Obtención de polihidroxialcanoatos a partir del suero lácteo por cultivos microbianos mixtos
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- Teses de doutoramento [2147]
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Obtención de polihidroxialcanoatos a partir del suero lácteo por cultivos microbianos mixtosAutor(es)
Director(es)
Veiga, María CarmenKennes, Christian
Data
2017Resumo
[Resumen]El suero lácteo es un subproducto generado en la industria de fabricación
de quesos. Normalmente al suero se le separa la grasa y, en muchas industrias
también la proteína quedando un suero cuya composición es mayoritariamente
lactosa (hasta un 85 %).
Más del 50 % del suero lácteo generado en la producción de queso no es
convenientemente tratado, lo que supone un grave problema dada la gran
cantidad de materia orgánica sin degradar que terminan contaminando el medio
ambiente.
La valorización del suero lácteo tiene como finalidad su recuperación para
la obtención de subproductos que tengan gran valor en el mercado. Una
interesante y prometedora alternativa para su utilización como substrato para la
producción de polihidroxialkanoatos (PHA).
En las últimas décadas, han surgido un gran interés en el desarrollo de
nuevas tecnologías para la obtención de bioplásticos que puedan reemplazar a
los plásticos convencionales. Estos generan problemas en el medioambiente
debido a su acumulación y a su muy baja biodegradación.
Los polihidroxialcanoatos han atraído una atención considerable
últimamente dado que se pueden obtener a partir de residuos industriales,
además tienen propiedades similares a algunos plásticos de origen
petroquímico. Los PHA son biopolímeros producidos sintetizados por lo
microrganismo como reserva de energía para poder en procesos metabólicos.
Actualmente para la producción de PHA a escala industrial se utilizan tecnologías
basadas en cultivos puros, los cuales requieren de procesos de producción
complejos y costosos. Actualmente nuevas alternativas se han desarrollados que
se basan en el empleo de cultivos microbianos mixtos para reducir los costes de
producción, debido a que no requieren para su producción procesos de
esterilización.
El proceso de obtención de PHA empleando cultivo microbianos mixtos
todavía requiere de un mayor estudio y optimización para poder obtener una
acumulación de PHA en los microorganismos y también para obtener productividades más altas y productividad además de mejorar los procesos
actuales que utilizan cultivos puros microbianos.
En esta tesis se plantea un proceso de obtención de PHA en tres fases a
escala de laboratorio, utilizando cultivos microbianos mixtos y suero lácteo como
fuente de sustrato.
En la primera fase se llevará a cabo la fermentación acidogénica para
producir ácidos grasos volátiles. En una segunda fase se realiza la selección de
microorganismos con capacidad de acumulación de PHA y finalmente en la
tercera fase se determina la capacidad máxima de los microorganismos de
acumulación de PHA.
En el primer capítulo se hace una revisión bibliográfica de los estudios
realizados hasta la actualidad sobre la obtención de PHA y el empleo del suero
lácteo como materia prima.
El segundo capítulo, se describe los materiales y métodos utilizados en la
realización de los experimentos.
El tercer capítulo, se estudia la fermentación del suero lácteo para obtener
ácidos grasos volátiles, empleando dos tipos de reactores un reactor de flujo
ascendente de lechos de lodos (UASB) y un reactor secuencial discontinuo
(SBR). variando las velocidades de carga orgánica estableciendo diferencias
entre los dos reactores en su máxima acidificación y perfile de ácidos obtenidos
en cada reactor.
En el cuarto capítulo se estudia en un reactor SBR la influencia del pH,
tiempo de retención de sólidos (TRS), y velocidad de carga orgánica sobre la
distribución de ácidos grasos volátiles obtenidos y sobre el grado de
acidificación.
En el quinto capítulo, se estudió la variación del perfil de ácidos obtenidos
en la fermentación acidogénica en la distribución de copolímero formado
P(PHB/PHV) en la etapa de acumulación de PHA.
Finalmente, en una última sección se destaca las conclusiones más
importantes de este trabajo.
v
Objetivo general: Es el estudio de la producción de PHA con cultivos
microbianos mixtos utilizando como sustrato suero lácteo, empleando un
proceso en tres etapas: fermentación acidogénica del suero lácteo
enriquecimiento de cultivo microbiano mixto y producción de PHA.
