Biotechnological valorization of olive mill wastewaters

Abstract

Mediterranean countries are known to have favorable conditions for olive oil production. The three-phase extraction technology demands the addition of hot water to the process, and olive oil, olive cake and olive mill wastewater (OMW) are produced. An approach for using this waste as a renewable resource is of greater interest. Accordingly, the present investigation aims the OMW valorization, by producing high-value compounds (lipase and methane) while degrading this waste. Thus, the research work presented in this thesis essentially describes a study about an integrated process, where the effluents are firstly submitted to a lipase producing aerobic fermentation, followed by an anaerobic degradation process, to produce methane. This work is of great interest, since Portugal is one of the world leading producers of olive oil, with crescent production values from campaign to campaign, in the last years. This work was started with a study about the major problem attributed to the olive mill wastewaters (OMW), the phenolic compounds toxicity. These experiments showed that the nonconventional yeasts Y. lipolytica, C. rugosa and C. cylindracea are able to grow in different phenolic compounds, usually found in OMW. This was later confirmed in bioreactor batch experiments with OMW-based media, where the studied yeasts, not only were capable of achieving similar cell growth, to glucose synthetic media, but also to highly consume the existing and analyzed phenolic compounds. The experiments on batch fermentations, with OMW-based media, were then performed in Erlenmeyer baffled flasks, in order to study the effect of ammonium, cell and surfactant addition as well as to investigate the use of different yeast strains; Candida rugosa (PYCC 3238 and CBS 2275), Candida cylindracea CBS 7869 and Yarrowia lipolytica (CBS 2073, W29 ATCC 20460 and IMUFRJ 50682); and different non-diluted OMW. C. cylindracea was the best strain concerning the effluent degradation. After preliminary tests, a study of optimal batch and fed-batch conditions was performed in bioreactor, using Candida rugosa CBS 2275, Candida cylindracea CBS 7869 and Yarrowia lipolytica W29 ATCC 20460. It was confirmed that C. cylindracea CBS 7869 was the best lipase-producing yeast (6 U mL-1). However, using a fed-batch strategy, with cell pre-growth directly on the bioreactor, C. rugosa CBS 2275 was the strain that obtained the best values of lipase (17 U mL-1); achieving at the same time, a significant effluent degradation (64 % of COD, 27% of phenolics and 77% of total lipids). Anaerobic biodegradability tests showed that the aerobic treatment had a positive effect on the anaerobic degradation of the OMW. Best results were achieved for the initial concentration of 5 g COD-treated OMW L-1, where 78% of the COD added was recovered as methane. Furthermore, when the COD degradation in the aerobic step was higher, even better results were possible to achieve, with a faster conversion of COD to methane. The obtained results demonstrates that the olive mill wastewaters (OMW) are becoming a competitive and valuable growth medium in fermentation processes and also the potential application of non-conventional lipolytic yeasts for OMW valorization, for biomass and enzymes production. This treatment was successful to detoxify the effluent, having a very positive effect in the anaerobic digestion. The utilization of this valorization process will possibly have a positive impact on the environmental problem of OMW management.

Os países que envolvem o Mediterrâneo são conhecidos pelas suas condições favoráveis para a produção de azeite. A tecnologia de extracção de azeite com o sistema em contínuo de 3 fases exige a adição de água quente ao processo, o que dá origem à produção de azeite, águas ruças (OMW) e bagaço. A utilização deste efluente (águas ruças) como um recurso renovável apresenta-se como uma abordagem de elevado interesse, a este problema. Deste modo, o presente trabalho de investigação tem como finalidade a valorização das águas ruças, com produção de produtos de elevado interesse industrial (lipase e metano) enquanto se diminui a carga poluente do resíduo. Assim, o trabalho de investigação apresentado nesta tese descreve essencialmente o estudo de um processo integrado, onde os efluentes são primeiramente submetidos a uma fermentação aeróbia com produção de lipase, à qual se segue um processo de degradação anaeróbia com produção de metano. Este trabalho é de elevado interesse, dado que Portugal está entre os líderes mundiais de produção de azeite, com crescentes valores de produção de campanha para campanha, nos últimos anos. Assim, este trabalho foi iniciado com um estudo focado no problema mais importante associado às águas ruças, a toxicidade dos compostos fenólicos. Estes ensaios mostraram que as leveduras não-convencionais Y. lipolytica, C. rugosa e C. cylindracea são capazes de crescer nos diferentes compostos fenólicos, que frequentemente constituem as águas ruças. Estes resultados foram mais tarde confirmados em bioreactor, onde as referidas leveduras não só foram capazes de crescer, tanto ou até melhor ao que crescem em meio de glucose, como também foram capazes de consumir uma parte considerável de cada composto fenólico, acompanhado ao longo das fermentações. Foram então iniciados os ensaios em descontínuo em matrazes utilizando meio de águas ruças, de modo a fazer um estudo preliminar sobre o efeito da adição de amónio, surfactante e a da concentração de células, bem como o efeito do uso de diferentes leveduras, nomeadamente Candida rugosa (PYCC 3238 e CBS 2275), Candida cylindracea CBS 7869 e Yarrowia lipolytica (CBS 2073, W29 ATCC 20460 e IMUFRJ 50682) e diferentes amostras de águas ruças não diluídas. Foram seleccionadas algumas condições e a C. cylindracea foi a melhor levedura no que diz respeito à degradação do efluente. Depois destes testes preliminares, estudos sobre as condições óptimas a utilizar em descontínuo e semicontínuo foram efectuados em bioreactor, utilizando Candida rugosa CBS 2275, Candida cylindracea CBS 7869 e Yarrowia lipolytica W29 ATCC 20460. Concluiu-se que a C. cylindracea CBS 7869 é a melhor produtora de lipase em fermentações em descontínuo (6 U mL-1), no entanto, utilizando o modo semi-contínuo, com pré-crescimento das células directamente no reactor a C. rugosa CBS 2275 surge como a melhor levedura produtora de lipase, com 17 U mL-1, e com óptimos valores de degradação do efluente (64 % de CQO, 27% de compostos fenólicos totais e 77% dos lípidos totais). Os testes de biodegradabilidade anaeróbia demonstraram que a etapa de tratamento aeróbio que o antecede tem um efeito positivo. Em ensaios posteriores, foram obtidos melhores resultados para a concentração inicial de 5 g L-1 CQO de águas ruças tratadas, com 78 % de conversão do CQO em metano. Mais, verificou-se que quanto melhor é a degradação de CQO na etapa aeróbia do processo integrado, melhores foram os resultados na etapa seguinte, com uma conversão de CQO em metano mais rápida. Os resultados obtidos demonstram que as águas ruças se estão a tornar num meio de crescimento competitivo e importante, mas também o potencial das leveduras lipolíticas não convencionais nos processos fermentativos, para a valorização de águas ruças, com produção de enzimas e biomassa. O sucesso destes processos, na posterior etapa de digestão anaeróbia teve um efeito bastante positivo. A utilização deste processo integrado de valorização de águas ruças poderá assim ter um impacto benéfico para a resolução do problema relacionado com a gestão ambiental das águas ruças.