Estudi de l'efecte i optimització de les condicions de cultiu en l'acumulació de polihidroxibutirat (PHB) i glucogen mitjançant cianobacteris

Abstract

Plastics are very advantageous synthetic compounds for their ease of chemical handling and easy molding, apart from all the uses and advantages that they have over other materials. In recent years, public concern about waste management and the harmful effect that petrochemical plastics have on the environment has increased due to its difficulty in natural degradation. That is why the search for sustainable alternatives for the production of plastics has begun. One such alternative is bioplastics or biodegradable plastics. One such bioplastic is polyhydroxybutyrate (PHB). These are synthesized by cyanobacteria that accumulate them naturally as a bioenergetic reserve. In addition, cyanobacteria are used as a natural biorefinery as they are able to accumulate these metabolites and others such as glycogen, using only solar energy and carbon dioxide (CO2). Glycogen is a polymer that is suitable for the production of bioethanol. This Final Degree Project presents a project on the mechanisms of PHB and glycogen production in cyanobacteria and their different culture systems. The main objective was to study the effect of the culture conditions of two species of cyanobacteria for the production of PHB and glycogen through experimental trials. It attempts to optimize, by means of experimental design and a mathematical study, the conditions of cultivation, and finally shows a comparative study between the crops of the two species in question. The species studied were Synechocystis sp. and Synechococcus sp. Using JMP software, optimal culture conditions have been obtained for each species and to maximize the production of each of the metabolites. Maximum values for PHB production of 6.81% have been obtained for the species Synechocystis sp. and a glycogen production of 36.68% for Synechococcus sp. they have been 8.9% for PHB and 46.36% for glycogen. Finally, a mathematical model has been generated for future predictions of optimal crop conditions and variables. This study is a first step towards the optimization, scaling and industrialization of the process.

Los plásticos son compuestos sintéticos muy ventajosos por su facilidad de manipulación química y fácil moldeado, aparte de todos los usos y ventajas que tienen estos sobre otros materiales. En los últimos años la preocupación pública por la gestión de residuos y el efecto nocivo que tienen los plásticos petroquímicos sobre el medio ambiente ha ido en aumento por su dificultad de degradación natural. Es por ello que se ha empezado a buscar alternativas sostenibles para la producción de plásticos. Una de estas alternativas son los bioplásticos o plásticos biodegradables. Uno de estos bioplásticos son los polihidroxibutirats (PHB). Estos son sintetizados por cianobacterias que los acumulan de forma natural como reserva bioenergética. Además, las cianobacterias utilizan como biorefinería natural ya que son capaces de acumular estos metabolitos y otros como es glucógeno, utilizando únicamente energía solar y dióxido de carbono (CO2). El glucógeno es un polímero que es apto para la producción de bioetanol. Este Trabajo de Fin de Grado presenta un proyecto sobre los mecanismos de producción de PHB y glucógeno en cianobacterias y los diferentes sistemas de cultivo de estos. El principal objetivo ha sido hacer un estudio sobre el efecto de las condiciones de cultivo de dos especies de cianobacterias para la producción de PHB y glucógeno mediante ensayos experimentales. Intenta optimizar, mediante el diseño experimental y un estudio matemático, las condiciones de cultivo, y finalmente muestra un estudio comparativo entre los cultivos de las dos especies en cuestión. Las especies estudiadas han sido Synechocystis sp. y Synechococcus sp. Mediante el software JMP se han obtenido unas condiciones óptimas de cultivo para cada especie y para maximizar la producción de cada uno de los metabolitos. Se han obtenido unos valores máximos para la producción de PHB del 6,81% para la especie Synechocystis sp. y una producción de glucógeno del 36,68% para Synechococcus sp. han sido del 8,9% para el PHB y del 46,36% para el glucógeno. Finalmente se ha generado un modelo matemático para futuras predicciones las condiciones y variables óptimas de cultivo. Este estudio es un primer paso hacia la optimización, escalado e industrialización del proceso.

Els plàstics són compostos sintètics molt avantatjosos per la seva facilitat de manipulació química i fàcil modelat, a part de tots els usos i avantatges que tenen aquests sobre altres materials. En els últims anys la preocupació publica per la gestió de residus i l'efecte nociu que tenen els plàstics petroquímics sobre el medi ambient ha anat en augment per la seva dificultat de degradació natural. Es per això que s'ha començat a buscar alternatives sostenibles per a la producció de plàstics. Una d'aquestes alternatives són els bioplàstics o plàstics biodegradables. Un d'aquests bioplàstics són els polihidroxibutirats (PHB). Aquests són sintetitzats per cianobacteris que els acumulen de forma natural com a reserva bioenergètica. A més, els cianobacteris s'utilitzen com a biorefineria natural ja que són capaços d'acumular aquets metabòlits i altres com és glucogen, utilitzant únicament energia solar i diòxid de carboni (CO2). El glucogen és un polímer que és apte per a la producció de bioetanol. Aquest Treball de Fi de Grau presenta un projecte sobre els mecanismes de producció de PHB i glucogen en cianobacteris i els diferents sistemes de cultiu d'aquests. El principal objectiu ha estat fer un estudi sobre l'efecte de les condicions de cultiu de dues espècies de cianobacteris per a la producció de PHB i glucogen mitjançant assajos experimentals. Intenta optimitzar, mitjançant el disseny experimental i un estudi matemàtic , les condicions de cultiu, i finalment mostra un estudi comparatiu entre els cultius de les dues espècies en qüestió. Les especies estudiades han estat Synechocystis sp. i Synechococcus sp. Mitjançant el programari JMP s'han obtingut unes condicions òptimes de cultiu per a cada espècie i per a maximitzar la producció de cada un dels metabòlits. S'han obtingut uns valors màxims per a la producció de PHB del 6,81 % per a l'espècie Synechocystis sp. i una producció de glucogen del 36,68 % per a Synechococcus sp. han estat del 8,9 % per al PHB i del 46,36 % per al glucogen. Finalment s'ha generat un model matemàtic per a futures prediccions les condicions i variables òptimes de cultiu. Aquest estudi es un primer pas cap a l'optimització, escalat i industrialització del procés.