PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE POLIHIDROXIALCANOATOS A PARTIR DEL AGUA RESIDUAL DE LA INDUSTRIA CERVECERA.

Procedimiento de obtención de polihidroxialcanoatos a partir del agua residual de la industria cervecera.

Procedimiento de obtención de polihidroxialcanoatos que consiste en tres etapas: una fermentación acidogénica del efluente residual de una industria cervecera en un reactor para la obtención de ácidos grasos volátiles, alimentación del efluente fermentado obtenido en la anterior a un reactor que contiene un cultivo mixto de microorganismos con objeto de seleccionar una biomasa con alta capacidad de acumulación de polihidroxialcanoatos, y alimentación de forma discontinua y mediante la adición de pulsos consecutivos del efluente fermentado obtenido en la primera etapa a un reactor que contiene la biomasa seleccionada en la segunda etapa.

Procedimiento de obtención de polihidroxialcanoatos a partir del agua residual de la industria cervecera

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención es un procedimiento de producción microbiana de un bioplástico a partir de aguas residuales de la industria cervecera. Dicho procedimiento se encuentra relacionado con la bioingeniería y con la industria del plástico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El uso intensivo y extensivo de los plásticos en nuestra sociedad se encuentra ante dos problemas fundamentales: por un lado, la fabricación dependiente del petróleo, un recurso natural no renovable, y por otro, el impacto medioambiental que causan debido a la resistencia a la biodegradación.

Actualmente, con el fin de solventar los problemas derivados del uso del plástico convencional, se buscan materiales con propiedades similares pero que sean de fácil degradación, entre los que se encuentran los bioplásticos o biopolímeros. El término de bioplásticos o biopolímeros engloba básicamente tres tipos de polímeros: polímeros sintetizados químicamente, plásticos biodegradables basados en almidón (se obtienen por mezcla de almidón y un plástico, por ejemplo polietileno) y los polihidroxialcanoatos.

Los polihidroxialcanoatos (PHA) son polímeros 100% degradables, ya que son sintetizados como material de reserva por un gran número de bacterias Gram positivas y Gram negativas pertenecientes a más de 75 géneros diferentes. Estos polihidroxialcanoatos proporcionan una buena alternativa a los plásticos derivados del petróleo ya que presentan propiedades similares a las del polietileno y a las del polipropileno.

Los polihidroxialcanoatos son considerados de gran interés industrial como plásticos biodegradables y tienen aplicaciones en diferentes áreas: materiales de embalaje (por ejemplo envases, films, etc) , industria farmacéutica, medicina, industria alimentaria, industria de la cosmética y agricultura.

Los PHA son polímeros lineales de 3-hidroxiácidos en los cuales el grupo carboxílico de un monómero forma un enlace de tipo éster con el grupo hidroxilo del monómero siguiente.

La composición de la cadena lateral o átomo R determina la identidad de la unidad monomérica.

Actualmente se conocen aproximadamente 125 ácidos hidroxialcanoicos formando parte de los PHA (identificados en diversos géneros bacterianos) . Entre estos se pueden encontrar 3-hidroxialcanoatos de 3 a 14 átomos de carbono con una larga variedad de grupos saturados de cadena lineal o ramificada conteniendo grupos laterales alifáticos o aromáticos.

La presente invención utiliza la biomasa (un cultivo mixto) como inóculo y agua residual de la industria cervecera como sustrato.

En la industria cervecera se generan efluentes en los procesos de fabricación del mosto, fermentación del mosto, maduración de la cerveza, filtración, preenvasado y envasado, lo que da lugar a un gran volumen de residuos líquidos que deben ser tratados antes de ser vertidos al medio ambiente.

Estas aguas residuales tienen un elevado contenido en materia orgánica de fácil degradación, fundamentalmente ácidos grasos, etanol y azúcares.

Actualmente la producción comercial de PHA se basa en procedimientos que emplean cultivos puros de microorganismos, lo que implica un enorme gasto en esterilización, y sustratos caros. La producción de PHA por cultivos puros tiene lugar cuando un nutriente esencial, a excepción de la fuente de carbono, actúa como limitante para el crecimiento.

ES 2 426 671 A1

En el estado de la técnica se conocen algunos procedimientos de producción de polihidroxialcanoatos. EP1400569 propone un sistema para la producción de biopolímeros a partir del empleo de un agua residual como sustrato y de cultivos mixtos como inóculo. El sistema consta de 2 etapas. La primera etapa es una etapa acidogénica durante la cual la materia orgánica compleja presente en el medio es degradada hasta obtener moléculas más simples como son los ácidos grasos volátiles. El efluente procedente de esta primera etapa se alimenta en la etapa 2. La etapa 2 es una etapa aerobia desarrollada en un reactor secuencial (Sequencing Batch Reactor, SBR) . Durante esta etapa se alimenta un cultivo mixto con el efluente procedente de la primera etapa bajo condiciones dinámicas de alimentación.

Sin embargo en la presente solicitud se propone un proceso en tres etapas aplicado a un tipo concreto de agua residual, efluente de una industria cervecera, con distintas condiciones de operación para cada una de las etapas del proceso. EP1400569 propone la operación del reactor a altas velocidades de carga orgánica (VCO) , por encima de 20 g DQO/L·d (g DQO/litro·día, siendo DQO la demanda química de oxígeno) , aplicando ciclos cortos de operación, 2 horas. Sin embargo, en la presente solicitud se propone trabajar con agua de cervecera a VCO de 3, 6 g DQO/L·d, empleando ciclos de operación de 12 horas. Una VCO de 3, 6 g DQO/ L·d equivale a 100 Cmmol/ L·d (mmol de carbono/litro·día) .

