Selection of PHB-producing bacteria by using waste streams

Abstract

Polyhydroxybutyrate is a type of biodegradable plastic, fully synthesized by bacteria, with similar properties to the ones of conventional plastics. This biopolymer can be produced by mixed cultures (activated sludge form waste water treatment plants) using the volatile fatty acids present in waste streams. Although the huge potential of this process, its application for the industrial production of PHB still lacks development. Throughout this work, three different strategies to obtain PHB-producing bacteria by using waste streams were tested. In the first one PHB-producing bacteria were first selected by aerobic dynamic feeding conditions, while simultaneously providing hydrogen gas, followed by an accumulation stage. In the second strategy the conventional aerobic dynamic feeding conditions were imposed, followed by an accumulation stage. And a third one, where a mixed culture was straightly submitted to the accumulation stage, without previous selection. Aerobic dynamic feeding was operated in cycles og 8 hours (3 cycles per day). In the first two strategies, feast phase was intended to last 2h30 and the famine 5h30 for a feast/famine ratio of 0.45. While the accumulation stage lasted 22 hours. High biomass concentration were achieved using strategy 1, in a stable reactor, and it was possible to accumulate PHB up to 59 % of the VSS with a PHB production yield of 0.30 g SLB/g COD fed. The second strategy resulted in less stable rectors, and a PHB content of 40 % of the VSS was achieved, but with PHB production yields as low as 0.09 g PHB/ g COD. Furthermore, it was no always possible to produce PHB as carbon source seemed to be directed to other metabolic pathways. A PHB production yields of 0.31 g PHB/g COD consumed was achieved with the third strategy, although only with a PHB content of 21 % of VSS. The production of PHB was verified firstly by a thermogravimetric method developed at Avecom previously to this work. This method was replaced by other that comprises the extraction of PHB using 1,2 propylene carbonate as solvent. The development of this method is also addressed in this project.

Polihidroxibutirato é um tipo de plástico biodegradável, completamente sintetizado por bactérias, com propriedades semelhantes aos plásticos convencionais. Este biopolímero pode ser produzito por culturas mistas (lamas ativadas de estações de tratamento de águas) usando os ácidos orgânicos voláteis presentes no efluente. Embora este processo apresente um enorme potencial, ainda é necessário o seu desenvolvimento para a sua aplicação na produção de PHB a escala industrial. Durante este trabalho, foram testadas três estratégias diferentes para a seleção de bactérias produtoras de PHB forma testadas. A primeira, em que as bactérias produtoras de PHB foram primeiro selecionadas por condições de alimentação dinâmica aeróbia, com a alimentação simultânea de hidrogénio, seguida de uma fase de acumulação. Uma segunda estratégia, onde a alimentação dinâmica aeróbia foi utilizada, seguida de uma etapa de acumulação. E uma terceira, em que uma cultura mista foi imediatamente submetida a uma fase de acumulação, sem seleção prévia. Nas duas primeiras estratégias a alimentação dinâmica aeróbia consistiu em ciclos de 8 horas (3 ciclos por dia), em que se pretendeu-se que a fase de fartura durasse 2h30 A fase de fome por seu lado durou 5h30 para um rácio fome/fartura de 0.45. A fase de acumulação durou 22 horas. Foram atingidas altas concentrações de biomassa usando a estratégia 1, num reactor estável, em que foi possível atingir um conteúdo em PHB de 59 % dos SSV, com um rendimento de produção de PHB de 0.30 g SLB/g CQO alimentado. A segunda estratégia resultou num reactor menos estável. Um conteúdo em PHB de 40 % dos SSV foi obtido, embora o rendimento de produção de PHB tenho sido só 0.09 g PHB/g CQO. Para além isso, nem sempre foi possível produzir PHB, visto que a fonte de carbono parecia ser direcionada para outras vias metabólicas. Foi atingido um rendimento de produção de PHB de 0.31 PHB/g CQO na terceira estratégia, no entanto o conteúdo em PHB foi só 21 % dos SSV. A produção de PHB foi inicialmente verificada por um método termogavimétrico desenvolvido na Avecom previamente a este trabalho. Este método foi posteriormente substituído por outro que envolve a extração de PHB usando carbonato de propileno como solvente. O desenvolvimento deste método é abordado no presente trabalho.