Production of poly(3-hydroxybutyrate) using post-consumer biobased packaging materials

Abstract

During the last decades, the massive production of plastics has caused a major environmental problem worldwide. Their deposition is one of the biggest problems, as due to their structure and origin, their degradation in the environment can’t be achieved. The threat of depleting fossil fuels and the increasing environmental awareness of the public has turned the market to “greener” alternatives derived from renewable energy sources. Biobased materials have gained a great research interest due to their biodegradable properties, thus they can be produced from renewable resources. Bioplastics such as PLA and PHAs have gained a high interest, as their chemical and thermal properties are similar to propylene, thus their abiotic degradation is an important property in plastic waste management. The circular and sustainable production of biopolymers necessitates the development of efficient chemical and biological recycling of post-consumer bioplastics. In this study various synthetic organic acids derived from the degradation of biopolymers, such as PLA, PHB and PBS, were used as carbon source in shake flasks and bioreactor fermentation. The bacterial strains Paraburkholderia sacchari DSM 17165 and Cupriavidus necator DSM 428 (Η16) were evaluated, regarding their ability to consume these organic acids and to produce new PHB. More specifically, the organic acids evaluated were: (1) lactic acid (LA), derived after the degradation of PLA; (2) succinic acid, derived after the degradation of PBS; (3) acetic acid, containing into cellulose acetate and (4) 3-hydroxybutiric acid (3HB) and crotonic acid (CA), derived after the degradation of PHB. The organic acids were tested alone and as a mixture. Furthermore, hydrolysates produced after the hydrothermal degradation of PLA and the alkaline degradation of PHB, were also used as carbon source in shake flasks and bioreactor fermentations. In shake flasks fermentations using the bacterial strain Paraburkholderia sacchari DSM 17165, the highest PHB accumulation (71%) was achieved when 20 g/L of lactic acid was used as carbon source, following by the mixture of lactic acid:3 hydoxybutiric acid (68%) and the 3-hydroxybutiric (62%). The efficiency of the fermentations conducted in shake flasks using the bacterial strain Cupriavidus necator DSM 428 (H16) was low in all cases. Further studies should be conducted, with different compositions of fermentation mediums, regarding the ability of C. necator to consume the various organic acids and accumulate PHB. Fed- batch bioreactor fermentation using PLA hydrolysate as carbon source with the bacterial strain P. sacchari, resulted in 27.7 g/L total dry weight (TDW) with a PHB content of 71.63% and a yield of 0.25 g/g. A mixture of PLA and PHB hydrolysate was also used as carbon source in fed-batch bioreactor fermentation with the bacterial strain C. necator H16 and a TDW of 9.8 g/L with a PHB content of 38% was achieved. The yield of the fermentations was 0.25%.

