Producción de polihidroxialcanoatos a partir de agua residual de la industria cervecera

Abstract

[Resumo] Hoxe en día os plásticos convertéronse en algo especial na nosa vida diaria. A versatilidade destes materiais convertelos en materias aptos para un gran rango de aplicacións, desde o campo da medicina hasta o seu emprego na industria do automóbil ou como envases contedores. O feito de que sexan materiais sintéticos permite a manipulación da súa estrutura química, podendo adoptar diferentes formas (desde fibras ate películas finas). Estes a súa vez presentan diferentes graos de resistencia física e unha elevada resistencia química. Sen embargo, ao non ser biodegradábeis, a acumulación dos plásticos no medio ambiente estase a converter nun problema medioambiental de gran dimensión. Actualmente as formas de eliminación dos plásticos do medio ambiente mais frecuentes son a incineración e o reciclaxe, pero estas presentan varios problemas. A incineración de materiais plásticos pode levar á emisión de sustancias tóxicas ó medio ambiente como poden ser os ácido clorhídrico e o ácido cianhídrico. En canto a reciclaxe, esta está restrinxida a só algúns dos materiais plásticos e, ademais, con cada ciclo de reciclaxe prodúcense cambios nos materias plásticos o que condiciona o seu uso en aplicacións posteriores. A alternativa a este problema sería o emprego de plásticos biodegradábeis que presenten propiedades similares ós dos plásticos convencionais. Entre os plásticos biodegradábeis que se coñecen na actualidade, os máis prometedores son os polihidroxialcanoatos (PHA). Estes son completamente biodegradábeis, xa que son producidos polos microorganismos como material de reserva cando son sometidos a condicións desfavorábeis para o crecemento celular na presenza dun exceso de carbono. Por outro lado, as súas propiedades son moi similares as do polipropileno e o polietileno. Na actualidade xa existen varias empresas que producen este tipo de polímeros a escala industrial, sen embargo, a substitución dos plásticos convencionais por estes polímeros non é factible hoxe en día, debido ós maiores costes de estes materiais no mercado. O alto prezo destes materiais debese en gran parte ós costes dos substratos empregados na súa produción. A produción destes compostos ten lugar mediante o emprego de cultivos puros, o que fai necesario o uso de substratos puros (glucosa, sacarosa, alcohois, etc.) e condicións estériles. Unha alternativa para Resumen y objetivos 4 reducir o prezo de mercado destes produtos sería o emprego de cultivos puros e o uso de residuos coma substratos. A produción de PHA a partir de cultivos mixtos ten lugar en sistemas nos que o doador e o aceptor de electróns están fisicamente separados (sistemas anaerobio/aerobio ou anóxico/aerobio) ou ben en sistemas onde se favorece un crecemento desequilibrado mediante a imposición de condicións da alimentación dinámica (o substrato non está dispoñíbel). No presente traballo xurdiu a posibilidade de producir PHA empregando un cultivo mixto sometido a condicións aerobias de alimentación dinámica e un efluente residual da industria cervexeira como substrato. O auga residual da industria cervexeira caracterizouse por un alto contido de materia orgánica facilmente biodegradábel que baixo condicións de fermentación acidoxénica pode ser transformada na súa totalidade en ácidos graxos volátiles (AGV), principais precursores dos PHA nos procesos aerobios de alimentación dinámica de substrato. O proceso empregado para o desenvolvemento deste traballo constou de tres etapas: 1. Fermentación acidoxénica: necesaria para transformar a materia orgánica presente na auga residual en AGV. 2. Selección do cultivo aerobio: etapa aerobia na que se selecciona un cultivo con capacidade de acumular PHA mediante o sometemento da biomasa a condicións alternas de presenza e ausencia de substrato. 3. Produción do PHA: o cultivo mixto seleccionado na segunda etapa é sometido a un pulso de substrato contendo altas concentracións de AGV para desta maneira promover ó almacenamento do PHA no interior das bacterias.

