Bioproduction of polyhydroxyalkanoates from olive oil mill effluents

Abstract

O objetivo deste trabalho incidiu no desenvolvimento de um processo multi-stage económico para a produção de polímeros biodegradáveis, polihidroxialcanoatos (PHA), por culturas microbianas mistas, usando como matéria-prima águas residuais de lagares de azeite. Neste processo foram utilizadas águas residuais de lagares de azeite pré-fermentadas, nas quais 60% do conteúdo de CQO (Carência Química de Oxigénio) solúvel foi convertido em ácidos gordos voláteis (AGV) que são substratos mais directos para a produção de PHA. Esta corrente rica em AGV foi utilizada como alimento na fase sucessiva do processo, efetuada num reator descontínuo sequencial (SBR) à escala laboratorial. O objetivo desta etapa foi a selecção e enriquecimento da cultura mista microbiana em microrganismos com capacidade de acumulação de PHA elevada e estável, recorrendo ao regime de “fome e fartura”. Foram testadas duas cargas orgânicas diferentes no SBR – 2.37 e 4.74 g L-1 d-1 (referentes a CQO solúvel) – diluindo as águas residuais pré-fermentadas com meio mineral. A resposta de acumulação da cultura selecionada com a carga orgânica mais elevada foi estudada na etapa seguinte, tendo como objetivo o aumento do conteúdo intracelular de polímero na biomassa, através de uma estratégia de alimentação por pulsos sucessivos das águas residuais (as quais possuem baixo conteúdo de azoto) não diluídas. O polímero produzido consistia no poli β-hidroxibutirato-hidroxivalerato [P(HB-HV)] contendo entre 10 e 15% (w/w) de HV. Por fim foi desenvolvido o processo de extração do PHA obtido através de um processo de separação sólido-líquido seguido de digestão química com hipoclorito de sódio. Este estudo permitiu determinar o potencial do processo proposto para transformar resíduos orgânicos, como águas residuais de lagares de azeite, em produtos de valor acrescentado.

The aim of this research was the development of a low-cost multi-stage process for the production of biodegradable polymers, polyhydroxyalkanoates (PHAs), by using mixed microbial cultures (MMCs) and olive oil mill effluents (OMEs) as feedstock. Prefermented OMEs were used, in which about 60% of the soluble chemical oxygen demand (COD) had been transformed into volatile fatty acids (VFAs) that are more direct substrates for PHA storage. This VFA-rich stream was fed to a successive stage performed in a lab scale sequencing batch reactor (SBR), 1 L working volume. The aim of this stage was to select and enrich MMCs in microorganisms with high and stable storage ability through the establishment of “feast and famine” regime. Two different organic loading rates (OLRs) – 2.34 and 4.74 g L-1 d-1 (referred to the soluble COD) – were assayed in the SBR by diluting the fermented OMEs (soluble COD = 23.7 ± 1.1 g L-1) with mineral medium. The storage response of the microbial culture selected at the higher investigated OLR was analyzed in a following stage, aimed at maximizing the intracellular PHA content in the biomass by successive pulse feeding of no diluted OME (whose nitrogen content is very low). The produced polymer was a poly β-hydroxybutyrate-hydroxyvalerate [P(HB-HV)] with an HV content between 10 and 15 % (w/w). Finally, the attention has been paid at developing the further PHA recovery stage which consisted in a solid-liquid separation followed by chemical digestion using sodium hypochlorite. In conclusion, this study pinpoints the great potential of the proposed process to convert organic wastes, such as OMEs, into valuable products.