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Publicação
Advanced strategies for bioprocess optimization in polyhydroxyalkanoates production with phototrophic mixed cultures
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Autores
Resumo(s)
Polyhydroxyalkanoates (PHA) production using phototrophic mixed cultures (PMC) enriched in PHA-accumulating purple phototrophic bacteria (PPB) has emerged as a promising low-cost technology compared to the current PHA production technologies. Still, advanced research is crucial to warrant a competitive stand with the existing PHA production techniques. In response to this necessity, this work advances the phototrophic PHA production technology by analysing the microbial communities of reported PMCs, by developing new selection strategies to address the current drawbacks of the technology (e.g. outdoor operation, lower light intensities, inactive dark/night periods and real waste feedstocks) and lastly, by performing fundamental studies covering the unique features of PPB (e.g. high metabolic diversity, storage of internal polymers). In a first approach, the evaluation of PMC microbial communities described in the literature, outlined which PPB are consistently reported in PHA producing systems, and identified Chromatiaceae members as major PHA accumulators, followed by members of the genera Rhodopseudomonas, Rhodobacter and Rhizobium. In the second approach, and visioning a cost-effective phototrophic PHA production, both the utilization of waste streams with variable compositions (e.g. organic compounds and nutrients), as well as outdoor conditions (e.g. light intensity, temperature), were evaluated. Therefore, winter-simulated conditions and varying ammonia levels were assessed at lab-scale for their impact on PHA accumulation in a PMC, where a light-feast/dark-aerated-famine operation was proposed to address winter’s reduced light and temperatures. Results suggested that permanent ammonia availability and night-time aeration mitigated winter limitations in outdoor PMC operations, attaining 21.6% g PHA/g VSS and a productivity of 0.57 g PHA/L·day. Additionally, this technology was translated into outdoor pilot-scale ponds and the PHA production capacity of the PMC was validated, with PHA contents of 34.7 and 36 % g PHA/g VSS being registered in summer and in springtime, respectively, prospecting the future implementation of the technology. However, the PMC performance during the anaerobic phase still faced some challenges when high levels of reduced compounds were present in the fermented waste substrates. Therefore, more fundamental studies were devised, and the impact of complementary PPB redox balance mechanisms was evaluated, specifically the CO2 fixation pathway. Experiments with four inorganic carbon (IC) conditions revealed that IC presence favours biomass growth over PHA production, while IC absence enhanced PHA pro-duction by limiting growth, especially in PMC selected under limiting IC availability. Therefore, CO2 levels can be tuned accordingly to focus on either biomass growth or PHA accumulation. Another constraint of outdoor PMC operation is the existence of an inactive dark/night period (no sunlight) which restrains the PMC activity to the light period. However, previous studies identified internal storage compounds (e.g. carbohydrates) in PPB, and therefore, PPB's ability to use such energetic reserves as complementary source of energy was assessed in a novel operational setting. Overall, this thesis advances the understanding on phototrophic PHA production, by addressing several technology challenges such as reduced environments, lower light intensities and dark periods, promoting the technology improvement for a future outdoor implementation.
A produção de Polihidroxialcanoatos (PHA) através de culturas mistas fototróficas (CMF), enriquecidas em bactérias purpura fototróficas (BPF) acumuladoras de PHA, surgiu recentemente como uma tecnologia mais económica comparativamente às tecnologias atualmente desenvolvidas para a produção de PHA. No entanto, por forma a alcançar uma posição competitiva em relação às tecnologias atuais, existe a necessidade de desenvolver a tecnologia em sistemas de CMF para produção de PHA. Em resposta a esta necessidade, este trabalho permitiu o avanço da tecnologia de produção de PHA em sistemas CMF, através da análise de comunidades de microrganismos de diversas CMF anteriormente reportadas, bem como o desenvolvimento de novas estratégias de seleção de CMF para ultrapassar as desvantagens atuais da tecnologia (operação ao ar livre, baixas intensidades de luz, períodos inativos de escuro/noite, utilização de resíduos como substrato), e por último, a realização de estudos fundamentais que abrangem as características únicas das BPF (versatilidade metabólica, armazenamento de polímeros internos). Numa primeira abordagem, a avaliação de diferentes comunidades de microrganismos, presentes em sistemas de CMF, demonstrou quais as BPF que se encontravam consistentemente presentes em sistemas de CMF para produção de PHA, e identificou que os microrganismos da família Chromatiaceae eram os principais acumuladores de PHA, seguidos de membros dos grupos taxonómicos Rhodopseudomonas, Rhodobacter e Rhizobium. Numa segunda abordagem, tendo em vista uma produção rentável de PHA em CMF, tanto a utilização de correntes residuais com composições variáveis (compostos orgânicos e nutrientes), bem como as condições exteriores sazonais (intensidade de luz, temperatura), foram consideradas. Deste modo, a simulação de condições de inverno assim como diferentes níveis de amónia, foram estudados à escala laboratorial, por forma a avaliar o seu impacto na acumulação de PHA em CMF, onde uma nova estratégia de operação, luz-fartura/escuro-arejamento-fome, foi proposta para mitigar a redução da luz e das temperaturas de inverno. Os resultados demonstraram que a presença constante de amónia assim com o arejamento no período escuro, asseguraram a performance da CMF em condições de inverno, registando 21.6% g PHA/g VSS e uma produtividade de 0.57 g PHA/L·dia. Adicionalmente, a translação desta tecnologia para sistemas ao ar livre e à escala piloto foi validada, registando conteúdos de PHA de 34.7 e 36% g PHA/g VSS, no verão e na primavera, respetivamente, o que visa a futura implementação da tecnologia. No entanto, níveis elevados de compostos reduzidos nos substratos, resultaram num decréscimo no desempenho das CMF, em especial durante a operação na fase anaeróbia. Desta forma, estudos mais fundamentais foram realizados, nomeadamente sobre o impacto da existência de mecanismos complementares das BPF para o equilíbrio do poder redutor, especificamente a via de fixação de CO2. Os ensaios com quatro condições de carbono inorgânico (CI) revelaram que a presença de CI favoreceu o crescimento de biomassa em relação à produção de PHA, enquanto a ausência de CI beneficiou a produção de PHA, limitando o crescimento, em particular em CMF selecionadas com limitação de CI. Demonstrando assim, que os níveis de CO2 poderão ser ajustados, para crescimento da biomassa ou acumulação de PHA, dependendo do objetivo final. A existência de um período inativo de escuro/noite (sem luz solar) restringindo a atividade das CMF ao período de luz, foi outra restrição observada. No entanto, a identificação de polímeros internos (glicogénio) em estudos de CMF anteriores, levou à avaliação da capacidade das BPF para utilizar tais reservas energéticas como energia alternativa através da implementação de uma nova estratégia de operação. Em conclusão, esta tese avança a compreensão sobre a produção de PHA em sistemas de CMF, abordando vários desafios tecnológicos, tais como ambientes com elevado poder redutor, menores intensidades de luz e períodos de escuro inativos, prospetando a melhoria da tecnologia e a sua futura implementação ao ar livre.
