Produção de compostos com valor agregado a partir da degradação anaeróbia do glicerol

Abstract

The glycerol conversion into value-added by-products through anaerobic processes was analyzed in three parts. In the first, the organic acids production and extraction with focus on valeric, was evaluated using an anaerobic filter with an open microbiome, during a 114-day period, being the last 21 days using a pertraction system. Ethanol was used as electron donor in the chain elongation reactions. The main short-chain acid produced was propionic (0.63 to 1.75 g COD.L-1.d-1), while that of medium-chain was valeric (0.86 to 1.81 g COD.L-1.d-1). The dramatic decrease of 1,3-propanediol (1,3-PDO) and the increase of acids production, suggested that the use of the pertraction system favored the oxidative pathway. Valeric extraction rate reached a maximum of 30 g COD.m-2.d-1. The concomitant increase of valeric productivity and Megasphaera elsdenii bacteria, indicated their direct participation in the elongation process. In the second part, the 1,3-PDO production was evaluated in two UASB reactors (R1 and R2), both containing biomass fixed in polyurethane foams from two inoculums (C1 and C2). R1 was fed only with pure glycerol, with acids as predominant products. R2 was firstly fed with pure glycerol, and then, with crude. High yields of 1,3-PDO (0.51 mol.mol gly-1) was obtained using the first by applying an organic loading rate (OLR) of 13.6 g gly.L-1.d-1. In the case of crude glycerol, the yield decreased (0.41 mol.mol gly-1, with OLR of 8.3 g gly.L-1.d-1). The 1,3-PDO production was attributed mainly to the genus Clostridium in the suspended biomass. In the third part, the 1,3-PDO production was evaluated in a UASB reactor (R3) with biofilm formed with C1 in silicone support. R3 showed very satisfactory yields with pure glycerol (0.54 mol.mol gly-1) and crude (0.48 mol.mol gly-1), both with glycerol consumption between 90 and 95 %. In terms of productivity, higher value was obtained with crude glycerol (5.21 g.L-1.d-1) when the operational conditions were: OLR between 16.4 and 20 g gly.L-1.d-1; HRT close to 1.5 d; pH in the range of 7.5-8.0 for influent and 5.0-5.4 for effluent. Using pure glycerol, C. pasteurianum was dominant in the adhered biomass whereas it was co-dominant with C. beijerinckii in the suspended. Changing the feed to crude glycerol resulted in a partial inhibition of Clostridium spp. C. pasteurianum remained dominant, but now with significant presence of Klebsiella pneumoniae and different species of Lactobacillus. There was a drastic decline of C. beijerinckii. Thus, at the end, it is concluded that using glycerol and continuous biological systems, the production of valeric acid and its extraction, and that of 1,3-PDO with adhered biofilms, can be viable alternatives to stimulate even more the reuse of that waste.

La conversión de glicerol por medio de procesos anaeróbicos en subproductos con valor añadido fue analizada en tres partes. En la primera, se evaluó la producción y extracción de ácidos orgánicos, con énfasis en el valérico, usando un filtro anaerobio con un microbioma complejo, durante el período de 114 días, siendo los últimos 21 días con el uso de un sistema de extracción con membranas. El etanol fue utilizado como donador de electrones en las reacciones de elongamiento de cadena. El propiónico fue el principal ácido de cadena corta producido (0,63 a 1,75 g DQO.L-1.d-1), mientras que el valérico lo fue de cadena media (0,86 a 1,81 g DQO.L-1.d-1). La disminución significativa en la producción de 1,3-propanodiol (1,3-PDO) y aumento de los ácidos, sugirieron que la introducción de un sistema de extracción con membranas favoreció la ruta oxidativa. El valor máximo de la tasa de extracción del valérico fue de 30 g DQO.m-2.d-1. El aumento concomitante en la productividad de valérico y de la bacteria Megasphaera elsdenii, indicó su participación directa en el proceso de elongamiento. En la segunda parte, la producción de 1,3-PDO fue evaluada en dos reactores UASB (R1 y R2), cada uno conteniendo biomasa fijada en espumas de poliuretano a partir de dos inóculos (C1 y C2). R1 fue alimentado sólo con glicerol puro y los ácidos fueron los productos predominantes. R2 fue alimentado primero con glicerol puro, y después, con el crudo. Altos rendimientos de 1,3-PDO se obtuvieron con el primero (0,51 mol.mol gli-1), aplicando una carga orgánica (COV) de 13,6 g gli.L-1.d-1. Con glicerol crudo, el rendimiento disminuyó (0,41 mol.mol gli-1, con COV de 8,3 g gli.L-1.d-1). La producción de 1,3-PDO fue atribuida principalmente al género Clostridium en la biomasa suspendida. En la tercera parte, la producción de 1,3-PDO fue evaluada en un reactor UASB (R3) con biopelícula formada con C1 en soporte de silicona. R3 presentó rendimientos muy satisfactorios con glicerol puro (0,54 mol.mol gli-1) y crudo (0,48 mol.mol gli-1), ambos con consumo de glicerol entre 90 y 95 %. Además la productividad fue mayor con glicerol crudo (5,21 g.L-1.d-1) y las condiciones operacionales fueron: COV entre 16,4 e 20 g gli.L-1.d-1; TRH cercano a 1,5 d; pH afluente entre 7,5-8,0; y pH efluente entre 5,0-5,4. Con glicerol puro, C. pasteurianum fue dominante en la biomasa adherida mientras que fue co-dominante con C. beijerinckii en la suspendida. El cambio de alimentación a glicerol crudo tubo como consecuencia una inhibición parcial de Clostridium spp. C. pasteurianum continuó siendo dominante, pero ahora con presencia significativa de Klebsiella pneumoniae y diferentes especies de Lactobacillus, mientras que C. beijerinckii disminuyó drásticamente. Por lo tanto, por fin se concluye que usando glicerol y sistemas biológicos continuos, la producción de ácido valérico y su extracción y la de 1,3-PDO con biopelículas adheridas, pueden ser alternativas viables para estimular aún más la reutilización de ese residuo