Industrial by-product valorization through mixed culture PHA production

Abstract

In the perspective of the development of sustainable industrial processes, the recovery and transformation of its by-products are mandatory. The production of polyhydroxyalkanoates (PHA) by mixed microbial cultures (MMC) is one of the possible routes to obtain. This study evaluated the possibility of using two industrial byproducts: hardwood sulfite spent liquor (HSSL) and crude glycerol (GC), as feedstock for PHA production by a MMC selected in sequencing batch reactors (SBR1 and SBR2 respectively) using the aerobic dynamic feeding (ADF) strategy. The MMC selected in SBR1, despite not being able to use the main carbon source of HSSL, lignosulphonates, revealed the capacity to consume acetate and xylose to accumulate poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBHV), and glucose biopolymer (GB). A maximum PHA content of 6.6% and a maximum production yield of 0,49 Cmmol HA/Cmmol S were obtained during the selection stage. The analysis of selected microbial community of SBR1, using fluorescence in situ hybridization (FISH) and Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) techniques, revealed the dominance of Alphaproteobacteria, in which Paracoccus and Rhodobacter genus were identified, but also the existence of Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria and bacteria belonging to the classes Flavobacteria, Bacteroides Sphingobacteria. The culture selected by SBR2 despite showing the ability to consume both the glycerol and methanol fraction present in the CG, only glycerol appeared to contribute to both poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and GB storage. Using CG, the selected MMC achieved a maximum PHB content of 37.4% and a maximum yield of 0.62 (Cmmol HA / Cmmol S) in an accumulation assay.

Na perspetiva do desenvolvimento de processos industriais sustentáveis, é necessária a valorização e transformação dos subprodutos obtidos. A produção de polihidroxialcanoatos (PHA) com recurso a culturas microbianas mistas (MMC) é um dos processos possíveis para fazer essa valorização. Neste estudo, foi avaliada a possibilidade de usar dois subprodutos: licor de cozimento ao sulfito ácido (HSSL) e glicerol em bruto (CG), como matérias-primas para a produção de PHA para os quais foram selecionadas duas MMC em dois reatores descontínuos sequenciais (SBR1 e SBR2, respetivamente) através da imposição de condições de alimentação dinâmica aeróbia (ADF). A MMC selecionada no SBR1, apesar de não ser capaz de utilizar a principal fonte de carbono presente no HSSL, os lenhosulfonatos, consumiu acetato e xilose acumulando dois biopolímeros: poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBHV) e biopolímeros de glucose (GB). Durante o período de seleção foi obtido um conteúdo máximo em PHA de 6,6% e um rendimento máximo de 0,49 Cmmol HA/Cmmol S. A comunidade microbiana selecionada no SBR1 foi analisada com recurso a fluorescence in situ hybridization (FISH) e Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) demonstrando a predominância de Alfaproteobacteria, com os géneros Paracoccus e Rhodobacter a serem identificados, mas também a existência de Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria e também bactérias pertencentes às classes Flavobacteria, Bacteroides, Sphingobacteria. Quanto à MMC selecionada no SBR2, esta demonstrou ter capacidade de consumir tanto a fração de glicerol como a de metanol presente no CG, sendo que apenas o glicerol pareceu contribuiu para o armazenamento tanto de poli-3-hidroxibutirato (PHB) como de GB. Usando o CG, a MMC selecionada atingiu um conteúdo máximo de PHB de 37,4% e um rendimento máximo de 0,62 (Cmmol HA/Cmmol S) num ensaio de acumulação.