Negli ultimi anni, enzimi come le lipasi hanno suscitato un notevole interesse come biocatalizzatori versatili per reazioni selettive in diversi sistemi di solventi. La loro robustezza, l’elevata selettività, l’ampia tolleranza ai substrati e la possibilità di riutilizzo li rendono particolarmente interessanti per applicazioni nei settori della chimica fine, farmaceutica e agrochimica. Allo stesso tempo, il glicerolo, un co-prodotto non tossico e rinnovabile della produzione di biodiesel, sta ricevendo crescente attenzione, poiché è considerato uno dei più “green” platform chemicals per la produzione di sostanze chimiche commerciali e innovative. Questa ricerca di dottorato è stata svolta in collaborazione con Versalis S.p.A. e ha avuto come obiettivo la valorizzazione di co-prodotti industriali quali il glicerolo e gli acidi grassi a media catena. Versalis ha fornito acido pelargonico, ottenuto da uno dei suoi processi industriali esistenti, con l’obiettivo specifico di sviluppare e ottimizzare l’esterificazione catalizzata da lipasi dell’acido pelargonico con il glicerolo per la produzione dei corrispondenti monoacilgliceroli. Lo studio mirava a migliorare le già note proprietà antimicrobiche dell’acido pelargonico; per questo motivo è stata valutata anche l’attività biocida dei monoacilgliceroli ottenuti. Il glicerolo è stato impiegato come accettore acilico al fine di migliorare la biodisponibilità e l’assorbimento cellulare dell’acido pelargonico nelle cellule microbiche. In una fase iniziale, la reazione di esterificazione è stata condotta su scala di laboratorio in modalità batch, in un reattore a serbatoio agitato, in condizioni solvent-free, utilizzando una lipasi immobilizzata commerciale. È stata ottenuta una miscela di monoacilgliceroli (MAG) e diacilgliceroli (DAG). I prodotti sono stati successivamente purificati mediante cromatografia su colonna e completamente caratterizzati mediante spettroscopia NMR. È stato inoltre sviluppato un metodo analitico GC-FID per monitorare la conversione del substrato (glicerolo) e la composizione dei prodotti durante il corso della reazione. Le prestazioni della reazione sono state successivamente investigate utilizzando diverse configurazioni di reattore (reattore a serbatoio agitato e reattore a colonna a bolle) e diverse lipasi commerciali. Il reattore a colonna a bolle ha mostrato le migliori prestazioni, poiché il flusso continuo di aria ha favorito un miglior mescolamento e la rimozione efficiente dell’acqua come sottoprodotto, portando a un aumento della produzione di MAG utilizzando Lipozyme 435® come biocatalizzatore. Successivamente, è stata applicata una metodologia di Design of Experiments (DOE) per valutare sistematicamente l’influenza dei parametri chiave sulla sintesi dei MAG e identificare le condizioni operative ottimali. La combinazione del reattore a colonna a bolle e di una strategia fed-batch ha migliorato significativamente la selettività verso i MAG, raggiungendo rapporti MAG/DAG fino a 70:30 e un’elevata conversione del glicerolo. Il processo ottimizzato è stato infine trasferito e scalato con successo a un reattore pilota da 4 L presso il sito industriale Versalis, ottenendo livelli di conversione e distribuzioni dei prodotti comparabili a quelli della scala di laboratorio e dimostrando una buona stabilità e riutilizzabilità degli enzimi. Le prove di attività antimicrobica hanno evidenziato che i monoacilgliceroli sono risultati attivi e più efficaci rispetto all’acido pelargonico libero, mentre i diacilgliceroli non hanno mostrato attività alle concentrazioni testate. Nel complesso, questo lavoro presenta una via enzimatica industrialmente scalabile e ambientalmente sostenibile per la produzione di un nuovo composto antimicrobico bio-based a partire da materie prime rinnovabili.
In recent years, enzymes such as lipases have gained considerable attention as versatile biocatalysts for selective reactions in different solvent systems. Their robustness, high selectivity, wide substrate tolerance, and recyclability make them particularly attractive for applications in the fine chemical, pharmaceutical, and agrochemical industries. At the same time, glycerol, a non-toxic and renewable co-product of biodiesel production, is attracting increasing interest, as it is considered one of the greenest platform chemicals for the production of commercial and novel chemicals. This doctoral research was carried out in collaboration with Versalis S.p.A. and aimed at the valorization of industrial co-products such as glycerol and medium-chain fatty acids. Versalis provided pelargonic acid obtained from one of its existing industrial processes, with the specific objective of developing and optimizing the lipase-catalyzed esterification of pelargonic acid with glycerol for the production of the corresponding monoacylglycerols. The study aimed to enhance the known antimicrobial properties of pelargonic acid; therefore, the biocidal activity of the obtained monoacylglycerols was also evaluated. Glycerol was employed as the acyl acceptor in order to improve the bioavailability and cellular uptake of pelargonic acid into microbial cells. Initially, the esterification reaction was carried out at laboratory scale in batch mode in a stirred tank reactor under solvent-free conditions, using a commercial immobilized lipase. A mixture of monoacylglycerols (MAGs) and diacylglycerols (DAGs) was obtained. The products were purified by column chromatography and fully characterized by NMR spectroscopy. A GC-FID analytical method was developed to monitor substrate (glycerol) conversion and product composition during the reaction. Reaction performance was subsequently investigated using different reactor configurations (stirred tank and bubble column reactors) and different commercial lipases. The bubble column reactor showed the best performance, as the continuous air flow promoted improved mixing and efficient removal of the water by-product, resulting in increased MAG production when using Lipozyme 435® as the biocatalyst. A Design of Experiments (DOE) approach was then applied to systematically evaluate the influence of key parameters on MAG synthesis and to identify optimal operating conditions. The combination of a bubble column reactor and a fed-batch strategy significantly improved selectivity toward MAGs, achieving MAG/DAG ratios of up to 70:30 and high glycerol conversion. The optimized process was successfully scaled up to a 4 L pilot reactor at the Versalis industrial site, yielding conversion levels and product distributions comparable to those obtained at laboratory scale and demonstrating good enzyme stability and reusability. Antimicrobial activity tests showed that monoacylglycerols were active and more effective than free pelargonic acid, while diacylglycerols exhibited no activity at the tested concentrations. Overall, this work presents an industrially scalable and environmentally sustainable enzymatic route to produce a novel bio-based antimicrobial compound from renewable feedstocks.
