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The impact of biomass withdrawal strategy on polyhydroxyalkanoate (PHA) productivity in mixed cultures
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Orientador(es)
Resumo(s)
Polyhydroxyalkanoates (PHA) have been pointed as an alternative to reduce the use of
conventional plastics. PHA are natural polyesters that are produced by microorganisms, are
biodegradable, biocompatible and have thermoplastics/elastomeric properties similar to those
of petrochemical plastics. PHA are currently produced based on pure cultures, but the costs of
investment (equipment) and production (energy and refined substrates) have discouraged the
widespread utilization of PHA as commodity plastics.
The production of PHA by mixed microbial cultures (MMC) can reduce the costs of
investment and production, and consequently the PHA price, through use of open systems
(less sophisticated equipment) and low-cost substrates, such as agro-industrial wastes/by-
products. The MMC PHA production process consists generally of three stages: acidogenic
fermentation to obtain VFA as PHA precursors, culture selection to enrich a culture in PHA-
storing microorganisms with high capacity to accumulate PHA and a high growth rate, and
PHA accumulation to maximize the PHA content in the biomass. The culture selection stage is
considered the key step in this process since it determines the biomass productivity and its
capacity of storing PHA. This PhD project has focused on the study of the impact of biomass
withdrawal strategy on the performance of the selection reactor and consequently on biomass
productivity and global PHA productivity.
An experimental setup composed by two sequencing batch reactors (SBR) was operated
under similar conditions, at an organic loading rate (OLR) of 100 Cmmol.L-1.d-1 and solids
retention time (SRT) of 4 days, except for the timing of biomass withdrawal. Reactor 1 (R1)
operated under a conventional strategy of biomass withdrawal (BW) at the end of the famine
phase, while Reactor 2 (R2) performed the BW at the end of the feast phase. A synthetic mixture
of acetic and propionic acid was selected as a representative carbon source composition from a fermented feedstock. The first study in this PhD project aimed to elucidate the effect of two
different BW strategies on the performance of the culture selected.
Both selection reactors had similar PHA storing capacity as proven by similar specific PHA
storage rates of 0.44 ± 0.09 Cmol-PHA.Cmol-XA-1.h-1 in R1 versus 0.36 ± 0.09 Cmol-PHA.Cmol-
XA-1.h-1 in R2 and similar PHA content of the biomass during the accumulation assays (51.7 ±
1.5 wt.% in R1-Ac versus 56.1 ± 1.0 wt.% in R2-Ac). However, R1 presented a much higher
biomass productivity (about 4-fold higher than R2), due to higher biomass concentration (2.8
± 0.4 g-XA.L-1 in R1 and 0.83 ± 0.2 g-XA.L-1 in R2), thus resulting in a much higher global PHA
productivity. This study demonstrated that removing the excess biomass at the end of the
famine phase resulted in a much higher global PHA productivity than removing the excess
biomass at the end of the feast phase, providing important insight into how MMC systems can
be best operated to maximize PHA productivity.
In the second study of this PhD project, the same system was used to assess the influence
of the OLR and SRT in tandem with the BW strategy to maximize the PHA productivity. It was
demonstrated that increasing the OLR led to an improvement of biomass productivity and
consequently to an improvement of the PHA productivity in both selection reactors, while the
reduction of SRT to less than 1 d resulted in the reduction of the storage response in both
reactors, compromising the overall PHA productivity. Additionally, at a SRT lower than 1.7 d,
the accumulation stage did not improve the productivity of the PHA producing process in R2,
and so, the biomass removed at the end of the feast phase could be forwarded directly to
downstream processing, reducing investment and operational costs.
A preliminary cost assessment of the two different operational modes was then
performed, comparing: (1) the utilization of both selection and accumulation reactors and the
conventional BW; and (2) a single selection reactor was used with the feast phase BW. The
results demonstrated that the utilization of a culture selection reactor with the feast phase BW
at the SRT of 0.8 d was the configuration resulting in the lowest total annual costs and lowest
break-even price (1.88 €/kg PHA-crude). Also, this configuration met the minimum limit of 40%
wt.% PHA content in the biomass, which has been previously indicated as a viable threshold
for cost-effective downstream processing.