A produção de Polihidroxialcanoatos (PHA) através de culturas mistas fototróficas (CMF), enriquecidas em bactérias purpura fototróficas (BPF) acumuladoras de PHA, surgiu recentemente como uma tecnologia mais económica comparativamente às tecnologias atualmente desenvolvidas para a produção de PHA. No entanto, por forma a alcançar uma posição competitiva em relação às tecnologias atuais, existe a necessidade de desenvolver a tecnologia em sistemas de CMF para produção de PHA. Em resposta a esta necessidade, este trabalho permitiu o avanço da tecnologia de produção de PHA em sistemas CMF, através da análise de comunidades de microrganismos de diversas CMF anteriormente reportadas, bem como o desenvolvimento de novas estratégias de seleção de CMF para ultrapassar as desvantagens atuais da tecnologia (operação ao ar livre, baixas intensidades de luz, períodos inativos de escuro/noite, utilização de resíduos como substrato), e por último, a realização de estudos fundamentais que abrangem as características únicas das BPF (versatilidade metabólica, armazenamento de polímeros internos). Numa primeira abordagem, a avaliação de diferentes comunidades de microrganismos, presentes em sistemas de CMF, demonstrou quais as BPF que se encontravam consistentemente presentes em sistemas de CMF para produção de PHA, e identificou que os microrganismos da família Chromatiaceae eram os principais acumuladores de PHA, seguidos de membros dos grupos taxonómicos Rhodopseudomonas, Rhodobacter e Rhizobium. Numa segunda abordagem, tendo em vista uma produção rentável de PHA em CMF, tanto a utilização de correntes residuais com composições variáveis (compostos orgânicos e nutrientes), bem como as condições exteriores sazonais (intensidade de luz, temperatura), foram consideradas. Deste modo, a simulação de condições de inverno assim como diferentes níveis de amónia, foram estudados à escala laboratorial, por forma a avaliar o seu impacto na acumulação de PHA em CMF, onde uma nova estratégia de operação, luz-fartura/escuro-arejamento-fome, foi proposta para mitigar a redução da luz e das temperaturas de inverno. Os resultados demonstraram que a presença constante de amónia assim com o arejamento no período escuro, asseguraram a performance da CMF em condições de inverno, registando 21.6% g PHA/g VSS e uma produtividade de 0.57 g PHA/L·dia. Adicionalmente, a translação desta tecnologia para sistemas ao ar livre e à escala piloto foi validada, registando conteúdos de PHA de 34.7 e 36% g PHA/g VSS, no verão e na primavera, respetivamente, o que visa a futura implementação da tecnologia. No entanto, níveis elevados de compostos reduzidos nos substratos, resultaram num decréscimo no desempenho das CMF, em especial durante a operação na fase anaeróbia. Desta forma, estudos mais fundamentais foram realizados, nomeadamente sobre o impacto da existência de mecanismos complementares das BPF para o equilíbrio do poder redutor, especificamente a via de fixação de CO2. Os ensaios com quatro condições de carbono inorgânico (CI) revelaram que a presença de CI favoreceu o crescimento de biomassa em relação à produção de PHA, enquanto a ausência de CI beneficiou a produção de PHA, limitando o crescimento, em particular em CMF selecionadas com limitação de CI. Demonstrando assim, que os níveis de CO2 poderão ser ajustados, para crescimento da biomassa ou acumulação de PHA, dependendo do objetivo final. A existência de um período inativo de escuro/noite (sem luz solar) restringindo a atividade das CMF ao período de luz, foi outra restrição observada. No entanto, a identificação de polímeros internos (glicogénio) em estudos de CMF anteriores, levou à avaliação da capacidade das BPF para utilizar tais reservas energéticas como energia alternativa através da implementação de uma nova estratégia de operação. Em conclusão, esta tese avança a compreensão sobre a produção de PHA em sistemas de CMF, abordando vários desafios tecnológicos, tais como ambientes com elevado poder redutor, menores intensidades de luz e períodos de escuro inativos, prospetando a melhoria da tecnologia e a sua futura implementação ao ar livre.
Descrição
Palavras-chave
Polyhydroxyalkanoates (PHA) phototrophic mixed cultures (PMC) purple phototrophic bacteria (PPB) Light-feast/dark-aerated-famine Outdoor pilot-scale operation Reductive stress