capitolo, tramite l’ottimizzazione delle condizioni fermentative, è stato indagato l’uso del lievito non convenzionale Yarrowia lipolytica (ceppo W29) per produrre lipasi extracellulari e accumulare oli cellulari singoli (SCO) impiegando WCO come fonte di carbonio. Gli esperimenti, effettuati variando le concentrazioni di WCO e glucosio e diverse condizioni di pH, hanno evidenziato che anche elevate concentrazioni di WCO (100–200 g/l) favoriscono una significativa attività lipasica (fino a circa 1 U/ml) e una crescente accumulazione di SCO, correlata alla disponibilità di acidi grassi liberi. Il terzo capitolo esplora l’utilizzo del lattosio derivato dal CW in fermentazioni condotte con il lievito Kluyveromyces marxianus DSM 7239 per produrre etanolo, variando temperature (30° e 37°C) e concentrazioni (100–200 g/l). I dati sperimentali hanno permesso di sviluppare un modello di simulazione per un impianto industriale in Puglia (539 m³/giorno di CW) articolato in tre sezioni: pretrattamento con filtrazione a membrana (per ottenere un concentrato proteico e acqua riutilizzabile), fermentazione-distillazione per etanolo anidro, e trattamento delle acque reflue tramite digestione anaerobica con cogenerazione. L’analisi tecnico-economica ha identificato uno scenario ottimale (YE/L = 0.45 g/g, prezzo minimo di 1.43 €/kg) ed evidenziato la sensibilità del modello al prezzo del CW, sottolineando l’importanza di politiche statali di sostegno come possibili prezzi al cancello associati allo smaltimento del CW. Il quarto capitolo conclude la tesi con considerazioni finali e una revisione sistematica della letteratura (metodologia PRISMA) sull’applicazione del Life Cycle Assessment (LCA) alla valorizzazione del CW, rivelando come quest’ultimo venga spesso trattato solo come sottoprodotto, nonostante il suo potenziale, mentre la produzione di latte risulta il principale “hotspot” ambientale.