Os polihidroxialcanoatos (PHAs) têm sido apontados como uma alternativa para reduzir a utilização de plásticos convencionais. Os PHAs são poliésteres naturais produzidos por microrganismos, são biodegradáveis, biocompatíveis e têm propriedades termoplásticas/elastoméricas semelhantes às dos plásticos de origem petroquímica. Os PHA são atualmente produzidos com base em culturas microbianas puras, mas os custos de investimento (equipamento) e de produção (energia e uso de substratos refinados) têm desencorajado a utilização generalizada dos PHAs como “plásticos de comodidade”. A produção de PHA por culturas microbianas mistas (MMC) pode reduzir os custos de investimento e de produção, e consequentemente o preço final dos PHAs, através da utilização de reatores menos sofisticados e substratos de baixo custo, tais como resíduos/subprodutos agroindustriais. O processo de produção de PHA com base em MMC consiste geralmente em três fases: a fermentação acidogénica para obter VFA que são precursores de PHA, a seleção da cultura para enriquecer uma cultura em microrganismos com elevada capacidade de acumular PHA e uma elevada taxa de crescimento, e a produção de PHA para maximizar o conteúdo de PHA na biomassa. A fase de seleção da cultura é considerada a etapa chave neste processo, uma vez que determina a produtividade em biomassa e a sua capacidade de acumulação de PHA. Este projeto de doutoramento centrou-se no estudo do impacto da estratégia de remoção da biomassa no desempenho do reator de seleção e, consequentemente, na produtividade em biomassa e na produtividade global de PHAs. Uma instalação experimental composta por dois reatores descontínuos sequenciais (SBR) foi operada em condições semelhantes, com uma carga orgânica (OLR) de 100 Cmmol.L-1.d-1 e um tempo de retenção de sólidos (SRT) de 4 dias, exceto no que diz respeito à altura do ciclo em que foi efetuada a purga de biomassa. O Reator 1 (R1) foi operado com uma estratégia convencional de remoção de biomassa (RB) no final da fase de fome, enquanto o Reator 2 (R2) xviii realizou a RB no final da fase de fartura. Para efeitos de simplificação do substrato, foi utilizada como fonte de carbono uma mistura sintética de ácido acético e propiónico. O primeiro estudo neste projeto de doutoramento teve como objetivo elucidar o efeito de duas estratégias diferentes de RB no desempenho da cultura selecionada. Ambos os reatores de seleção apresentaram uma capacidade de acumulação de PHAs semelhante, comprovada por taxas específicas de acumulação de PHAs semelhantes de 0,44 ± 0,09 Cmol-PHA.Cmol-XA-1.h-1 no R1 comparado com 0,36 ± 0,09 Cmol-PHA.Cmol-XA-1.h-1 no R2, e conteúdo de PHA na biomassa semelhante durante os ensaios de acumulação (51,7 ± 1,5 %(g/g) no R1-Ac comparado a 56,1 ± 1,0 %(g/g) no R2-Ac). Contudo, o R1 apresentou uma produtividade em biomassa muito superior (cerca de 4 vezes superior à do R2), devido a uma maior concentração de biomassa (2,8 ± 0,4 g-XA.L-1 no R1 e 0,83 ± 0,2 g-XA.L-1 no R2), resultando assim numa produtividade global de PHA muito superior. Este estudo demonstrou que a remoção do excesso de biomassa no final da fase de fome resultou numa produtividade global de PHAs muito mais elevada do que a remoção do excesso de biomassa no final da fase de fartura, o que permite tirar conclusões importantes sobre a forma de operação dos sistemas operados com MMC de modo a maximizar a produtividade de PHAs. No segundo estudo deste projeto de doutoramento, o mesmo sistema foi utilizado para avaliar a influência da OLR e SRT em conjunto com a estratégia de RB para maximizar a produtividade de PHA. Foi demonstrado que o aumento da OLR levou a uma melhoria da produtividade de biomassa e consequentemente a uma melhoria da produtividade de PHAs em ambos os reatores de seleção, enquanto a redução do SRT para menos de 1 dia resultou na redução da resposta de acumulação de PHA em ambos os reatores, comprometendo a produtividade global de PHAs. Além disso, a um SRT inferior a 1,7 dias, a fase de acumulação não melhorou a produtividade do processo de produção de PHAs no R2, pelo que a biomassa removida no final da fase de fartura pode ser encaminhada diretamente para a etapa de extração/purificação, reduzindo os custos de investimento e operação. Foi realizada uma avaliação económica com o objetivo de quantificar o impacto dos dois processos: (1) o sistema constituído pelo reator de seleção e de acumulação com RB convencional; e (2) um único reator de seleção com a estratégia de RB na fase de fartura. Os resultados demonstraram que a utilização de um reator de seleção com remoção de biomassa na fase de fartura e SRT de 0,8 dias foi a configuração que resultou no menor custo total anual e no menor preço de equilíbrio (1,88 €/kg PHA). Além disso, esta configuração atingiu o limite mínimo de 40% de PHAs na biomassa, valor que é considerado como viável na etapa de extração.