WO2011/073744 plantea la producción de polihidroxialcanoatos en tres etapas a partir del efluente de una industria papelera y un lodo aerobio enriquecido en bacterias filamentosas con alta capacidad acumuladora. Se aplican concentraciones limitantes de nutrientes esenciales (relación C/N/P 100/4, 4/1, 3) , de algún micronutriente esencial y baja concentración de oxígeno (concentración no superior de 2 mg/L) con el objeto de enriquecer el lodo en microorganismo filamentosos. Sin embargo, en la presente solicitud se plantea una relación C/N/P bien distinta, de entre 11/1, 7/1 y 50/5/1, y no se limita la concentración de oxígeno suministrado, siendo la velocidad de flujo de aire de 1 vvm (volumen de aire por volumen de líquido por minuto) .

El problema que plantea la técnica es proporcionar un procedimiento optimizado de obtención de polihidroxialcanoatos con cultivos mixtos, que tenga rendimientos que permitan que dicho procedimiento sea competitivo en relación a los procedimientos de obtención de polihidroxialcanoatos con cultivos puros.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención es un procedimiento de obtención de polihidroxialcanoatos, que comprende las siguientes etapas: a) fermentación acidogénica del efluente residual de una industria cervecera en un reactor para la obtención de ácidos grasos volátiles, caracterizado por que el tiempo de retención hidráulica es entre 1 y 1, 6 días, la temperatura es entre 30 y 37ºC y el pH es 6, 0, b) alimentación del efluente fermentado obtenido en la etapa a) a un reactor que contiene un cultivo mixto de microorganismos con objeto de seleccionar una biomasa con alta capacidad de acumulación de polihidroxialcanoatos, caracterizado por que se opera en periodos alternativos de ausencia y exceso de sustrato de 12 horas, la relación carbono/nitrógeno/fósforo es entre 11/1, 7/1 y 50/5/1, la velocidad de carga orgánica es entre 100 y 120 Cmmol/L·d, el tiempo de retención de sólidos es entre 6 y 10 días, el flujo de aire es 1 vvm, y la temperatura es 30ºC, c) alimentación de forma discontinua y mediante la adición de pulsos consecutivos del efluente fermentado obtenido en la etapa a) a un reactor que contiene la biomasa seleccionada en la etapa b) , caracterizado por que el flujo de aire es 1 vvm y la temperatura es 30ºC.

La primera etapa del procedimiento de la invención consiste en una fermentación acidogénica durante la cual la materia orgánica compleja presente en el agua residual de la industria cervecera es transformada preferiblemente en reactores SBR en moléculas más simples como son los ácidos grasos volátiles. Los ácidos grasos volátiles son el sustrato (efluente fermentado) que se empleará para la producción posterior de los polihidroxialcanoatos.

El efluente residual fermentado en el reactor acidogénico es posteriormente empleado como sustrato tanto en la etapa b) de enriquecimiento del cultivo mixto en bacterias acumuladoras de polihidroxialcanoatos como en la etapa c) de producción del biopolímero.

En la segunda etapa del procedimiento de la invención tiene lugar el enriquecimiento de un cultivo mixto en bacterias acumuladoras de PHA. Para favorecer la acumulación de PHA se aplican condiciones que limitan el crecimiento de las bacterias. Las condiciones limitantes consisten en someter a los microorganismos a periodos alternativos de ausencia y exceso de sustrato. Sometidos a estas condiciones las bacterias almacenan los PHA como reservas intracelulares, que podrán utilizar como sustrato o como fuente de energía. En esta etapa de enriquecimiento se emplea el efluente producido en la etapa anterior de fermentación acidogénica.

Tanto la etapa... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de obtención de polihidroxialcanoatos, que comprende las siguientes etapas:

a) fermentación acidogénica del efluente residual de una industria cervecera en un reactor para la obtención de ácidos grasos volátiles, caracterizado por que el tiempo de retención hidráulica es entre 1 y 1, 6 días, la temperatura es entre 30 y 37ºC y el pH es 6, 0, b) alimentación del efluente fermentado obtenido en la etapa a) a un reactor que contiene un cultivo mixto de microorganismos con objeto de seleccionar una biomasa con alta capacidad de acumulación de polihidroxialcanoatos, caracterizado por que se opera en periodos alternativos de ausencia y exceso de sustrato de 12 horas, la relación carbono/nitrógeno/fósforo es entre 11/1, 7/1 y 50/5/1, la velocidad de carga orgánica es entre 100 y 120 Cmmol/L·d, el tiempo de retención de sólidos es entre 6 y 10 días, el flujo de aire es 1 vvm, y la temperatura es 30ºC, c) alimentación de forma discontinua y mediante la adición de pulsos consecutivos del efluente fermentado obtenido en la etapa a) a un reactor que contiene la biomasa seleccionada en la etapa b) , caracterizado por que el flujo de aire es 1 vvm y la temperatura es 30ºC.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde en la etapa a) el tiempo de retención hidráulica es 1, 6 días y la temperatura es 30ºC.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, donde en la etapa b) la relación

carbono/nitrógeno/fósforo es 11/1, 7/1, la velocidad de carga orgánica es 100 Cmmol/L·d y el tiempo de 20 retención de sólidos es 6 días.

4. Un polihidroxialcanoato obtenido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que dicho polihidroxialcanoato contiene 70% hidroxibutirato y 30% hidroxivalerato.