Development of sustainable biocatalytic processes for the production of monoacylglycerols with biocide activity.
APRILE, SIMONA
2026
Abstract
Negli ultimi anni, enzimi come le lipasi hanno suscitato un notevole interesse come biocatalizzatori versatili per reazioni selettive in diversi sistemi di solventi. La loro robustezza, l’elevata selettività, l’ampia tolleranza ai substrati e la possibilità di riutilizzo li rendono particolarmente interessanti per applicazioni nei settori della chimica fine, farmaceutica e agrochimica. Allo stesso tempo, il glicerolo, un co-prodotto non tossico e rinnovabile della produzione di biodiesel, sta ricevendo crescente attenzione, poiché è considerato uno dei più “green” platform chemicals per la produzione di sostanze chimiche commerciali e innovative. Questa ricerca di dottorato è stata svolta in collaborazione con Versalis S.p.A. e ha avuto come obiettivo la valorizzazione di co-prodotti industriali quali il glicerolo e gli acidi grassi a media catena. Versalis ha fornito acido pelargonico, ottenuto da uno dei suoi processi industriali esistenti, con l’obiettivo specifico di sviluppare e ottimizzare l’esterificazione catalizzata da lipasi dell’acido pelargonico con il glicerolo per la produzione dei corrispondenti monoacilgliceroli. Lo studio mirava a migliorare le già note proprietà antimicrobiche dell’acido pelargonico; per questo motivo è stata valutata anche l’attività biocida dei monoacilgliceroli ottenuti. Il glicerolo è stato impiegato come accettore acilico al fine di migliorare la biodisponibilità e l’assorbimento cellulare dell’acido pelargonico nelle cellule microbiche. In una fase iniziale, la reazione di esterificazione è stata condotta su scala di laboratorio in modalità batch, in un reattore a serbatoio agitato, in condizioni solvent-free, utilizzando una lipasi immobilizzata commerciale. È stata ottenuta una miscela di monoacilgliceroli (MAG) e diacilgliceroli (DAG). I prodotti sono stati successivamente purificati mediante cromatografia su colonna e completamente caratterizzati mediante spettroscopia NMR. È stato inoltre sviluppato un metodo analitico GC-FID per monitorare la conversione del substrato (glicerolo) e la composizione dei prodotti durante il corso della reazione. Le prestazioni della reazione sono state successivamente investigate utilizzando diverse configurazioni di reattore (reattore a serbatoio agitato e reattore a colonna a bolle) e diverse lipasi commerciali. Il reattore a colonna a bolle ha mostrato le migliori prestazioni, poiché il flusso continuo di aria ha favorito un miglior mescolamento e la rimozione efficiente dell’acqua come sottoprodotto, portando a un aumento della produzione di MAG utilizzando Lipozyme 435® come biocatalizzatore. Successivamente, è stata applicata una metodologia di Design of Experiments (DOE) per valutare sistematicamente l’influenza dei parametri chiave sulla sintesi dei MAG e identificare le condizioni operative ottimali. La combinazione del reattore a colonna a bolle e di una strategia fed-batch ha migliorato significativamente la selettività verso i MAG, raggiungendo rapporti MAG/DAG fino a 70:30 e un’elevata conversione del glicerolo. Il processo ottimizzato è stato infine trasferito e scalato con successo a un reattore pilota da 4 L presso il sito industriale Versalis, ottenendo livelli di conversione e distribuzioni dei prodotti comparabili a quelli della scala di laboratorio e dimostrando una buona stabilità e riutilizzabilità degli enzimi. Le prove di attività antimicrobica hanno evidenziato che i monoacilgliceroli sono risultati attivi e più efficaci rispetto all’acido pelargonico libero, mentre i diacilgliceroli non hanno mostrato attività alle concentrazioni testate. Nel complesso, questo lavoro presenta una via enzimatica industrialmente scalabile e ambientalmente sostenibile per la produzione di un nuovo composto antimicrobico bio-based a partire da materie prime rinnovabili.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
