Production of bacterial reserve compounds from industrial wastewaters

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Pedro Tiago Santos
Data de Publicação: 2013
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/28644
Resumo: Dissertação de mestrado em Bioengenharia
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spelling Production of bacterial reserve compounds from industrial wastewaters579.68Dissertação de mestrado em BioengenhariaThis thesis aimed to study the accumulation of reserve compounds such as polyhydroxyalkanoates (PHAs), triacylglycerols (TAGs) and wax esters (WEs), using mixed bacterial cultures. These reserve compounds can be produced from wastewaters derived from the agro-industrial sector. Valorization of these residues together with production of potentially high-added value products can turn out to be a process economically viable and simultaneously beneficial for the environment. The reserve compounds mentioned can be used in oleochemical and biofuel industry, being an alternative to the fossil fuels. Nowadays, the dependence of fossil fuels for energy production is evidently not sustainable. In the first part of the work, 25 kg of biomass enriched in PHA was produced at pilot scale. The PHA content of the final product was about 20%. Afterwards, this novel product was subjected to tests in order to analyze their potential application. Therefore, the challenge proposed at the beginning of the work was successfully performed using a full set-up at pilot scale for PHA production, considering all the general steps needed for implementation at industrial scale. During the fermentation step, the volatile suspended solids (VSS) concentration was between 2.98 and 4.76 g/L with yields in a range of 0.21 and 0.30 g PHA/g COD. At the end of the fermentation, the mixed culture used could accumulate between 37 to 38% of PHA using acetic acid as carbon source. In the second part of the work, other reserve compounds were produced besides PHAs due to low volatile fatty acids content in the substrate used. However, no analysis was available to confirm it at Avecom NV. From batch experiments performed and an overall balance labored, promising results were obtained. With the (open) mixed culture and the complex culture media used, it was found that an adaptation phase to select the organisms capable of accumulating reserve compounds is not necessary. The culture media used consisted of vegetable processing waste streams with shortage of nutrients i.e., the amount of nitrogen and phosphate was very low compared to the amount of carbon oxygen demanded (COD). So, if a good VSS yield was obtained, a good storage compound yield would be obtained as well because there were no nutrients to allow growth of the biomass. Best VSS yields, 0.40-0.43 g VSS/g CODt removed, were obtained when the inoculum was subjected to only 8 hours of fill-up. The third part included optimization of the biosynthesis and accumulation of reserve compounds from a wastewater containing mineral oil. Several conditions were tested, according to an experimental design, using a response surface methodology (RSM). Three independent variables were tested, which were COD concentration, nitrogen concentration and cultivation time. Overall, the culture used was able to synthesized and accumulate three different reserve compounds, namely PHAs, WEs and TAGs. The highest PHA accumulation, according to the response surface model applied to the obtained data, was achieved for 14 g COD/L, 0.06 g N/L with a cultivation time of 57 hours. In these conditions the PHA content in the biomass would be of about 8.6%.Esta tese teve como objectivo estudar a acumulação de compostos de reserva tais como: polihidroxialcanoatos (PHAs), triacilgliceróis (TAGs) e ésteres de cera (ECs), utilizando culturas bacterianas mistas. Estes compostos de reserva podem ser produzidos a partir de águas residuais do sector agro-industrial. A valorização destes resíduos, juntamente com a produção de produtos de alto valor acrescentado pode vir a ser um processo economicamente viável e, simultaneamente, benéfico para o meio ambiente. Os compostos de reserva mencionados podem ser utilizados na indústria oleoquímica e dos biocombustíveis, sendo uma alternativa aos combustíveis fósseis. Hoje em dia, a dependência de combustíveis fósseis para produção de energia não é, claramente, sustentável. Na primeira parte do trabalho, foram produzidos 25 kg de biomassa enriquecida em PHA à escala piloto. O teor de PHA do produto final foi cerca de 20%. Posteriormente, este novo produto foi submetido a testes, tendo em vista uma potencial aplicação. Assim sendo, o desafio proposto no início do trabalho foi realizado com sucesso recorrendo á instalação completa de um sistema em escala piloto para produção de PHA, considerando todas as etapas gerais necessárias para a implementação à escala industrial. Durante a etapa de fermentação, a concentração de sólidos suspensos voláteis (SSV) foi entre 2,98 e 4,76 g/L com um rendimento na gama de 0,21 e 0,30 g PHA/g COD. No final da fermentação, a cultura mista usada acumulou entre 37 e 38% de PHA, utilizando ácido acético como fonte de carbono. Na segunda parte do trabalho, foram produzidos outros compostos de reserva para além dos PHAs devido ao baixo conteúdo de ácidos gordos voláteis do substrato utilizado. No entanto, nenhuma análise estava disponível na Avecom NV para o confirmar. A partir de experiências realizadas em batch e um balanço geral realizado, foram obtidos resultados promissores. Com a cultura mista e os meios complexos de cultura usados, verificou-se não ser necessário uma fase de adaptação para seleccionar os organismos capazes de acumular compostos de reserva. Como meios de cultura foram usadas águas residuais provenientes do processamento de vegetais com falta de nutrientes, isto é, em que a quantidade de azoto e fosfato é muita baixa comparada com a quantidade de carência química de oxigénio (CQO). Assim, se um bom rendimento de VSS fosse obtido, também seria obtido bom rendimento de compostos de reserva acumulados porque não havia nutrientes suficientes para se obter um crescimento da biomassa. Os melhores rendimentos de VSS foram obtidos quando o inóculo foi submetido apenas a 8 horas de fase de enchimento: 0,40-0,43 g VSS/g CQOt removido. A terceira parte incluiu a optimização da biossíntese e acumulação de compostos de reserva a partir de uma água residual que contém óleos minerais. Várias condições foram testadas, conforme um desenho experimental, utilizando a metodologia de superfície de resposta (RSM). Três variáveis independentes foram testadas, nomeadamente a concentração de CQO, a concentração de azoto e o tempo de incubação. Em geral, a cultura utilizada foi capaz de sintetizar e acumular três diferentes compostos de reserva, nomeadamente os PHAs, ECs e TAGs. De acordo com o modelo de superfície de resposta ajustado aos dados obtidos, a maior acumulação de PHA verifica-se para 14 g CQO/L, 0,06 g/L de azoto, com um tempo de cultura de 57 horas. Nestas condições, o teor de PHA na biomassa seria cerca de 8,6%.Pereira, M. A.Alves, M. M.Universidade do MinhoSilva, Pedro Tiago Santos20132013-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/28644eng201092832info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:50:47Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/28644Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:49:32.680274Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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