Efecto de la relación saciedad/ayuno en el enriquecimiento de biomasa acumuladora de Polihidroxibutirato Pubblico Deposited
Los polihidroxialcanos (PHA) son los candidatos ideales para sustituir a los petroplásticos, por que comparten propiedaes similares, la diferencia es que son biodegradables. Generalmente los PHA son producidos por bacterias y arqueas, como productos intracelulares que ocupan como reservas de carbono y energía. Las principales restricciones se deben al uso de sustratos sintéticos y que el proceso se debe llevar en condiciones estériles y con cultivos axénicos, lo que hace que los costos de producción se eleven significativamente. Una alternativa es utilizar compuestos renovables, como desechos organicos y utilizar cultivos mixtos en lugar de cepas puras. De esta manera se aprovecha y se valoriza, por un lado la biomasa aerobia procedente de plantas de tratamiento de aguas residuales municiales, y por el otro, el contenido de carbono organico de los desechos agroindustriales. El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de la relación saciedad/ayuno (S/A) en el enriquecimiento de biomasa suspendida productora de polihidroxibutirato en un reactor de lote secuencial (SBR) a escala laboratorio, usando un cultivo mixto como inóculo y lixiviados de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) de la planta de composteo de Bordo Poniente como sustrato. Los lixiviados utilizados en este estudio fueron previamente caracterizados, principalmente para determinar el contenido de demanda química de oxígeno soluble (DQOs), amonio (NH4 + ) y ácidos grasos volátiles (AGV). Se operaron dos SBR: el primero (R1) se utilizó para identificar las condiciones operacionales que favorecieran el enriquecimiento de biomasa acumuladora de PHB, el sustrato fue suministrado bajo la estrategia de Alimentación Dinámica Aerobia (ADA), y consistió en una mezcla de agua residual y lixiviados FORSU, en ciclos de 12 horas. El segundo SBR (R2) operó bajo las mismas condiciones que R1, modificando el tiempo de los ciclos a 8 y 6 horas. El volumen de R1 fue de 1 L, se inoculó con 8.0 g SSV/L de lodos activados aerobios y operó durante 165 días. La operación se dividió en tres etapas. En la etapa 1, se operó a una carga de 4.32 kg DQOs/m3 ∙día y como medio de alimentación agua residual municipal suplementada con una mezcla de AGV, ácidos acético, butírico, propiónico y valérico. En esta etapa se logró una acumulación de 7.6 g PHB/g peso-seco a una S/A experimental de 0.03. En la etapa 2, fue alimentado con lixiviados de la FORSU y diluido con agua residual a la misma carga de la etapa 1. En estas condiciones, la relación S/A aumentó a 0.13 y se obtuvo una acumulación máxima de 19.5 g PHB/g de peso-seco. Para la etapa 3, se incrementó la carga a 6.38 Kg DQOs/m3 ∙día. Se alcanzó una acumulación máxima de 55.7 g PHB/g de peso-seco, sin embargo, este rendimiento no se mantuvo al final de la operación y disminuyó hasta 2.0 g PHB/g peso-seco. Este comportamiento se atribuye a la perdida de la capacidad respiratoria, la cual en la etapa 1 fue de 2.4 mg O2/g SSV∙min y disminuyó hasta 0.02 mg O2/g SSV∙min para la etapa 3, como consecuencia a los largos periodos de ayuno a los que estuvo expuesta la biomasa, o bien a los compuestos recalcitrantes presentes en los lixiviados de la FORSU. El volumen de R2 fue el mismo, se inoculó con 8.5 g SSV/L de lodos activados aerobios y operó durante 76 días. La principal modificación operacional de R2 fue la reducción del ciclo de operación a 8 y 6 h. La etapa 1, consistió en la aclimatación del lodo, usando agua residual municipal suplementada con la mezcla de AGV, en ciclos de 8 h, dando como resultado una carga orgánica de 6.20 Kg DQOs/m3 ∙día. En estas condiciones, la relación S/A experimental fue de 0.10 y se acumularon 11.0 g PHB/g peso-seco. En la etapa 2, R2 fue alimentado con lixiviados de la FORSU y diluido con agua residual a la misma carga de la etapa 1. Bajo estas condiciones la relación S/A fue de 0.13 y se obtuvo una acumulación de 13.2 g PHB/g peso-seco. En la etapa 3, se redujo el ciclo a 6 h, incrementándose la carga a 8.38 Kg DQOs/m3 ∙día. Se alcanzó una relación S/A de 0.28 y una acumulación de 18.6 g PHB/g peso-seco, para el día 66. Por lo tanto, la reducción de los ciclos y el aumento de la carga orgánica permitieron alcanzar relaciones S/A entre 0.25-0.28 que son las que permitieron una mayor acumulación de PHB y una alta eficiencia de eliminación de materia orgánica y amonio. Sin embargo, el tiempo de exposición de la biomasa al lixiviado de la FORSU no debe ser mayor a 80 días. El uso de lixiviados de la FORSU favoreció la producción de microorganismos acumuladores de PHB mediante la estrategia S/A. Al optimizar el proceso y reducir el ciclo a 6 h en el reactor R2, ya que se logró una mayor acumulación. Estos resultados sugieren que la reducción de los ciclos en sistemas SBR podrían mejorar la eficiencia de acumulación de este biopolímero, abriendo nuevas investigaciones sobre la optimización de este tipo procesos.
