Production of bioplastics by Cupriavidus necator from wine industry waste

Abstract

The development of biodegradable plastic materials such as Polyhydroxyalkanoates (PHA) gained considerable interest due to the problems and harmful effects of plastic waste on the environment. PHA are bacterial polyesters and were described as one of the most promising sustainable alternatives to petroleumbased plastics. According to several studies, about 20–50% of the total production costs are attributed to the raw materials, and therefore, different types of organic residues have been evaluated as substrates for PHA production. In this work, waste from the wine industry, grape bagasse (GB) was tested for the production of PHA by Cupriavidus necator. Every year, 279 million hectolitres of wine are globally produced being about 6 million hectolitres provided in Portugal, therefore generating large amounts of waste. GB was collected after the transformation of white grapes for the production of commercial sparkling wines from Bairrada, Portugal. Two pretreatment methods were tested with GB: hydrothermal hydrolysis and acidic hydrolysis. Preliminary tests showed that the hydrolysate from hydrothermal hydrolysis (with about 13.12 g L-1 of sugars) allowed for the highest biomass concentration and the fastest growth of C. necator. To improve microbial growth and PHA production, different nitrogen sources were tested to assess their specific influence. The best nitrogen source for bacterial growth was urea, which resulted in a cell concentration of 6,369 g L-1 with 86% of poly-3-hydroxybutyrate, P(3HB). However, the nitrogen source that promoted the highest content in PHA was ammonia chloride with 89.17%. The polymer extracted from these assays was characterized. This work demonstrated for the first time the use of hydrolyzed GB for PHA production by C. necator.

Em resposta aos problemas e efeitos nocivos dos resíduos de plástico no ambiente, o desenvolvimento de materiais plásticos biodegradáveis, como os polihidroxialcanoatos (PHA), ganhou um interesse considerável. Os PHA são poliésteres de origem bacteriana e têm sido descritos como uma das alternativas sustentáveis mais promissoras aos plásticos à base de petróleo. De acordo com vários estudos, cerca de 20 a 50% dos custos totais de produção são atribuídos às matérias-primas, pelo que foram avaliados os resíduos da indústria vinícola, mais concretamente, o bagaço de uva (GB) como substratos para a produção de PHA por Cupriavidus necator. Os resíduos da indústria vitivinícola são uma potencial fonte de carbono natural, rica em açúcares que permitem o desenvolvimento de microrganismos. Todos os anos, são produzidos globalmente 279 milhões de hectolitros de vinho, sendo cerca de 6 milhões de hectolitros produzidos em Portugal, gerando assim grandes quantidades de resíduos. Neste trabalho, o GB foi recolhido após a transformação de uvas brancas para a produção de espumantes comerciais da Bairrada, Portugal. Foram testados dois métodos de pré-tratamento do GB: hidrólise hidrotérmica e hidrólise ácida, obtendo-se dois hidrolisados ricos em glucose e frutose. Nos ensaios preliminares verificou-se que o hidrolisado proveniente da hidrólise hidrotérmica (com cerca de 13.12 g L-1 de açúcares) foi o que permitiu o melhor crescimento de C. necator. Para melhorar o crescimento microbiano e a produção de PHA, foram testadas diferentes fontes de azoto para avaliar a sua influência específica. A fonte de azoto para a qual se verificou um maior crescimento bacteriano foi a ureia que resultou numa concentração celular de 6.369 g L-1 com 86% de poli-3-hidroxibutirato, P(3HB). O polímero extraído destes ensaios foi caracterizado. No entanto, a fonte de azoto que promoveu um maior conteúdo em PHA foi o cloreto de amónia com 89,17%. Este trabalho demonstrou pela primeira vez a utilização de hidrolisado bagaço de uva para a produção de PHA por C. necator.