Chemical degradation of poly(3-hydroxybutyrate) for efficient biopolymers recirculation

Abstract

Plastics have become an omnipresent part of modern life with their mass production increasing continuously. However, their environmental impact has become extremely alarming during the last years. Plastic pollution is pervasive, with waste management lacking, and plastic waste accumulating in landfills, oceans, and ecosystems globally. These non-biodegradable materials take hundreds of years to decompose, releasing harmful chemicals, and posing a significant threat to the environment, wildlife, and even human health. Thus, the urgent need for the development and adopting of alternative biodegradable materials has never been clearer. Taking those into account, researchers have directed their attention towards sustainable development, by producing environmentally friendly products such as bioplastics, derived from renewable sources. In the present study, the alkaline degradation of a promising biopolymer, named poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), was initially investigated. The produced hydrolysate after the alkaline degradation of PHB was used as carbon source in shake flasks fermentations, using the bacterial strain Parabulkhorderia sacchari (DSM 17165), in order to evaluate the ability of the bacteria to consume efficiently the carbon source and accumulate PHB. Different specimens of PHB (PHB powder, solvent-casted PHB film, compounded PHB pellet and extrusion molded PHB-based cup) and different concentrations of alkaline solutions (NaOH and NH4OH solutions) were used for this purpose. NaOH solutions in concentrations higher than 0.5M can totally degrade PHB, producing the monomers 3-hydroxybutiric acid (3HB) and crotonic acid (CA), with the ratio CA:3HB being 0.52-0.65. PHB can also be degraded successfully by using NH4OH solutions in concentrations of 1M, 2M and 4M, but the produced hydrolysate contains one more monomer in addition to 3HB and CA, that is going to be determined in future work. The hydrolysate produced after the alkaline degradation of PHB using 0.6 M NaOH solution, was consequently used as a carbon source for batch and fed-batch fermentations for circular PHB production from P. sacchari (DSM 17165). Batch fermentation resulted in 3 g/L total dry weight (TDW) and 50% PHB accumulation with 0.168 g/g yield, while the fed-batch fermentation led to 2.4 g/L TDW, with 75% PHB content and a yield of 0.136 g/g.

Τα πλαστικά αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της σύγχρονης κοινωνίας, με την μαζική παραγωγή τους να αυξάνεται συνεχώς. Ωστόσο, o αντίκτυπός τους στο περιβάλλον τα τελευταία χρόνια αξιολογείται ως εξαιρετικά ανησυχητικός. Η ρύπανση των πλαστικών εξαπλώνεται διαρκώς, ενώ παράλληλα υπάρχει έλλειψη διαχείρισης των αποβλήτων, με αποτέλεσμα τα απόβλητα να συσσωρεύονται σε χωματερές, ωκεανούς και οικοσυστήματα, παγκοσμίως. Αυτά τα μη διασπώμενα υλικά απαιτούν χρόνια έως και αιώνες για την αποικοδόμησή τους, απελευθερώνοντας επιβλαβή χημικά, και αποτελώντας έτσι έναν σημαντικό κίνδυνο για το περιβάλλον, την άγρια πανίδα καθώς και την ανθρώπινη υγεία. Όπως είναι φανερό, η ανάγκη για την άμεση ανάπτυξη και υιοθέτηση εναλλακτικών βιοαποικοδομήσιμων υλικών είναι πιο μεγάλη από ποτέ. Έχοντας υπόψιν τα παραπάνω, τα βλέμματα της επιστήμης έχουν στραφεί στην βιώσιμη ανάπτυξη παράγοντας προϊόντα φιλικά προς το περιβάλλον, όπως τα βιοπλαστικά, τα οποία μπορούν να παραχθούν από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στην παρούσα μελέτη αρχικά έγινε διερεύνηση της χημικής αποικοδόμησης του πολύ-(3-υδροξυ-βουτυρικού) εστέρα (PHB), ένα πολλά υποσχόμενο βιοπολυμερές. Το παραγόμενο υδρόλυμα που προέκυψε από την αλκαλική αποικοδόμηση του PHB χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια ως πηγή άνθρακα για μικροβιακές ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες χρησιμοποιώντας το βακτηριακό στέλεχος Parabulkhorderia sacchari (DSM 17165). Ο μικροοργανισμός αυτός αξιολογήθηκε ως προς την ικανότητά του να καταναλώνει την συγκεκριμένη πηγή άνθρακα και να συσσωρεύει ενδοκυτταρικά το PHB. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές μορφές του PHB (PHB σε μορφή σκόνης, PHB φιλμ μετά από χύτευση με διαλύτη, πέλλετ PHB και κύπελλο με βάση το PHB μετά από εξώθηση) και διαφορετικές συγκεντρώσεις αλκαλικών διαλυμάτων (διαλύματα NaOH και NH4OH). Τα διαλύματα NaOH σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από 0.5Μ αποικοδόμησαν αποτελεσματικά το PHB στα μονομερή του, 3-υδροξυβουτυρικό οξύ (3HB) και κροτονικό οξύ (CA), με την αναλογία CA:3HB να κυμαίνεται από 0.52 έως 0.65. Αποτελεσματική αποικοδόμηση του PHB επιτεύχθηκε και στην περίπτωση των διαλυμάτων NH4OH σε συγκεντρώσεις 1Μ, 2Μ και 4Μ, με τη σύσταση του υδρολύματος να διαφέρει, εμφανίζοντας ένα ακόμη μονομερές πέραν του 3HB και του CA, το οποίο θα προσδιοριστεί στο μέλλον. Το παραγόμενο υδρόλυμα μετά την αποικοδόμηση με διάλυμα NaOH 0.6Μ χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια ως πηγή άνθρακα σε ασυνεχή (batch) και ημι-συνεχή (fed-batch) ζύμωση, για την κυκλική παραγωγή του PHB αξιοποιώντας τον μικροοργανισμό P. sacchari (DSM 17165). Στην περίπτωση της ασυνεχούς ζύμωσης η τιμή παραγωγής ξηρής βιομάζας που σημειώθηκε ήταν 3 g/L, με 50% συσσώρευση PHB και απόδοση 0.168 g/g. Η ημι-συνεχής ζύμωση είχε ως αποτέλεσμα 2.4 g/L ξηρής βιομάζας, 75% συσσώρευση PHB και 0.136 g/g απόδοση.