Polyhydroxyalkanes (PHA) are the ideal candidates to replace petroplastics because they share similar properties, the difference being that they are biodegradable. PHA are generally produced by bacteria and archaea, as intracellular products that they use as carbon and energy reserves. The main restrictions are due to the use of synthetic substrates and the fact that the process must be carried out under sterile conditions and with axenic cultures, which makes production costs rise significantly. An alternative is using renewable compounds, such as organic waste, and mixed cultures instead of pure strains. In this way, the aerobic biomass from municipal wastewater treatment plants on the one hand, and the organic carbon content of agro-industrial waste on the other, can be used and valorized. The objective of this study was to evaluate the effect of the feast/famine (F/F) ratio on the enrichment of suspended polyhydroxybutyrate-producing biomass in a laboratory-scale SBR, using a mixed culture as inoculum and the organic fraction of municipal solid wastes (OFMSW) from the Bordo Poniente composting plant as substrate. The leachates used in this study were previously characterized, mainly to determine the content of soluble chemical oxygen demand (COD), ammonium (NH4 + ) and volatile fatty acids (VFA). Two SBRs were operated: the first (R1) was used to identify the operational conditions that favored the enrichment of PHB-accumulating biomass, the substrate was supplied under the Aerobic Dynamic Feeding (ADA) strategy, and consisted of a mixture of wastewater and FORSU leachate, in 12-hour cycles. The second SBR (R2) operated under the same conditions as R1, modifying the cycle time to 8 and 6 hours. The volume of R1 was 1 L, inoculated with 8.0 g SSV/L of aerobic activated sludge and operated for 165 days. The operation was divided into three stages. In stage 1, it was operated at a load of 4.32 kg COD/m3∙day and as feed medium municipal wastewater supplemented with a mixture of VFA, acetic, butyric, propionic and valeric acids. In this stage, an accumulation of 7.6 g PHB/g dry-weight was achieved at an experimental S/A of 0.03. In stage 2, it was fed with leachate from the FORSU and diluted with wastewater at the same loading as in stage 1. Under these conditions, the S/A ratio increased to 0.13 and a maximum accumulation of 19.5 g PHB/g dry-weight was obtained. For stage 3, the loading was increased to 6.38 kg COD/m3 ∙day. A maximum accumulation of 55.7 g PHB/g dry-weight was reached, however, this performance was not maintained at the end of the operation and decreased to 2.0 g PHB/g dry-weight. This behavior is attributed to the loss of respiratory capacity, which in stage 1 was 2.4 mg O2/g SSV∙min and decreased to 0.02 mg O2/g SSV∙min for stage 3, as a consequence to the long fasting periods to which the biomass was exposed, or to the recalcitrant compounds present in the FORSU leachates. The volume of R2 was the same, inoculated with 8.5 g SSV/L of aerobic activated sludge and operated for 76 days. The main operational modification of R2 was the reduction of the operation cycle to 8 and 6 h. Stage 1, consisted of sludge acclimatization, using municipal wastewater supplemented with the VFA mixture, an 8 h cycle resulting in an organic load of 6.20 kg COD/m3 ∙day. Under these conditions, the experimental S/A ratio was 0.10, and 11.0 g PHB/g dry-weight was accumulated. In stage 2, R2 was fed with leachate from the OFMSW and diluted with wastewater at the same loading as in stage 1. Under these conditions, the F/F ratio was 0.13, and an accumulation of 13.2 g PHB/g dry-weight was obtained. In stage 3, the cycle was reduced to 6 h, increasing the loading to 8.38 kg COD/m3 ∙day. An S/A ratio of 0.28 and an accumulation of 18.6 g PHB/g dry-weight was achieved by day 66. Therefore, the reduction of the cycles and the increase of the organic load allowed reaching F/F ratios between 0.25-0.28, which are the ones that allowed a higher PHB accumulation and a high efficiency of organic matter and ammonium removal. However, the exposure time of the biomass to the OFMSW leachate should not exceed 80 days. Using OFMSW leachates favored the production of PHB-accumulating microorganisms through the F/F strategy. Higher accumulation was achieved by optimizing the process and reducing the cycle to 6 h in the R2 reactor. These results suggest that the reduction of the cycles in SBR systems could improve the accumulation efficiency of this biopolymer, opening new investigations on the optimization of this type of process.
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