Os polihidroxialcanoatos (PHAs) têm sido apontados como uma alternativa para reduzir a utilização de plásticos convencionais. Os PHAs são poliésteres naturais produzidos por microrganismos, são biodegradáveis, biocompatíveis e têm propriedades termoplásticas/elastoméricas semelhantes às dos plásticos de origem petroquímica. Os PHA são atualmente produzidos com base em culturas microbianas puras, mas os custos de investimento (equipamento) e de produção (energia e uso de substratos refinados) têm desencorajado a utilização generalizada dos PHAs como “plásticos de comodidade”. A produção de PHA por culturas microbianas mistas (MMC) pode reduzir os custos de investimento e de produção, e consequentemente o preço final dos PHAs, através da utilização de reatores menos sofisticados e substratos de baixo custo, tais como resíduos/subprodutos agroindustriais. O processo de produção de PHA com base em MMC consiste geralmente em três fases: a fermentação acidogénica para obter VFA que são precursores de PHA, a seleção da cultura para enriquecer uma cultura em microrganismos com elevada capacidade de acumular PHA e uma elevada taxa de crescimento, e a produção de PHA para maximizar o conteúdo de PHA na biomassa. A fase de seleção da cultura é considerada a etapa chave neste processo, uma vez que determina a produtividade em biomassa e a sua capacidade de acumulação de PHA. Este projeto de doutoramento centrou-se no estudo do impacto da estratégia de remoção da biomassa no desempenho do reator de seleção e, consequentemente, na produtividade em biomassa e na produtividade global de PHAs. Uma instalação experimental composta por dois reatores descontínuos sequenciais (SBR) foi operada em condições semelhantes, com uma carga orgânica (OLR) de 100 Cmmol.L-1.d-1 e um tempo de retenção de sólidos (SRT) de 4 dias, exceto no que diz respeito à altura do ciclo em que foi efetuada a purga de biomassa. O Reator 1 (R1) foi operado com uma estratégia convencional de remoção de biomassa (RB) no final da fase de fome, enquanto o Reator 2 (R2) xviii realizou a RB no final da fase de fartura. Para efeitos de simplificação do substrato, foi utilizada como fonte de carbono uma mistura sintética de ácido acético e propiónico. O primeiro estudo neste projeto de doutoramento teve como objetivo elucidar o efeito de duas estratégias diferentes de RB no desempenho da cultura selecionada. Ambos os reatores de seleção apresentaram uma capacidade de acumulação de PHAs semelhante, comprovada por taxas específicas de acumulação de PHAs semelhantes de 0,44 ± 0,09 Cmol-PHA.Cmol-XA-1.h-1 no R1 comparado com 0,36 ± 0,09 Cmol-PHA.Cmol-XA-1.h-1 no R2, e conteúdo de PHA na biomassa semelhante durante os ensaios de acumulação (51,7 ± 1,5 %(g/g) no R1-Ac comparado a 56,1 ± 1,0 %(g/g) no R2-Ac). Contudo, o R1 apresentou uma produtividade em biomassa muito superior (cerca de 4 vezes superior à do R2), devido a uma maior concentração de biomassa (2,8 ± 0,4 g-XA.L-1 no R1 e 0,83 ± 0,2 g-XA.L-1 no R2), resultando assim numa produtividade global de PHA muito superior. Este estudo demonstrou que a remoção do excesso de biomassa no final da fase de fome resultou numa produtividade global de PHAs muito mais elevada do que a remoção do excesso de biomassa no final da fase de fartura, o que permite tirar conclusões importantes sobre a forma de operação dos sistemas operados com MMC de modo a maximizar a produtividade de PHAs. No segundo estudo deste projeto de doutoramento, o mesmo sistema foi utilizado para avaliar a influência da OLR e SRT em conjunto com a estratégia de RB para maximizar a produtividade de PHA. Foi demonstrado que o aumento da OLR levou a uma melhoria da produtividade de biomassa e consequentemente a uma melhoria da produtividade de PHAs em ambos os reatores de seleção, enquanto a redução do SRT para menos de 1 dia resultou na redução da resposta de acumulação de PHA em ambos os reatores, comprometendo a produtividade global de PHAs. Além disso, a um SRT inferior a 1,7 dias, a fase de acumulação não melhorou a produtividade do processo de produção de PHAs no R2, pelo que a biomassa removida no final da fase de fartura pode ser encaminhada diretamente para a etapa de extração/purificação, reduzindo os custos de investimento e operação. Foi realizada uma avaliação económica com o objetivo de quantificar o impacto dos dois processos: (1) o sistema constituído pelo reator de seleção e de acumulação com RB convencional; e (2) um único reator de seleção com a estratégia de RB na fase de fartura. Os resultados demonstraram que a utilização de um reator de seleção com remoção de biomassa na fase de fartura e SRT de 0,8 dias foi a configuração que resultou no menor custo total anual e no menor preço de equilíbrio (1,88 €/kg PHA). Além disso, esta configuração atingiu o limite mínimo de 40% de PHAs na biomassa, valor que é considerado como viável na etapa de extração.
Descrição
Palavras-chave
Polyhydroxyalkanoates (PHA) Mixed microbial cultures (MMC) Biomass Withdrawal Feast and famine (FF) Process optimization Bioplastics