Objetivo específico: Se estudiará las variables operacionales en el reactor
acidogénico tales como pH, tipo de reactor, VCO y TRS en la producción y perfil
de ácidos grasos volátiles obtenidos y cómo afecta la producción de PHA en su composición. [Abstract] Cheese Wey is the by-product of the cheese industry, due to its
composition of lactose (up to 85%), it is an interesting and promising alternative
to be used as a substrate to produce polihidroxialkanoatos (PHA).
More than 50% of whey produced in cheese production is not effectively
treated as a major environmental problem because of the amount of undegraded
organic matter that contaminates rivers, lakes, seas, etc.
The treatments of valorization of cheese whey aim at maximum recovery
of the raw material turning this byproducts into substrates useful for other
industrial purposes and among which we can count the production of PHA.
Since the last decades, there has been considerable interest in the
development of new technologies in the production of bioplastics as a
replacement for conventional plastics due to the problems generated by the
accumulation and the almost no elimination in the environment.
Polyhydroxyalkanoates (PHA) have attracted considerable attention in
recent times due to the fact that industrial waste is used to obtain it, which
alleviates the organic load that is otherwise disposed of in landfills; And because
it is presented as a viable alternative to petrochemical plastics. PHAs are a type
of biopolymers produced by microbial synthesis which are used as energy
reserves for their metabolic processes. Current methods for the production of
PHA on an industrial scale are mostly based on pure microbial cultures requiring
complex and costly processing procedures. But currently there are alternatives
based on mixed microbial cultures that seeks to reduce production costs,
because it does not require sterilization processes and use bacteria that can
adapt well to substrates of diverse origin as waste materials from agro-industry
and dairy.
The alternative approach to producing PHA using mixed microbial culture
still requires further study and optimization in the process to obtain a Higher
cellular PHA content and productivity in addition to improving current processes
using pure microbial cultures. This thesis proposes a process to obtain PHA in three phases (acidogenic
fermentation, selection and enrichment of accumulating microorganisms and
production of PHA) at laboratory scale, using mixed microbial cultures and Dairy
serum as the initial substrate of the process
It is intended to study the fatty acid profile obtained as a consequence of
the change in parameters in anaerobic fermentation processes, such as reactor
type, solids retention time (SRT), pH, organic loading rate (OLR) , In order to
reach the highest concentration of volatile fatty acids (VFA), which will later be
used in a selection process of microorganisms in a second aerobic phase (SBR)
and finally to evaluate the productivity and production of PHA obtained in a
discontinuous reactor (Fed-Bacht). It is also expected to evaluate the effect of
anaerobic fermentation on PHA properties obtained as final product.
In the first chapter, a bibliographical review of the studies carried out until
the present time on the obtaining of PHA and the use of the milk substrate is
made for this purpose.
The second chapter consist in the materials and methods related with the
development of this thesis.
The third chapter studies two types of reactors for the fermentation process
of whey to obtain volatile fatty acids. A UASB (continuous reactor) reactor and
another SBR (discontinuous reactor) were used to vary the organic loading rates
Differences between the two reactors at their maximum acidification and acid
profile obtained in each reactor.
The fourth chapter, studies the effect of the reactor's operational
parameters on pH, solid retention time (TRS), organic loading rate in an A-SBR
reactor to study them, as well as observing how these variables modify the Profile
of acids obtained and the degree of acidification of the milk substrate.
The fifth chapter, studies the variation of the acid profile obtained in the
acidogenic fermentation pro changes in the organic loading rate and the effect on
the characteristics of the PHA obtained in the distribution of formed P-PHB (PHB
/ PHV). Finally, a final section highlights the most important conclusions of this
work.
General objective: The production of PHA through mixed microbial cultures
using cheese whey as substrate, in a three-step process: acidogenesis,
enrichment of microbial culture and production of PHA.
