Separation and purification of microbial bioplastics

Abstract

Os polihidroxialcanoatos são poliésteres biodegradáveis produzidos por inúmeros organismos. Possuem características muito semelhantes às dos plásticos, apresentando-se como um possível substituto dos mesmos. Os PHAs são produzidos na forma de corpos de inclusão, sendo necessária a sua extração. Os surfactantes são compostos tensioativos capazes de extrair os PHAs, através da sua incorporação, e consequente saturação, nas membranas bacterianas, auxiliando na sua lise. Neste trabalho começou-se por testar a eficácia de uma variedade de surfactantes, e alguns líquidos iónicos, na extração de PHA de culturas mistas. O Tween 20 destacou-se dos restantes visto praticamente não apresentar acumulação de surfactante na amostra de PHA, tendo igualmente sido responsável pelo isolamento e análise do mesmo, de forma eficiente. Com este composto realizaram-se testes onde se variaram a quantidade de biomassa, a concentração de surfactante e o tempo de digestão. Quanto às concentrações de surfactante utilizadas, 50mM, 150mM, 250mM, 400mM e 500mM, os melhores rendimentos de extração (56-61%) foram conseguidos com menores concentrações de surfactante (50mM e 150mM). Com os tempos de digestão (2h, 4h, 6h, 8h e 14h) e com a quantidade de biomassa (0.3g e 0.8g), verificou-se que com quantidades e tempos mais reduzidos (4h e 0.3g) foi possível obter melhores ou semelhantes resultados aos obtidos com valores superiores de tempo e biomassa. O clorofórmio foi substituído pelo dimetil carbonato no passo de purificação, reduzindo bastante a toxicidade do processo. Foi também elaborada uma extração utilizando apenas digestão com surfactante, sem purificação, atingindo-se um rendimento de 16.17%. Para além dos semelhantes resultados obtidos neste trabalho, um novo processo foi testado e redesenhado para a extração de PHAs em culturas mistas, verificando-se até aqui uma redução dos custos e da toxidade do processo, com a possibilidade de remover totalmente o passo de solubilização do polímero num solvente orgânico.

Polyhydroxyalkanoates (PHA) are biodegradable polyesters produced by a variety of organisms. Their characteristics are very similar to those found on plastics, making them a viable replacement for this important product. Inside cells, PHA are produced under the form of inclusion bodies, and its extraction is required. Surfactants are compounds able to carry out PHA extraction by incorporating, and consequently saturating, the bacterial membrane, facilitating the lysis process. In this thesis, we begun by testing the extraction efficiency of a screening of surfactants, and some ionic liquids, on mixed cultures. Tween 20 stood out from the rest, as the PHA biofilm obtained was free from any surfactant and was possible to isolate and analyse the polymer efficiently. Using Tween 20 as extractive agent, more tests were carried out, where the amount of biomass, concentration of surfactant, and time of digestion were studied. As for the surfactant concentrations 50mM, 150mM, 250mM, 400mM e 500Mm, better extraction yields (56-61%) were achieved with lower concentrations (50mM and 150mM). As for digestion times (2h, 4h, 6h, 8h and 14h) and biomass quantity (0.3g and 0.8g), it was verified that with lower values and times (4h and 0.3g), results obtained were very similar, or better, than those obtained with overnight digestion and 0.8g of biomass. Chloroform was replaced by dimethyl carbonate, greatly reducing the process toxicity in the purification step. An extraction using solely surfactant digestion, without a purification step, was also performed, achieving an extraction yield of 16.17%. In addition to the similar yields obtained in this work, a new process was tested, and later redesigned, for PHA extraction in mixed cultures, with a reduction of costs and toxicity of the process, and with the future possibility of completely removing the step based on the solubilization and isolation of the polymer in an organic solvent.