Development of processes for the production of PHA by mixed cultures from spent coffee grounds

Abstract

Worldwide, the concern with pollution and climate changes is dramatically growing. One of the main contributors to these problems are the typical plastics used on a daily basis. In this way, the development of new sustainable products and alternatives to petroleum derivatives is critical. The use of industrial residues as substrate for the production of added-value products by microorganisms is one of the possible alternatives. The present work proposes to produce polyhydroxyalkanoates (PHA) through mixed microbial cultures (MMC) and using spent coffee grounds (SCG) as substrate by using a three-step process. This process includes acidification of SCG to obtain short chain organic acids (SCOAs), selection of a PHA-storing MMC able to use SCOAs and accumulation of PHA. The acidification of SCG occurred after a preliminary hydrolysis step, in a fluidized-bed reactor (FBBR), for the production of SCOAs. Several parameters were tested in order to improve the production of SCOAs, namely, pH control and the organic load rate (OLR). The produced SCOAs reached a maximum concentration of 3.05 gCOD/L after 102 d of operation. This corresponds to an acidification degree of 37% and a composition of SCOAs of 49/13/2/25/11% of acetic, propionic, isobutyric, butyric and valeric acid, respectively, when pH was controlled at 5.0 and the OLR was 1.0 gCOD/L.d. The selection step was performed in a sequencing batch reactor (SBR) under feast and famine conditions. In this way, a selective pressure that allow the survival of PHA-producing organisms is established and the MMC becomes enriched in these bacteria. The SBR was fed with the SCOAs mixture obtained from the FBBR and the effect of parameters as cycle time, sludge retention time (SRT), and OLR was tested. The MMC reached a maximum of 41.3 % of PHA on day 134, producing a copolymer of 3-hydroxybutyrate (HB) and 3- hydroxyvalerate (HV) with 17 % of HV. The microbial community of both systems was analyzed by fluorescence in situ hybridization, quantitative polymerase chain reaction and high-throughput 16S rRNA gene sequencing techniques. In FBBR the phyla Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria and Proteobacteria were identified as the main ones. In the case of SBR, the main phyla found were Proteobacteria, Bacteroidetes and Firmicutes. A library of clones was defined, and several ones were identified as PHA-producing microorganisms.

A preocupação com a poluição e alterações climáticas cresce, mundialmente, de dia para dia. Um dos maiores contribuidores para estes problemas são os típicos plásticos utilizados diariamente. Desta forma, o desenvolvimento de novos produtos sustentáveis e alternativos aos derivados de petróleo tem merecido um lugar de destaque. O uso de resíduos industriais como substrato, e microrganismos revelou ser uma alternativa para a produção de produtos de valor acrescentado. O presente trabalho propõe-se a produzir polihidroxialcanoatos (PHAs) através de culturas microbianas mistas e borras de café como substrato, utilizando um processo de três passos. Este processo divide-se na acidificação das borras de café, para a obtenção de ácidos orgânicos de cadeia curta, na seleção de microrganismos produtores de PHAs dentro de uma cultura microbiana mista, e a acumulação de PHAs. A acidificação das borras de café ocorreu logo após uma primeira hidrólise ácida, num reator de leite fluidizado.Diversos parâmetros foram testados para que a produção de ácidos orgânicos de cadeia curta fosse melhorada, como por exemplo, o pH e carga orgânica. Os ácidos orgânicos produzidos atingiram uma concentração máxima de 3.05 gCOD/L, ao fim de 102 d. Isto corresponde a um grau de acidificação de 37 % e um perfil de ácidos de 49/13/2/25/11 % de ácidos acético, propiónico, isobutírico, butírico e valérico, respetivamente. Neste passo, o pH era 5.0 e a carga orgânica de 1.0 gCOD/L.d. Por sua vez, o passo de seleção, foi realizado num biorreator sequencing batch reactor (SBR) sob condições de fartura/fome que serve de pressão seletiva, onde apenas os organismos produtores de PHA conseguem sobreviver. Este reator foi alimentado com os ácidos produzidos no passo de acidificação. O tempo de ciclo, tempos de retenção de lamas, e a carga orgânica foram alguns dos parâmetros testados. Foi atingido um máximo de 41.3 % de PHA no dia 134, que deu origem a um copolímero de 3-hidroxibutirato (HB) e 3-hidroxivalerate (HV), com 17 % de HV. A comunidade microbiana de ambos reatores foi analisada pelas técnicas de fluorescence in situ hybridization, quantitative polymerase chain reaction e high throughput 16S rRNA gene sequencing. No FBBR foram identificadas as filos Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria e Proteobacteria como sendo as principais. No caso do SBR, as principais filos encontradas foram Proteobacteria, Bacteroidetes e Firmicutes. Uma biblioteca de clones foi observada e diversos foram identificados como microrganismos produtores de PHA.