SCFA production through acidogenic fermentation of industrial waste

Abstract

Polyhydroxyalkanoates (PHA) production from industrial wastes and open mixed cultures (OMC) is a way to reduce process costs. OMC produce PHA from short-chain fatty acids (SCFA), which composition determines the final composition of the polymer and consequently its characteristics. So it is important to understand which operational conditions influence SCFA production during acidogenic fermentation of industrial wastes such as hardwood sulphite spent liquor (HSSL) and cheese whey. This work began with the evaluation of the acidogenic fermentation capacity of HSSL in a continuously stirred tank reactor (CSTR), with emphasis on the influence of the organic loading rate (OLR) and temperature on the process. In the end of the fermentation it was possible to produce a stream with acetic, lactic, propionic and butyric acids and ethanol. The profile of SCFA changed with the OLR, with hydraulic retention time (HRT) and with the age of the culture. A PHA accumulation test was performed with the effluent of the end of the fermentation. With this batch experiment was possible to achieve 32% PHA on dry cell weight, with a 75:25 proportion on 3-hydroxybutyrate and 3-hydroxyvalerate, respectively. In the second part of this work, the acidogenic fermentation of cheese whey in a moving-bed biofilm reactor (MBBR) was studied in order to explore the process in a reactor for biomass retention. The influence of the available surface area, associated with biomass concentration, was studied. The carriers with the largest surface area allowed more biomass growth and consequently more SCFA production. However, an increase in the number of carriers in the reactor does not translate into higher yields possibly due to various limitations of the system. A model based on Michaelis-Menten equation was conceived to evaluate other MBBR designs for fermentation of cheese whey. These results demonstrate the potential of reactors for biomass retention for the acidogenesis of industrial residues.

A produção de polihidroxialcanoatos (PHA) a partir de resíduos industriais e a utilização de culturas mistas microbianas (OMC) constitui-se como hipóteses para diminuir os custos de produção desta classe de bioplásticos. As OMC produzem PHA a partir de ácidos orgânicos voláteis (AOV) cuja composição permite manipular a composição final do polímero e consequentemente as suas características. Neste sentido, é importante compreender quais as condições operacionais que influenciam a produção de AOV por fermentação acidogénica a partir de subprodutos industriais como o licor de cozimento ao sulfito ácido (HSSL) e o permeado do soro de leite. Este trabalho iniciou-se com os testes à capacidade fermentativa do HSSL num reactor contínuo perfeitamente agitado, com ênfase no estudo da influência da carga orgânica (OLR) e da temperatura no processo. No fim da fermentação foi possível produzir um efluente contendo os ácidos acético, láctico, propiónico e butírico e etanol. O perfil dos AOV mudou com a OLR, o tempo de retenção hidráulico (HRT) e com a idade da cultura. O efluente final a fermentação foi utilizado num teste de acumulação de PHA. Com este teste em reactor descontínuo foi possível obter 32% de PHA em peso seco, com uma proporção de 75:25 em 3-hidroxibutirato e 3-hidroxivalerato, respectivamente. Na segunda parte deste trabalho estudou-se a fermentação acidogénica de permeado de queijo num reactor de biofilme, de maneira a explorar a potencialidade do processo num reactor para retenção de biomassa. Estudouse a influência da área superficial, associada à concentração de biomassa. Concluiu-se que os carriers com maior área superficial permitiram maior crescimento de biomassa, e consequentemente a maior produção de AOV. No entanto, maior número de carriers não permitiu um maior rendimento possivelmente devido a limitações do sistema. Foi concebido um modelo baseado na equação de Michaelis-Menten para avaliar outros desenhos de MBBR para fermentação de permeado de queijo. Assim, os resultados obtidos demonstram a potencialidade dos sistemas para retenção de biomassa para a acidogénese de resíduos industriais.