Advanced Filtration TEchnologies for the Recovery and Later conversIon of relevant Fractions from wastEwater

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Enhanced polyhydroxyalkanoates productivity from ethanol-rich feedstocks: knowledge-based process design and online monitoring

Publication . Rangel, Catarina Sofia Cirne; Reis, Maria da Ascensão; Lourenço, Nídia; Carvalho, Gilda

Os polihidroxialcanoatos (PHAs) são poliésteres considerados como uma possível alternativa para substituir os plásticos sintéticos. Os PHAs apresentam propriedades de termoplásticos semelhantes às dos plásticos convencionais, com a vantagem de serem biodegradáveis, biocompatíveis e de serem produzidos a partir de recursos renováveis. No entanto, os PHAs são atualmente produzidos por culturas puras e os seus elevados custos de produção constituem um obstáculo à sua disseminação em larga escala como plásticos de comodidade. Nas últimas décadas, a investigação tem-se focado no desenvolvimento de processos de produção alternativos que possam reduzir substancialmente os custos de produção do PHA. As culturas microbianas mistas (MMC) têm sido cada vez mais investigadas como uma forma de reduzir os custos de produção dos PHAs através do uso combinado de sistemas abertos e de substratos baseados em resíduos de baixo custo. A produção de PHA por MMCs é normalmente efetuada num processo com três fases: a fermentação acidogénica onde os resíduos/subprodutos agroindustriais são convertidos numa mistura de ácidos orgânicos voláteis (VFAs), os precursores mais comuns de PHAs; a seleção da cultura para obter um enriquecimento microbiano com elevada capacidade de produção de PHA; e a acumulação de PHA onde o conteúdo de PHA da cultura selecionada é maximizado. A produção de PHA por MMCs normalmente está dependente do fornecimento de uma corrente rica em VFAs, apesar de por vezes, devido a flutuações na fase de acidogénese, correntes maioritariamente constituídas por VFAs poderem ser difíceis de obter. Apesar de comuns, composições de substratos diferentes das típicas correntes enriquecidas em VFAs são raramente exploradas. Este conhecimento poderá ser valioso na medida que contribuirá para a simplificação do processo de produção de PHA por MMCs e levará à subsequente diminuição dos custos de produção. Este projeto de doutoramento focou-se no estudo do impacto da composição de substratos fermentados em termos de fontes de carbono como o etanol e o lactato, no processo de produção de PHA por MMC, tanto na fase de seleção da cultura como na fase de produção de PHA. No primeiro estudo deste projeto de doutoramento, a seleção da cultura foi efetuada num reator descontínuo sequencial (SBR) operado a uma carga orgânica (OLR) de 100 Cmmol.L-1.d-1. O reator foi alimentado com um efluente fermentado de uma indústria produtora de guloseimas, que era maioritariamente constituído por lactato e etanol (60-90% do total de produtos de fermentação solúveis (SFPs)), tendo-se alcançado um robusto enriquecimento em microrganismos produtores de PHA , tendo sido atingindo um conteúdo em PHA de 52.6 ± 0.4 wt.% nos testes de acumulação. Um aumento da carga orgânica na fase de seleção da cultura de 100 para 150 Cmmol.L-1.d-1 levou a um conteúdo de PHA de 59.1 ± 0.6 wt.%, um rendimento de 0.93 ± 0.01 Cmol-PHA.Cmol-S-1 e uma produtividade de 0.93 ± 0.01 g-PHA L-1.h-1. A produção de SFPs que não são VFAs durante a fase de fermentação acidogénica é bastante comum, e os resultados obtidos neste trabalho realçam que a produção de uma composto inibitório (etanol) não tem de comprometer o alcance de rendimentos e produtividades de produção de PHA competitivas. No segundo estudo deste projeto de doutoramento, foi investigado o impacto do teor em etanol na acumulação de PHA e no fluxo de carbono do processo. Neste estudo, a seleção de um enriquecimento bacteriano com capacidade de acumular PHA foi efetuado num SBR operado a uma carga orgânica de 100 Cmmol.L-1.d-1 e alimentado com um substrato sintético constituído por etanol e ácidos láctido, acético e butírico. No decorrer dos ensaios observou-se a produção simultânea de PHA e de substâncias poliméricas extracelulares (EPS). Potencialmente a matriz de EPS foi produzida como estratégia de proteção, permitindo à biomassa ultrapassar o impacto dos conteúdos crescentes de etanol e mesmo assim continuar a produzir PHA. Com o aumento do conteúdo de etanol de 5 to 20 Cmmol.L-1 o rendimento de produção de PHA diminuiu de 0.92 ± 0.004 para 0.63 ± 0.002 Cmol-PHA.Cmol-S-1. A produção de EPS foi diretamente proporcional ao conteúdo de etanol alimentado, alcançando um conteúdo total máximo de EPS de 6.70 Cmmol para o máximo de etanol fornecido. Este estudo confirmou que o EPS atuou como uma estratégia de proteção da biomassa, o que beneficiou a taxa específica de produção de PHA para o conteúdo máximo de etanol testado. Para além disso, a produção simultânea de dois biopolímeros de valor acrescentado pode funcionar como uma estratégia de valorizar ainda mais resíduos ricos em etanol. Por último, a possibilidade de usar as técnicas espectroscópicas de Raman e de Infravermelho Próximo (NIR) como ferramentas de monitorização online da fase de acumulação da produção de PHA por MMC foi investigada. Neste estudo, espectros de NIR e de Raman foram adquiridos at line a partir de amostras do reator de acumulação de PHA de forma a desenvolver modelos de calibração de regressão de mínimos quadrados parciais (PLS) para previsão do conteúdo intracelular de PHA e da concentração de etanol. Contudo, devido à interferência de fluorescência nos espectros de Raman, estes não foram usados no desenvolvimento de modelos de calibração. Os espectros de NIR foram usados para o desenvolvimento de modelos de calibração quantitativos obtidos através de regressão PLS. Os modelos desenvolvidos foram sujeitos a validação interna cruzada e a validação externa e mostraram-se adequados para prever os parâmetros em estudo. Para o conteúdo intracelular de PHA na gama de 12.0 – 48.0%, um R2 de validação cruzada de 0.949 e uma raiz quadrada do erro quadrático médio de validação cruzada (RMSECV) de 2.15% foram obtidos, e a validação externa apresentou uma raiz quadrada do erro quadrático médio de previsão (RMSEP) de 2.07%. Para a concentração de etanol na gama de 1.33 – 20.4 Cmmol.L-1, um R2 de validação cruzada de 0.858 e um RMSECV de 1.82 Cmmol.L-1 foram obtidos, e a validação externa apresentou um RMSEP de 1.46 Cmmol.L-1. Estes resultados realçam o potencial da espectroscopia de NIR para a monitorização online da fase de acumulação do processo de produção de PHA usando MMCs e substratos reais/complexos.

2023-12-21Tese de doutoramento

Acesso aberto

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Entidade financiadora

European Commission

Programa de financiamento

H2020

Número da atribuição

745737