[Abstract] Nowadays plastics are considered essential in our daily life. The versatility of these materials makes their application feasible in a great range of different industrial sectors, from medicine to their use in the car industry or as a container. As they are synthetic materials, their chemical structure can be manipulated being capable of presenting different shapes (from fibres to thin films). These materials also present different grades of physical resistance and a high chemical resistance. However, since they are not biodegradable, they accumulate in the environment causing a waste disposal problem. Until now, solutions to plastic waste management include incineration or recycling. However, most of these techniques present some problems. The incineration of plastic materials can lead to the release of toxic substances to the environment like chloridric acid and hydrogen cyanide. Moreover, recycling is restricted to some plastic materials and, in each cycle of recycling, the plastic materials suffer some changes conditioning their use in further applications. The alternative to this problem would be to use biodegradable plastics that present similar properties to the conventional ones. Nowadays, PHA are among the most promising bioplastics. PHA are completely biodegradable, as they are produced by microorganisms as reserve material when bacteria are submitted to unbalanced growth conditions in presence of high carbon concentrations. On the other hand, their properties are similar to those presented by polypropylene and polyethylene. Although PHA are already produced at industrial scale, their applications are limited and they are not yet considered as commodity materials since their production costs are still much higher than those of synthetic polymers. Until now, the main obstacle to replace conventional plastics by PHA is the great difference in cost. PHA price is highly dependent on substrate costs. An alternative to reduce PHA prices would be to use mixed cultures and cheap substrates such as waste. PHA storage by mixed cultures occurs in systems where electron donor and acceptor availability are separated (anaerobic/aerobic systems or anoxic/aerobic systems) or when the substrate is not continuously available to the microorganisms (aerobic dynamic feeding). In this work, it was proposed to produce PHA using a mixed culture submitted to aerobic conditions of dynamic feeding and using an industrial effluent from s brewery industry as substrate. Brewery wastewater is characterized by a high organic matter content easily biodegradable which, under acidogenic fermentation conditions, can be totally transformed into volatile fatty acids (VFA), the main precursors used to produce PHA under aerobic dynamic conditions. The process used to develop this work consisted on three steps: 1. Acidogenic fermentation: needed to transform organic matter present in wastewater into VFA. 2. Aerobic culture selection step: aerobic step in which a culture with PHA storage ability is selected by submitting the biomass to transient conditions of substrate presence and absence. 3. PHA production step: the mixed culture selected in the second step is submitted to a substrate pulse containing high VFA concentration to promote the PHA storage inside the cell.

[Resumen] Hoy en día los plásticos se han convertido en algo esencial en nuestra vida cotidiana. La versatilidad de estos materiales los convierte en materiales aptos para un gran rango de aplicaciones, desde el campo de la medicina hasta su empleo en la industria del automóvil o como envases contenedores. El hecho de que sean materiales sintéticos permite la manipulación de su estructura química, pudiendo adoptar diferentes formas (desde fibras a películas finas). Estos a su vez presentan diferentes grados de resistencia física y una elevada resistencia química. Sin embargo al no ser biodegradables, la acumulación de los plásticos en el medio ambiente se está convirtiendo en un problema medioambiental de gran dimensión. Actualmente las formas de eliminación de los plásticos del medioambiente más frecuentes son la incineración y el reciclaje, pero estas presentan varios problemas. La incineración de materiales plásticos puede llevar a la emisión de sustancias tóxicas al medio ambiente como pueden ser ácido clorhídrico o cianhídrico. En cuanto al reciclaje, este está restringido a solo algunos de los materiales plásticos y, además, con cada ciclo de reciclado se producen cambios en los materiales plásticos lo que condiciona su uso en posteriores aplicaciones. La alternativa a este problema sería el empleo de plásticos biodegradables que presenten propiedades similares a la de los plásticos convencionales. Entre los plásticos biodegradables que se conocen en la actualidad, los más prometedores son los polihidroxialcanoatos (PHA). Estos son completamente biodegradables, ya que son producidos por los microorganismos como material de reserva cuando son sometidos a condiciones desfavorables para el crecimiento en presencia de un exceso de carbono. Por otro lado, sus propiedades son muy similares a las del polipropileno y a las del polietileno. Actualmente ya existen varias empresas que producen este tipo de polímeros a escala industrial, sin embargo, la sustitución de los plásticos convencionales por estos polímeros no es factible a día de hoy, debido a los mayores costes de estos materiales en el mercado. El alto precio de estos materiales se debe en gran parte a los costes de los sustratos empleados en la producción. La producción de estos compuestos tiene lugar mediante el empleo de cultivos puros, lo que hace necesario el uso de sustratos puros (glucosa, sacarosa, alcoholes, etc) y condiciones estériles.

Una alternativa para reducir el precio de mercado de estos productos sería mediante el empleo de cultivos mixtos y el uso de residuos como sustratos. La producción de PHAs a partir de cultivos mixtos tiene lugar en sistemas en los que el donador y el aceptor de electrones están físicamente separados (sistemas anaerobio/aerobio o anóxico/aerobio) o bien en sistemas donde se favorece un crecimiento desequilibrado mediante la imposición de condiciones de alimentación dinámica (el sustrato no está siempre disponible). En el presente trabajo se planteó la posibilidad de producir PHA empleando un cultivo mixto sometido a condiciones aerobias de alimentación dinámica y un efluente residual de la industria cervecera como sustrato. El agua residual de la industria cervecera se caracteriza por un alto contenido de materia orgánica fácilmente biodegradable que bajo condiciones de fermentación acidogénica puede ser transformada prácticamente en su totalidad en ácidos grasos volátiles (AGV), principales precursores de los PHA en los procesos aerobios de alimentación dinámica de sustrato. El proceso empleado para el desarrollo de este trabajo constó de tres etapas: 1. Fermentación acidogénica: necesaria para transformar la materia orgánica presente en el agua residual en AGV. 2. Selección del cultivo aerobio: Etapa aerobia en la que se selecciona un cultivo con capacidad de acumular PHA mediante el sometimiento de la biomasa a condiciones alternas de presencia y ausencia de sustrato. 3. Producción de PHA: el cultivo mixto seleccionado en la segunda etapa se somete a un pulso de sustrato conteniendo altas concentraciones de AGV para de esta manera promover el almacenamiento de PHA en el interior de las bacterias.