Obtención de polihidroxialcanoatos a partir del suero lácteo por cultivos microbianos mixtos

Abstract

[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.