Badania czynników ograniczających pozyskiwanie polihydroksykwasów z osadu czynnego

• Autorzy: Muszyński A. , Łebkowska M. , Kaczmarska J. , Walętrzak G.

Warianty tytułu

EN

Factors limiting polyhydroxyalkanoates recovery from activated sludge

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Badano czynniki decydujące o skuteczności procesu pozyskiwania polihydroksykwasów (PHA) z osadu czynnego. Biosyntezę polimeru prowadzono przez 3 miesiące w cyklach trwających 7 dni w reaktorze laboratoryjnym zaszczepionym osadem czynnym z miejskiej oczyszczalni ścieków. Hodowlę napowietrzano w sposób ciągły, a syntezę PHA stymulowano poprzez ograniczanie zawartości azotu w podłożu. Pod koniec każdego cyklu przeprowadzano odzyskiwanie biopolimeru przez odwirowanie biomasy, ekstrakcję PHA chloroformem i jego wytrącenie w n-heksanie. Stwierdzono, że zastosowany nadmiar węgla organicznego w podłożu był wykorzystywany przez mikroorganizmy do kumulacji PHA w fazie regeneracji osadu. Warunki biosyntezy sprzyjały powstawaniu także innych biopolimerów, co obniżyło skuteczność odzyskiwania PHA z biomasy, pomimo obecności granulek PHA w komórkach bakterii w ilości 10÷19%. Sposób pozyskania polimeru metodą ekstrakcji chloroformem z późniejszym wytrącaniem w n-heksanie okazał się nieskuteczny. Wysoki stosunek węgla do azotu w podłożu stymulował rozwój mikroorganizmów nitkowatych i wytwarzających śluz. Spowodowało to zwiększenie lepkości i gęstości hodowli, trudności podczas sedymentacji biomasy i utrudnioną penetrację rozpuszczalnika w głąb komórek. Zastosowana metoda biosyntezy i odzysku PHA okazała się natomiast w pełni skuteczna w przypadku czystej hodowli szczepu Cupriavidus necator NCIMB 10442 – uzyskano 49% stopień odzyskania biopolimeru w przeliczeniu na zawartość suchej masy komórek.

EN

Factors limiting polyhydroxyalkanoates (PHA) recovery from activated sludge were examined. The biosynthesis of the polymer was carried out for 3 months in 7-day cycles in a laboratory reactor inoculated with activated sludge from municipal wastewater treatment plant. The reactor was continuously aerated and PHA synthesis was stimulated by nitrogen limitation in the medium. PHA recovery at the end of each cycle was performed by biomass centrifugation, extraction of the biopolymer with chloroform and its precipitation with n-hexane. Excess organic carbon in the medium was utilized by microorganisms to accumulate PHA during sludge regeneration phase. Parameters of the biosynthesis were conducive to production of other biopolymers, which lowered efficacy of PHA recovery from biomass, despite presence of PHA granules in the bacterial cells in the amount of 10–19% (dry weight). The PHA recovery by extraction with chloroform and subsequent precipitation of biopolymer with n-hexane was inefficient. High carbon to nitrogen ratio in the medium stimulated growth of filamentous and slime-forming microorganisms. It resulted in the increased viscosity and density of the culture, difficulties during biomass separation and limited chloroform penetration into bacterial cells. However, the method of PHA biosynthesis and recovery proved efficient for the pure culture of Cupriavidus necator NCIMB 10442 (49% PHA per dry weight of cells).

Słowa kluczowe

PL

PHA; osad czynny; polihydroksykwasy; miejska oczyszczalnia ścieków

EN

PHA; activated sludge; wastewater treatment plant

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 35, nr 1
• Strony: 19--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., wykr.

Twórcy

autor

Muszyński A.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska, Zakład Biologii, ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warszawa

autor

Łebkowska M.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska, Zakład Biologii, ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warszawa

autor

Kaczmarska J.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska, Zakład Biologii, ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warszawa

autor

Walętrzak G.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska, Zakład Biologii, ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warszawa

