Author(s): Silva, Flávio Gonzaga Castro Santos
Date: 2013
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/12282
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Ciências do ambiente - Teses de doutoramento; Tratamento de resíduos; Tratamento biológico; Fermentação; Compostos orgânicos voláteis; Queijo - Aproveitamento de resíduos
Este trabalho abordou a valorização de um subproduto da indústria de lacticínios (soro de queijo) através da alteração do funcionamento de processos habitualmente utilizados no contexto do tratamento biológico. Foi avaliada a fermentação acidogénica deste subproduto para maximizar a conversão do seu elevado teor de matéria orgânica em ácidos orgânicos voláteis (AOV) que actualmente são produtos com elevada procura, nomeadamente para produção de polihidroxialcanoatos (PHA). Em ensaios descontínuos e semi-contínuos foi caracterizada a produção e composição de AOV a partir de soro de queijo variando a razão food-to-microorganism (F/M) e a concentração de alcalinidade. Recorrendo à modelação dos resultados através de superfícies de resposta, demonstrou-se que condições de F/M = 4 gCQO g-1SSV combinadas com uma adição elevada de alcalinidade (8 g L-1 expresso como CaCO3) resultaram na conversão de 72% da CQO alimentada em AOV. O acetato e o butirato foram os AOV predominantes (60%), mas elevadas razões F/M combinadas com elevadas alcalinidades promoveram o alongamento da cadeia carboxílica, tendo sido produzidos AOV de maior massa molecular (iso-valerato e n-caproato). O processo de fermentação acidogénica foi posteriormente desenvolvido em modo contínuo num reactor MBBR acidogénico operado a longo prazo. Cargas orgânicas entre 30 e 50 gCQO L-1d-1 permitiram obter um grau de acidificação máximo de 68% no efluente fermentado. Foi ainda demonstrado que uma adição dinâmica de alcalinidade (0 – 4,8 g CaCO3 L-1) nestas condições estimulou a produção de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) até 42%. O efluente acidificado no processo anaeróbio foi usado como substrato em reactores SBR operados para selecção de culturas microbianas mistas acumuladoras de PHA, nos quais foi aplicado um regime de alimentação dinâmica em condições aeróbias (“fartura-fome”). Estes sistemas operaram também a longo prazo, e demonstraram ser capazes de remover mais de 96% da CQO alimentada e simultaneamente convertê-la em PHA, até 36% do peso celular seco. A velocidade de remoção de substrato (valor máximo de 1,33 gCQO g-1SSV h-1) foi proporcional ao teor de polímero acumulado, evidenciando o estabelecimento de uma fase de “fome” prolongada que estimulou a selecção de microrganismos com elevada capacidade de acumulação de PHA. Além disso, o teor molar de hidroxivalerato (HV) no copolímero produzido [P(HB-co-HV)] foi directamente proporcional ao teor de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) presente no soro fermentado que serviu de substrato. Uma estratégia de operação do reactor SBR com variação da carga orgânica, aliada ao regime “fartura-fome” estabelecido, permitiu ainda simular a realidade dos processos de tratamento biológico de efluentes, nos quais a composição e concentração inicial de matéria orgânica variam frequentemente. Este modo de operação do sistema estimulou notavelmente o processo de selecção de culturas acumuladoras de PHA tendo resultado num aumento da acumulação de PHA de 7% para 36%. Os resultados demonstraram com sucesso a possibilidade de valorização do soro de queijo através de eco-biotecnologia, contribuindo para uma mudança de paradigma no tratamento convencional de efluentes: ao invés de serem eliminados enquanto poluentes, os componentes orgânicos presentes neste subproduto industrial podem assim ser convertidos em materiais de valor acrescentado.
This work addressed the valorization of a by-product from the dairy industry (cheese whey) by changing operating processes commonly developed for biological treatment applications. The acidogenic fermentation was studied to maximize volatile fatty acids (VFA) production from this high-strength organic by-product. Currently VFA are demanded for several applications such as polyhydroxyalkanoates (PHA) production. By varying the food-to-microorganism ratio (F/M) and added alkalinity in batch and semi-continuous assays, the VFA production and composition was characterized. Response surface methodology was applied to the results and showed that an F/M = 4 gCOD g-1VSS combined with a high alkalinity addition (8 g CaCO3 L-1) resulted in degrees of acidification up tp 72%. Acetate and n-butyrate were the main VFA produced (60%), but high F/M ratios and high alkalinity additions led to chain elongation of the VFA (production of higher molecular weight VFA such as iso-valerate and n-caproate). The acidogenic process was further carried out in a MBBR reactor under long-term operation. Organic loads between 30 and 50 gCOD L-1d-1 yielded a maximum degree of acidification of 68%. Under these operating conditions, a strategy of dynamic alkalinity supply (0 – 4,8 g CaCO3 L-1) stimulated odd-carboxylic VFA production up 42%, namely propionate and n-valerate. The fermented effluent was used as substrate in SBR reactors operated for mixed microbial cultures selection under a “feast-famine” regimen to stimulate PHA storage. These reactors were operated under long term and allowed for COD removals higher than 96% of the COD fed, coupled with PHA accumulation up to 36% of cell dry weight. The substrate uptake rate (maximum value of 1.33 gCOD g-1X h-1) was proportional to the accumulated polymer, showing that a prolonged “famine” phase stimulated the selection of cultures with high storage capacity. Moreover, the molar content of hydroxyvalerate (HV) in the copolymer produced [P(HB-co-HV)] was proportional to the amount of odd-VFA (propionate and n-valerate) present in the fermented whey. In addition to a well-established “feast-famine” regimen, an operating strategy with variable organic load simulated the reality of the wastewater treatment processes, in which the profile and the initial concentration of organic matter is often changing. This strategy significantly stimulated the culture selection process, resulting in an increase of PHA storage from 7% to 36%. These results successfully proven perspectives for cheese whey valorization through eco-biotechnology, aiming at a paradigm shift in conventional wastewater treatment: instead of being eliminated as pollutants, the organic components of this industrial by-product can thus be converted into value added materials.
