Producció de polihidroxibutirat (PHB) i glucogen mitjançant cianobacteris: optimització de les condicions de cultiu

Abstract

Plastics are very advantageous compounds as synthetic polymers, as their structure can be chemically manipulated and mould into almost any desired shape. In the recent years, the public concern about the harmful effects of plastic and petrochemical products on the environment has increased. Therefore, sustainable alternatives such as the production of biodegradable plastics and biofuels, are being investigated. Polyhydroxybutyrates (PHB) are polymers with similar properties to polypropylene, used to produce bioplastic. On another hand, glycogen is a polymer suitable for bioethanol production. Both compounds are produced by cyanobacteria and other microorganisms. Cyanobacteria have the advantage of being able to accumulate these metabolites using only carbon dioxide (CO2) and solar energy. To carry out this study, bibliographic research has been performed related to the mechanisms of glycogen and PHB production in cyanobacteria and of the metabolic processes involved in these. The main objectives of this work have been the optimization of the culture conditions through a kinetic model, in order to maximize the production of PHB and the study of the effect on the production of PHB and glycogen of the culture conditions determined with the kinetic model. Using a kinetic model, the optimal culture condition has been found at an initial concentration of nitrogen (N) and phosphorus (P) of 26,11 mg N·L-1 and 5,67 mg P·L-1 where the PHB content at the end of the experiment should be 9,25% dry cell weight (dcw). The experimental results have given maximum glycogen concentrations between 18,28% dcw and 35,85% dcw. We were not able to perform the PHB quantification, it could not be performed due to lack of time and technical problems with the chromatograph. Despite this, the results have concluded that the N limitation has a positive effect on the accumulation of glycogen. Finally, the experimental data variability has made that the fit of the kinetic model can’t be evaluated precisely, for that carrying out more replicates of these experiments will allow us to achieve a model that more accurately describes more accurately the production of PHB and glycogen in cyanobacteria. Even so, the results suggest that the kinetic model describes correctly the growth and the nutrient uptake in Synechocystis sp.

Los plásticos son compuestos muy ventajosos como polímeros sintéticos, ya que pueden ser manipulados químicamente y modelados casi en cualquier forma que sea deseada. Durante estos últimos años ha aumentado la preocupación publica sobre el efecto nocivo de los plásticos y sus derivados petroquímicos en el medio ambiente. Es por eso que se han comenzado a buscar alternativas sostenibles, como la producción de plásticos biodegradables y biocombustibles. Los polihidroxibutiratos (PHB) son polímeros con propiedades similares al polipropileno, utilizados para producir bioplásticos. El glucógeno es un polímero apto para producir bioetanol. Los dos compuestos son producidos por cianobacterias y otros microorganismos. Las cianobacterias tienen la ventaja de poder acumular estos metabolitos únicamente utilizando dióxido de carbono (CO2) y energía solar. Para llevar a cabo este estudio se ha realizado una búsqueda bibliográfica sobre los mecanismos de producción de glucógeno y PHB en cianobacterias y de los procesos metabólicos que intervienen en estos. Los principales objetivos de trabajo ha estado la optimización de las condiciones de cultivo mediante el uso de un modelo cinético, con tal de maximizar la producción de PHB y estudiar el efecto de las condiciones de cultivo, encontradas en el objetivo anterior, en la producción de PHB y glucógeno. Mediante el modelo cinético se ha conseguido encontrar unas condiciones óptimas de cultivo a una concentración de nutrientes iniciales de nitrógeno (N) i fósforo (P) de 26,11 mg N·L-1 i 5,67 mg P·L-1 donde el contenido de PHB al final del experimento habría de ser del 9,25% peso celular seco (dcw). Los resultados experimentales han permitido obtener unas concentraciones máximas de glucógeno de entre 18,28% dcw i 35,85% dcw. La cuantificación de PHB no se ha podido realizar. Pese a esto, los resultados han permitido concluir que la limitación de N tiene un efecto positivo en la acumulación de glucógeno. Finalmente, a consecuencia de la variabilidad de los resultados no se ha podido evaluar de manera concluyente el ajuste del modelo, es por ese motivo que se deberían realizar más réplicas de los experimentos, ja que permitirán conseguir un modelo que describa con mayor exactitud la producción de PHB i glucógeno en cianobacterias. No obstante, los resultados sugieren que el modelo cinético describe forma correcta el crecimiento y el consumo de nutrientes en Synechocystis sp.

Els plàstics són compostos molt avantatjosos com a polímers sintètics, ja que poden ser manipulats químicament i modelats gairebé en qualsevol forma desitjada. Durant aquests últims anys ha augmentat la preocupació pública sobre l'efecte nociu del plàstic i derivats petroquímics en el medi ambient. És per això que s'han començat a buscar alternatives sostenibles com la producció de plàstics biodegradables. Els polihidroxibutirats (PHB) són polímers amb propietats similars al polipropilè, utilitzats per a produir bioplàstic. El glucogen és polímer apte per a produir bioetanol. Ambdós són produïts per cianobacteris i altres microorganismes. Els cianobacteris tenen l'avantatge de poder sintetitzar i posteriorment acumular aquests metabòlits únicament utilitzant diòxid de carboni (CO2) i energia solar. Per dur a terme l'estudi s'ha realitzat una recerca bibliogràfica dels mecanismes de producció de glucogen i PHB en cianobacteris i dels processos metabòlics que intervenen en aquests. Els principals objectius del treball han estat l'optimització de les condicions de cultiu mitjançant l'ús model cinètic, per tal de maximitzar la producció de PHB i estudiar l'efecte de les condicions de cultiu trobades en el model en la producció de PHB i glucogen. Mitjançant el model cinètic s'ha aconseguit trobar unes condicions òptimes de cultiu a una concentració de nutrients inicials de nitrogen (N) i fòsfor (P) de 26,11 mg N·L-1 i 5,67 mg P·L-1 on el contingut de PHB al final de l'experiment hauria de ser del 9,25 % pes cel·lular sec (dcw). Els resultats experimentals han permès obtenir unes concentracions màximes de glucogen d'entre 18,28% dcw i 35,85% dcw. La quantificació de PHB no s'ha pogut realitzar. Malgrat això, els resultats han permès concloure que la limitació de N té un efecte positiu en l'acumulació de glucogen. Finalment, com a conseqüència de la variabilitat dels resultats no s'ha pogut avaluar de manera concloent l'ajust del model, és per aquest motiu que s'haurien de realitzar més rèpliques de l'experiment, ja que permetrà aconseguir un model que descrigui amb més exactitud la producció de PHB i glucogen en cianobacteris. Malgrat això, els resultats suggereixen que el model cinètic descriu de forma correcte el creixement i el consum de nutrients en Synechocystis sp