Bioplastics production through mixed microbial cultures eco-engineering

Abstract

Bioplastics have been the focus of interest as a sustainable alternative to conventional plastics. Among those, polyhydroxyalkanoates (PHA) can be highlighted, not only for their biocompatibility and biodegradability, but also because they can be produced by mixed microbial cultures (MMC) from agro-industrial wastes. This allows to substantially reduce the production costs and valorize alternative substrates. PHA have a wide range of characteristics according to their composition, which allows them to be used in many applications. The polymers characteristics can be manipulated through the control of several operational parameters during the production process. Production of PHA by MMC in this work was based in a three-stage process: acidification of a by-product of the paper industry, hardwood spent sulphite liquor (HSSL), selection of a PHA accumulating microbial culture and PHA production. The selection step occurred in a sequencing batch reactor (SBR), operated for 180 days, and whose conditions were changed in order to select for a PHA-accumulating culture and with good PHA volumetric production. Three pseudo-stationary states (PSS) were achieved after successive increases in the selective pressure, a clear indication that the MMC was able to adapt to the substrate and to the imposed conditions. In the last step of this work several accumulation assays were performed that allowed for the validation of the use of HSSL acidified under different conditions and Condensate (another byproduct of the paper industry) for PHA production. The best test performed achieved a maximum accumulation of 74.7% cdw and a volumetric productivity of 0.27 gPHA/L.h. This work allowed to show the potential of the use of PHA producing MMC as a way of valorization of agroindustrial byproducts and residues.

Os bioplásticos têm sido foco de interesse como alternativa sustentável aos plásticos convencionais. Entre os vários biopolímeros destacam-se os polihidroxialcanoatos (PHA), não só pela sua biocompatibilidade e biodegradabilidade, mas também porque podem ser produzidos por culturas microbianas mistas (MMC) a partir de resíduos agroindustriais. Desta forma é possível reduzir substancialmente o preço de produção destes polímeros e valorizar substratos alternativos. Os PHA apresentam características muito variadas de acordo com a sua composição, o que permite que sejam utilizados em diversas aplicações. As características do polímero podem ser manipuladas através do controlo de vários parâmetros operacionais durante o processo de produção. A produção de PHA por MMC neste trabalho foi feita com recurso a um processo em três fases: acidificação de um subproduto da indústria papeleira, o licor de cozimento ao sulfito ácido acidificado (HSSL), seleção de uma cultura microbiana acumuladora de PHA e produção de PHA. A seleção ocorreu num reator descontínuo sequencial (SBR), operado durante 180 dias, e cujas condições foram alteradas de forma a selecionar uma cultura acumuladora de PHA e com boa produtividade volumétrica de PHA. Três estados pseudo-estacionários (PSS) foram atingidos após sucessivos aumentos na pressão seletiva, uma indicação clara de que a MMC foi capaz de se adaptar ao substrato e às condições impostas. No último passo do trabalho foram realizados vários testes de acumulação que permitiram validar a utilização de HSSL acidificado em condições diferentes e Condensado (outro subproduto da índustria papeleira) como substratos para a produção de PHA. O melhor teste realizado apresentou uma acumulação máxima de 74.4% cdw e uma produtividade volumétrica de 0.27 gPHA/L.h. Este trabalho permitiu mostrar a potencialidade do uso de MMC produtoras de PHA como forma de valorização de subprodutos e resíduos agroindustriais.