Production of bioplastics from hydrolysates of paper industry by Haloferax mediterranei

Abstract

The biorefinery concept has attracted much attention over the last decade due to increasing concerns about the use of fossil resources. In this context emerged the use of bioplastics, namely polyhydroxyalkanoates (PHA). PHA are biocompatible and biodegradable plastics that can be obtained from renewable raw materials and can constitute an alternative solution to conventional plastics. In this work, hydrolysed cellulose pulp, coming from Eucalyptus globulus wood cooking, was used as substrate to the PHA-storing bacteria Haloferax mediterranei. The hydrolysed pulp is rich in simple sugars, mainly glucose (81.96 g.L-1) and xylose (20.90 g.L-1). Tests were made in defined medium with glucose and xylose and in hydrolysate supplemented with salts and yeast extract. Different concentrations of glucose were tested, namely 10, 15, 20, 30 and 40 g.L-1. The best accumulation results (27.1 % of PHA) were obtained in hydrolysate medium with 10 g.L-1. Using this concentration, assays were performed in fed-batch and sequencing batch reactor conditions in order to determine the best feeding strategy. The strategy that led to the best results was fed-batch assay with 24.7 % of PHA. An assay without sterile conditions was performed, in which was obtained the same growth than in sterilization test. Finally it was performed an assay in a bioreactor and a fast growth (0.14 h-1) with high glucose and xylose consumption rates (0.368 g.L-1.h-1 and 0.0947 g.L-1.h-1, respectively) were obtained. However 1.50 g.L-1 of PHA, corresponding to 16.1 % (92.52 % of 3HB and 3HV of 7.48 %) of % PHA were observed. The polymer was further characterized by DSC with a glass transition temperature of -6.07 °C, a melting temperature of 156.3 °C and a melting enthalpy of 63.07 J.g-1, values that are in accordance with the literature. This work recognizes for the first time the suitability of the pulp paper hydrolysate as a substrate for PHA production by H. mediterranei.

O conceito de biorrefinaria tem atraído muita atenção na última década devido ao aumento das preocupações ao nível do uso de combustíveis fósseis. Neste contexto emergiu o uso de bioplásticos, nomeadamente polihidroxialcanoatos (PHA). Os PHA são plásticos biodegradáveis e biocompatíveis que podem ser obtidos a partir de matérias-primas renováveis e podem constituir uma solução alternativa para os plásticos convencionais. Neste trabalho, o hidrolisado da pasta de papel, proveninte do cozimento da madeira de Eucalyptus globulus, foi usado como substrato para a bactéria Haloferax mediterranei produtora de PHA. O hidrolisado é rico em açúcares simples, principalmente glucose (81,96 g/L) e xilose (20,90 g/L). Realizaram-se vários ensaios em meio definido com glucose e xilose e em hidrolisado suplementado com sais e extracto de levedura. Testaram-se diferentes concentrações de glucose, nomeadamente, 10, 15, 20, 30 e 40 g/L. Os melhores resultados de acumulação (27,1 % of PHA) foram obtidos em meio hidrolisado com 10 g/L. Utilizando esta concentração, foram realizados ensaios em “fed-batch” e em “sequencing batch reactor”, de modo a determinar a melhor estratégia de alimentação de H. mediterranei. A estratégia que levou à obtenção dos melhores resultados foi o ensaio em fedbatch com 24,7 % de PHA. Foi também testado o processo sem condições estéreis, em que se obteve um crescimento idêntico ao ensaio com esterilização. Por fim, foi realizado um ensaio em biorreactor, onde se observou um rápido crescimento (0,14 h-1), com elevados consumos de glucose e xilose (0,368 g/(L.h) e 0,0947 g/(L.h), respectivamente). No entanto, foram obtidos 1,50 g/L de PHA, correspondendo a 16,1 % (92,52 % de 3HB e 3HV de 7,48 %) de % PHA. O polímero foi ainda caracterizado por DSC tendose obtido uma temperatura de transição vítrea de -6,07 ºC, uma temperatura de fusão de 156,3 ºC e uma entalpia de fusão de 63,07 J/g, valores que estão de acordo com a literatura. Neste trabalho foi verificada pela primeira vez a adequação do hidrolisado da pasta de papel como meio para produção de PHA por H. mediterranei.