Production de polyhydroxyalkanoate (PHA) en utilisant les eaux usées comme source de carbone et les boues activées comme source de micro-organismes.

Yan, Song (2007). Production de polyhydroxyalkanoate (PHA) en utilisant les eaux usées comme source de carbone et les boues activées comme source de micro-organismes. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 474 p.

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Résumé

L'utilisation généralisée des polyhydroxyalcanoates (PHA) est actuellement limitée par les coûts de production élevés de ces bioplastiques qui, pourtant ont beaucoup d’avantages par rapport aux matières plastiques conventionnelles. Des efforts importants ont été faits pour réduire les coûts de production. Ce document passe en revue une nouvelle approche impliquant l'emploi de boues activées comme sources de microorganismes et / ou des déchets comme substrats pour la production des PHAs. D'un point de vue économique, le coût du substrat (principalement la source de carbone) contribue de façon très significative à l'ensemble du prix d’obtention des PHAs. Il a été estimé à environ 40% du total des coûts de production. Durant la dernière décennie, une grande variété de substrats de carbone peu onéreux (par exemple, des sources renouvelables de carbone), telles que les eaux usées, les déchets municipaux, agricoles et industriels, des résidus ou des sous-produits, des substrats carbonés (déchets alimentaires ou produits) ont été testés pour la production de PHAs par des cultures pures en raison de leur faible prix et de leur potentiel. De cette façon, les déchets municipaux, industriels ou agricoles sont convertis en bioplastiques ayant une valeur élevée et durable. Dans ce sens, ce type de recyclage des déchets peut contribuer à résoudre le problème environnemental de leur gestion et simultanément aider à réduire le coût d’obtention des PHAs. Le processus de production de ces bioplastiques basé sur des cultures microbiennes mixtes est à l'étude comme une technologie réaliste pour diminuer les coûts , puisque la stérilisation n’est pas exigée et que les bactéries peuvent très bien s'adapter à la complexité des substrats présents dans les déchets; Le contenu en PHAs pouvant atteindre environ 70% du poids sec des cellules. Ce processus pourrait donc être très compétitif avec des cultures pures synthétisant des PHAs en plein développement. Ces approches ont l'avantage d'économiser les coûts de production des bioplastiques et de réduire le volume des déchets par extraction des boues activées pouvant stocker des PHAs.

There has been a considerable interest in the development of biodegradable plastics since last few decades due to the problem and harmful effects of conventional plastics on the environment. Poly(3-hydroxyalkanoate) (PHA), one of the biodegradable and biocompatible thermoplastics, has attracted considerable industrial attention. Current methods for PHA production at the industrial scale are mostly pure cultures requiring pure carbon sources and complex and costly processing procedures. Therefore, attempts have been made to develop more cost-effective processes. PHA production processes based on mixed microbial cultures (i.e. activated sludge) are being investigated as a possible technology to reduce production costs, since no sterilization is required and bacteria can adapt well to the complex substrates that may be present in waste material. This would allow the production of biodegradable plastics from renewable waste streams, with reduced costs on materials and processing. In most of the studies of PHA production by activated sludge, synthetic wastewaters were used to cultivate PHA producing sludge. In this study, the PHA production on the new approach involves the use of activated sludge from fullscale wastewater treatment plant as the microorganisms and wastewater as the substrate for the PHA production is investigated. Four types of activated sludge from different full-scale wastewater treatment plants (municipal, pulp and paper industry, starch manufacturing and cheese manufacturing wastewaters) showed the good potential to be used as the source of microorganisms to produce biodegradable plastics in shake flask experiments. Pulp and paper wastewater sludge was found to accumulate maximum concentration. Activated sludge from full-scale pulp and paper industry wastewater treatment plants was used as a source of microorganisms to produce PHA at 25oC, pH 7 and at different initial sludge suspended solids (SS) concentration (5, 10, 15 and 20 g/l) in computer controlled fermentors (15 L). Acetate was used as sole carbon source at varying concentration (5 to 20 g/l). Impact of feeding pattern on polyhydroxyalkanoates (PHA) production was investigated. Batch, fed-batch and continuous feed strategies were conducted. The maximum PHA content obtained was 60.9% (of sludge suspended solid-SS) with the sludge SS concentration of 15 g/l, acetic acid continuous feed under the C/N ratio of 144. While the pulp and paper wastewater used at the beginning of the experiment, with acetic acid continuous feed under the C/N ratio of 144, the maximum PHA content reached 54.9%. Six PHA accumulating bacterial strains were isolated from the pulp and paper sludge and their capabilities of the PHA production had been evaluated. The PHA amounts produced significantly varied among the six strains. The maximum PHA content of 35.45% was obtained by strain PHA-P5 even under uncontrolled conditions of pH and dissolved oxygen concentration. These sludge microorganisms were identified based on their 16S rDNA sequences and the PHA-P5 with the maximum PHA production was identified as Comamonas sp. Twelve PHA accumulating bacterial strains were isolated from the municipal sludge and the maximum PHA content of 27.5% was obtained by strain PHA-M3. These sludge microorganisms were also identified based on their 16S rDNA sequences and the PHAM3 with the maximum PHA production was identified as Citrobacter sp.. The results from this study showed the promising potential of wastewater and activated sludge for the PHA production, a new approach to a new value added product for the waste management.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Surampalli, Rao Y.
Mots-clés libres:	polyhydroxyalcanoates; boues activées; eaux usées; ordures ménagères; déchets industriels; déchets agricoles
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	26 févr. 2014 16:18
Dernière modification:	08 juin 2023 17:38
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/2081

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