Bibliografia

• 1. M. REIS, L. SERAFIM, P. LEMOS, A. RAMOS, F. AGUIAR, M. VAN LOOSDRECHT: Production of polyhydroxyalkanoates by mixed microbial cultures. Bioprocess and Biosystems Engineering 2003, Vol. 25, pp. 377–385.
• 2. S. MUDLIAR, A. VAIDYA, M. SURESH KUMAR, S. DAHIKAR, T. CHAKRABARTI: Techno-economic evaluation of PHB production from activated sludge. Clean Technologies and Environmental Policy 2008, Vol. 10, pp. 255–262.
• 3. M. CHOI, S. YOON: Polyester biosynthesis characteristics of Pseudomonas citronellolis grown on various carbon sources, including 3-methyl-branched substrates. Applied and Environmental Microbiology 1994, Vol. 60, pp. 3245–3254.
• 4. T. POKÓJ, E. KLIMIUK, M. KUCZAJOWSKA-ZADROŻNA: Gromadzenie polihydroksykwasów (PHA) w osadzie czynnym w warunkach limitowanego stężenia azotu. Cz. I. Wpływ parametrów technologicznych na gromadzenie kwasu poli-3-hydroksymasłowego (P3(HB)). Biotechnologia 2005, vol. 71, ss. 197–213.
• 5. R.J. SEVIOUR, P.H. NIELSEN: Microbial Ecology of Activated Sludge. IWA Publishing, London 2010.
• 6. T. SŁOMCZYŃSKI, A. MUSZYŃSKI: Biologia środowiska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010.
• 7. A. KHARDENAVIS, P.K. GUHA, M. SURESH KUMAR, S.N. MUDLIAR, T. CHAKRABARTI: Activated sludge is a potential source for production of biodegradable plastics from wastewater. Environmental Technology 2005, Vol. 26, pp. 545–552.
• 8. Q. WEN, Z. CHEN, T. TIAN, W. CHEN: Effects of phosphorus and nitrogen limitation on PHA production in activated sludge. Journal of Environmental Sciences 2010, Vol. 22, pp. 1602–1607.
• 9. M. SURESH KUMAR, S. MUDLIAR, K. REDDY, T. CHAKRABARTI: Production of biodegradable plastics from activated sludge generated from a food processing industrial wastewater treatment plant. Bioresource Technology 2004, Vol. 95, pp. 327–330.
• 10. A. KHARDENAVIS, M. SURESH KUMAR, S. MUDLIAR, T. CHAKRABARTI: Biotechnological conversion of agro-industrial wastewaters into biodegradable plastic, poly β-hydroxybutyrate. Bioresource Technology 2007, Vol. 98, pp. 3579–3584.
• 11. Z. LIU, Y. WANG, N. HE, J. HUANG, K. ZHU, W. SHAO, H. WANG, W. YUAN, Q. LI: Optimization of polyhydroxybutyrate (PHB) production by excess activated sludge and microbial community analysis. Journal of Hazardous Materials 2011, Vol. 185, pp. 8–16.
• 12. A. CHUA, H. TAKABATAKE, H. SATOH, T. MINO: Production of polyhydroxyalkanoates (PHA) by activated sludge treating municipal wastewater: Effect of pH, sludge retention time (SRT) and acetate concentration in influent. Water Research 2003, Vol. 37, pp. 3602–3611.
• 13. K. JOHNSON, Y. JIANG, R. KLEEREBEZEM, G. MUYZER, M. VAN LOOSDRECHT: Enrichment of a mixed bacterial culture with a high polyhydroxyalkanoate storage capacity. Biomacromolecules 2009, Vol. 10, pp. 670–676.
• 14. K. MAHAPATRA, M. SURESH KUMAR, A.N. VAIDYA, T. CHAKRABARTI: Production and recovery process of polyhydroxybutyrate (PHB) from waste activated sludge. Journal of Environmental Science and Engineering 2007, Vol. 49, pp. 164–169.
• 15. J. RAMSAY, E. BERGER, B. RAMSAY, C. CHAVARIE: Recovery of poly-3-hydroxyalkanoic acid granules by a surfactant-hypochlorite treatment. Biotechnology Techniques 1990, Vol. 4, pp. 221–226.
• 16. S. HAHN, Y. CHANG, B. KIM, H. CHANG: Optimization of microbial poly(3-hydroxybutyrate) recovery using dispersions of sodium hypochlorite solution and chloroform. Biotechnology and Bioengineering 1994, Vol. 44, pp. 256–261.
• 17. I. TAMER, M. MOO-YOUNG, Y. CHISTI: Optimization of poly(β-hydroxybutyric acid) recovery from Alcaligenes latus: Combined mechanical and chemical treatments. Bioprocess Engineering 1998, Vol. 19, pp. 459–468.
• 18. I. TAMER, M. MOO-YOUNG: Disruption of alcaligenes latus for recovery of poly(β-hydroxybutyric acid): Comparison of high-pressure homogenization, bead milling and chemically induced lysis. Industrial & Engineering Chemistry Research 1998, Vol. 37, pp. 1807–1814.
• 19. S.T.L. HARRISON, H.A. CHASE, J.S. DENNIS: The lysis of Gram-negative Alcaligenes eutrophus by enzymes from Cytophaga. Biotechnology Techniques 1991, Vol. 5, pp. 115–120.