Τις τελευταίες δεκαετίες, η μαζική παραγωγή πλαστικών έχει προκαλέσει μείζον περιβαλλοντικό πρόβλημα παγκοσμίως. Η εναπόθεσή τους αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα, καθώς λόγω της δομής και της προέλευσής τους, η αποικοδόμησή τους στο περιβάλλον δεν μπορεί να επιτευχθεί. O κίνδυνος εξάντλησης των ορυκτών καυσίμων και η αυξανόμενη περιβαλλοντική ευαισθητοποίηση του κοινού έχουν στρέψει την αγορά σε "πιο πράσινες" εναλλακτικές λύσεις που προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Τα βιολογικά υλικά έχουν αποκτήσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των βιοδιασπώμενων ιδιοτήτων τους, επομένως μπορούν να παραχθούν από ανανεώσιμες πηγές. Τα βιοπλαστικά όπως το PLA και τα PHAs έχουν αποκτήσει μεγάλο ενδιαφέρον, καθώς οι χημικές και θερμικές τους ιδιότητες είναι παρόμοιες με του προπυλενίου, επομένως η αβιοτική τους αποικοδόμηση αποτελεί σημαντική ιδιότητα στη διαχείριση πλαστικών αποβλήτων. Η κυκλική και βιώσιμη παραγωγή βιοπολυμερών απαιτεί την ανάπτυξη αποτελεσματικής χημικής και βιολογικής ανακύκλωσης των βιοπλαστικών μετά την κατανάλωση. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκαν διάφορα συνθετικά οργανικά οξέα που προέρχονται από την αποικοδόμηση βιοπολυμερών, όπως PLA, PHB και PBS, ως πηγή άνθρακα σε κωνικές φιάλες και ζυμώσεις σε βιοαντιδραστήρα. Τα βακτηριακά στελέχη Paraburkholderia sacchari DSM 17165 και Cupriavidus necator DSM 428 (Η16) αξιολογήθηκαν, όσον αφορά την ικανότητά τους να καταναλώνουν αυτά τα οργανικά οξέα και να παράγουν εκ νέου PHB. Πιο συγκεκριμένα, τα οργανικά οξέα που αξιολογήθηκαν ήταν: (1) γαλακτικό οξύ (LA), που προέρχεται μετά την αποικοδόμηση του PLA, (2) ηλεκτρικό οξύ, που προέρχεται μετά την αποικοδόμηση του PBS, (3)

οξικό οξύ, το οποίο περιέχεται στην οξική κυτταρίνη και (4) 3-υδροξυβουτυρικό οξύ (3HB) και κροτονικό οξύ (CA), που προέρχονται μετά την αποικοδόμηση του PHB. Τα οργανικά οξέα δοκιμάστηκαν μόνα τους, αλλά και ως μείγμα. Επιπλέον, τα υδρολύματα που παράγονται μετά την υδροθερμική αποικοδόμηση του PLA και την αλκαλική αποικοδόμηση του PHB, χρησιμοποιήθηκαν επίσης ως πηγή άνθρακα σε κωνικές φιάλες και ζυμώσεις σε βιοαντιδραστήρες. Πραγματοποιήθηκαν ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με τη χρήση του βακτηριακού στελέχους Paraburkholderia sacchari DSM 17165 και η υψηλότερη συσσώρευση PHB (71%) επιτεύχθηκε όταν χρησιμοποιήθηκαν 20 g/L γαλακτικού οξέος ως πηγή άνθρακα, ακολουθούμενη από το μείγμα γαλακτικού οξέος:3-υδοξυβουτυρικό οξύ (68%) και του 3-υδροξυβουτυρικού οξέος (62%). Η απόδοση των ζυμώσεων που πραγματοποιήθηκαν σε κωνικές φιάλες με τη χρήση του βακτηριακού στελέχους Cupriavidus necator DSM 428 (H16) ήταν χαμηλή σε όλες τις περιπτώσεις. Θα πρέπει να διεξαχθούν περαιτέρω μελέτες, με διαφορετικές συνθέσεις μέσων ζύμωσης, με σκοπό να μελετηθεί η ικανότητα του C. necator να καταναλώνει τα διάφορα οργανικά οξέα και να συσσωρεύει PHB. Ημι- συνεχής ζύμωση σε βιοαντιδραστήρα με χρήση υδρολύματος PLA ως πηγή άνθρακα με το βακτηριακό στέλεχος P. sacchari, οδήγησε σε 27,7 g/L ολικού ξηρού βάρους (TDW) με περιεκτικότητα σε PHB 71,63% και απόδοση 0,25 g/g. Τέλος, μείγμα υδρολύματος PLA και PHB χρησιμοποιήθηκε ως πηγή άνθρακα σε ημι-συνεχής ζύμωση σε βιοαντιδραστήρα με το βακτηριακό στέλεχος C. necator H16 και επιτεύχθηκε TDW 9,8 g/L με περιεκτικότητα σε PHB 38%. Η απόδοση της ζύμωσης ήταν 0,25%.