Optimization of the bioplastics production from cyanobacteria

Abstract

(English) Polyhydroxybutyrate (PHB) is one of the most interesting alternatives to conventional plastics, because it has similar properties to polypropylene, it is more biodegradable than other bioplastics, it has really low CO2 and O2 permeability. Cyanobacteria are a promising alternative to produce PHB, as they produce it from CO2 and sunlight. However, cyanobacteria PHB biosynthesis should be optimized in order to achieve a cost-effective and environmentally friendly PHB production process. The present PhD thesis aims to contribute to the creation of new strategies and tools to enhance the PHB accumulated in wastewater borne cyanobacterial. The overall content of this PhD thesis is divided in 4 parts. The first part evaluated the effect of different cultivation conditions. In this section, different cyanobacteria were isolated from microalgae-based wastewater treatment plants. Then, the effect of inorganic carbon, salinity, light availability, initial P content in the biomass and acetate concentration on the PHB production with the isolated strains was evaluated. In the second part, the ability to keep cyanobacterial dominance and produce PHB using agricultural run-off as a source of nutrients was evaluated during 7 months in a demonstrative facility (11 m3). In the third part, a new mathematical model to predict the PHB production with cyanobacteria. Finally, in the forth part, the environmental impacts of this process were evaluated using the life cycle assessment methodology. From the first part of this PhD thesis, it was concluded that the addition of high amounts of inorganic carbon (2 gC L-1 of NaHCO3), stimulated the PHB production with cyanobacteria. However, this stimulation was related to the increase of salinity rather than to the carbon availability. Moreover, it was observed a correlation between the genes related with the glycogen catabolism and the PHB synthesis, indicating that accumulated glycogen is an important source of carbon for the production of PHB with cyanobacteria. On the other hand, high light intensities were seen to increase the PHB productivity. Finally, thepresence of acetate was seen to strongly stimulate the PHB content. After optimization of the cultivation conditions, it was found that for Synechocystis sp. the optimal concentrations were 1.2 g L-1 of acetate, 4 gC L-1 of inorganic carbon, 18 g L-1 of NaCl and 0 days in darkness. Similarly, for Synechococcus sp. 1.2 g L-1 of acetate, 0.05 gC L-1 of inorganic carbon, 9 g L-1 of NaCl and 0 days in darkness were needed. Applying this condition a maximum of a 26.1 %dcw of PHB was obtained by Synechococcus sp.The second part of this thesis shows that cyanobacteria can be successfully maintained in a demonstrative plant using agricultural run-off as a source of nutrients. In these experiments, a maximum content of a 4.5 %dcw was reached. The new developed mathematical model was calibrated for Synechocystis sp. and used to maximize the process productivity. Using first, a reactor with a hydraulic retention time of 4 days to grow cyanobacteria, and secondly a reactor with a hydraulic retention time of 20 days was applied to enhance the PHB accumulation. 50 mgN·L-1 and 10 mgP·L-1 were the optimal nutrients concentrations in the influent.Finally, in the last part of this thesis, the environmental impact results show that the use of wastewater as a source of nutrient could reduce between a 2-65% the environmental impact of this process. On the other hand, an increase in the PHB content could reduce the impact between a 46-71 %. Throughout this thesis, different strategies and tools have been provided to optimize the PHB production with cyanobacteria. However, many research advances are still needed to attain a fully viable industrial PHB production process with cyanobacteria, especially in the further enhancement of the PHB productivity and the improvement of the purification of PHB from cyanobacteria.

(Español) El polihidroxibutirato (PHB) es una alternativa interesante a los plásticos convencionales, ya que tiene propiedades similares al polipropileno, es más biodegradable que otros bioplásticos y tiene una baja permeabilidad al CO2 y al O2. Las cianobacterias son una alternativa prometedora para producir PHB, ya que lo producen a partir de CO2 y luz solar. Sin embargo, la biosíntesis de PHB con cianobacterias debe optimizarse para lograr un proceso de producción de PHB rentable y respetuoso con el medio ambiente.Esta tesis doctoral tiene como objetivo contribuir a la creación de nuevas estrategias y herramientas para mejorar el proceso de producción de PHB con cianobacterias. El contenido de esta tesis se divide en 4 partes. La primera, estudia el efecto de diferentes condiciones de cultivo. En esta sección, se aislaron diferentes cianobacterias de plantas de tratamiento de aguas residuales con microalgas. Después, se evaluó el efecto del carbono inorgánico, la salinidad, la disponibilidad de luz, el contenido inicial de P en la biomasa y la concentración de acetato sobre la producción de PHB con las cepas aisladas. En la segunda parte, se evaluó en una instalación demostrativa (11 m3) la capacidad de mantener la dominancia de las cianobacterias y producir PHB utilizando escorrentía agrícola como fuente de nutrientes. En la tercera parte, se desarrolló un modelo matemático para predecir la producción de PHB con cianobacterias. Finalmente, en la cuarta parte, se calcularon los impactos ambientales de este proceso utilizando la metodología de evaluación del ciclo de vida. De la primera parte de esta tesis doctoral, se concluyó que la adición de altas concentraciones de carbono inorgánico (2 gC L-1 de NaHCO3), estimulan la producción de PHB. No obstante, esta estimulación estuvo relacionada con el aumento de la salinidad y no con la disponibilidad de carbono. Además, se observó una correlación entre los genes del catabolismo del glucógeno y los de la síntesis de PHB, indicando que el glucógeno acumulado es una fuente importante de carbono para la producción de PHB con cianobacterias. Por otro lado, se observó que las altas intensidades de luz aumentaban la productividad. Finalmente, se observó que la presencia de acetato estimulaba drásticamente el contenido de PHB. Tras la optimización, se encontró que para Synechocystis sp. las concentraciones óptimas eran 1,2 g L-1 de acetato, 4 gC L-1 de carbono inorgánico, 18 g L-1 de NaCl y 0 días de oscuridad. En cambio, para Synechococcus sp. fueron 1.2 g L-1 de acetato, 0.05 gC L-1, 9 g L-1 de NaCl y 0 días de oscuridad. Aplicando estas condiciones a Synechococcus sp. se obtuvo un máximo de 26 %dcw de PHB. La segunda parte de esta tesis muestra que las cianobacterias se pueden mantener con éxito en una planta demostrativa utilizando escorrentía agrícola como fuente de nutrientes. En estos experimentos, se alcanzó un máximo de un 4,5 %dcw de PHB. El modelo matemático desarrollado fue calibrado para Synechocystis sp. y utilizado para maximizar la productividad del proceso utilizando un primer reactor con un tiempo de retención hidráulico de 4 días para crecer las cianobacterias, seguido de un reactor con un tiempo de retención hidráulico de 20 días para estimular la acumulación de PHB. 50 mgN· L-1 y 10 mgP· L-1 fueron necesarios en el influyente para hacer crecer las cianobacterias.Finalmente, en el último apartado de esta tesis, los resultados muestran que el uso de aguas residuales como fuente de nutrientes podría reducir un 2-65 % el impacto ambiental. Por otro lado, un aumento en el contenido de PHB reduciría el impacto un 46-71 %. En esta tesis se han proporcionado diferentes estrategias y herramientas para optimizar la producción de PHB con cianobacterias. No obstante, todavía se necesitan muchos avances para conseguir un proceso industrial completamente viable con cianobacterias, especialmente en la mejora de la productividad y de la purificación de PHB a partir de cianobacterias.