Specific objective: The study of the operational variables in the acidogenic
reactor such as pH, reactor type, OLR and SRT in the production and profile of
volatile fatty acids obtained and how it affects the production of PHA in its
composition. [Resumo]O soro é un subproduto xerado na industria de queixo. Normalmente a
graxa está separada da graxa e, en moitas industrias, a proteína é un soro cuxa
composición é principalmente lactosa (ata o 85%).
Máis que o 50% do soro de leite producido na produción de queixo non é
adecuadamente tratada, que é un problema grave, debido á gran cantidade de
material orgánico sen degradar final contaminar o medio ambiente.
A recuperación do soro de leite ten como obxectivo recuperar os
subprodutos que teñen un gran valor no mercado. Unha alternativa interesante
e prometedora para o seu uso como substrato para a produción de
polihidroxialcanoatos (PHA).
Nas últimas décadas, apareceu un gran interese no desenvolvemento de
novas tecnoloxías para a obtención de bioplásticos que poden substituír os
plásticos convencionais. Estes xeran problemas no medio debido á súa
acumulación e á súa baixa biodegradación.
Poliidroxialcanoatos atraeron considerable atención recentemente, xa que
pode ser obtido a partir de residuos industriais, ademais dalgúns plásticos teñen
propiedades similares de orixe petroquímica. As PHA producen biopolímeros
sintetizados polo microorganismo como reserva de enerxía para poder realizar
procesos metabólicos. Na actualidade, úsanse tecnoloxías de cultivos puros
para a produción de PHA a escala industrial, que requiren procesos de produción
complexos e custosos. Actualmente novas alternativas foron desenvolvidas con
base no uso de cultivos microbianas mixtas para reducir os custos de produción,
porque non esixen aos seus procesos de esterilización de produción.
O proceso de obtención de PHA desde a cultura microbiana mixta aínda
require un estudo máis profundo e optimización, a fin de obter unha acumulación
de PHA en microorganismos e tamén para obter unha maior produtividade e
produtividade máis para mellorar os procesos existentes mediante cultivos puras
microbianas. Esta tese propón un proceso para a obtención de PHA en tres fases a
escala de laboratorio, utilizando cultivos microbianos mixtos e soro de leite como
fonte de sustrato.
Na primeira fase farase a fermentación acidógena para a produción de
ácidos graxos volátiles. Nunha segunda fase, a selección de microorganismos
realízase con capacidade de acumulación de PHA e finalmente na terceira fase,
a capacidade máxima de acumulación dos microorganismos de PHA
determínase.
No primeiro capítulo dunha revisión da literatura de estudos realizados ata
agora na obtención de PHA eo uso de soro de leite como materia prima está
feito.
O segundo capítulo, os materiais e métodos utilizados na realización das
experiencias descritas.
A fermentación terceiro capítulo, soro de leite é estudada por ácidos graxos
volátiles, utilizando dous tipos de reactores de reactor de desaugue ascendente
leito de lodo do reactor (UASB) e unha secuencia discontinua (SBR). variando
cargas orgánicas diferencia entre os dous reactores en acidificación e perfil de
ácidos obtidos en cada reactor máximo.
O cuarto capítulo é estudado nun reactor SBR a influencia do pH, tempo de
retención de sólidos (TRS), e da carga orgánica na distribución obtida de ácidos
graxos volátiles eo grao de acidificación.
No quinto capítulo, o perfil de variación de ácidos obtidos no copolímero
distribución fermentación acidogenica de P (PHB / PHV) na fase de acumulación
de PHA foi estudada.
Finalmente, nunha última sección as principais conclusións deste traballo se
destaca.
Obxectivo: O estudo da produción de PHA culturas microbianas mixtas
utilizando como substrato de soro de leite, utilizando un proceso de tres pasos:
fermentación acidogenica de cultura mixta de PHA ea produción microbiana de enriquecemento do soro de leite. Obxectivo específico: variables operativas analizados no reactor acidogenica
tales como o pH, o tipo de reactor, e TRS VCO perfil de produción obtidos e
ácidos graxos volátiles e como se afecta a produción de PHA na composición.
Palabras chave
Poliésteres
Suero lácteo
Biodegradación
Suero lácteo
Biodegradación
Descrición
Programa Oficial de Doutoramento en Química Ambiental e Fundamental. 5031V01
Dereitos
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