Development of biorefineries using renewable raw materials for the production of biodegradable polymers
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Author
López García, Isabel
Director/es
Dorado, M.P.Publisher
Universidad de Córdoba, Servicio de PublicacionesDate
2012Subject
BiocombustiblesPlásticos biodegradables
Polihidroxialcanoatos
Industria agroalimentaria
Residuos
METS:
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La actual demanda mundial de petróleo de 12 millones de toneladas
de crudo diarias, para la producción de combustibles y productos químicos,
junto al incremento estimado para el año 2030 de 16 toneladas al día, y la
restringida disponibilidad geográfica de esta materia prima fósil, representa
una nueva era para la humanidad donde el acceso fácil al petróleo barato ha
dejado de ser una realidad.
Hoy en día el petróleo es la principal materia prima para la
producción de plásticos. Anualmente, 150 millones de toneladas de
plásticos derivados del petróleo (no biodegradables) están siendo
depositados, principalmente en vertederos, o incinerados. Además, unas 135
mil toneladas de plásticos son arrojadas anualmente al mar. La producción
de plásticos derivados del petróleo se verá dañada, no sólo por el
agotamiento de esta material prima, sino además, por las consecuencias
medioambientales que su eliminación genera.
La producción de plásticos biodegradables es la única solución
viable para el reemplazo de los petro-plásticos. El presente trabajo está
centrado en la utilización de residuos de las industrias agraria y
agroalimentaria, así como de cultivos no alimentarios, para la producción de
polihidroxialcanoatos (PHA), una familia de plásticos biodegradables que
son acumulados intracelularmente por numerosas bacterias. Los PHA tienen
un alto potencial para el reemplazo de los plásticos derivados del petróleo,
como son el poliestireno y polipropileno, pero es necesario profundizar en
las investigaciones para optimizar los procesos fermentativos necesarios
para su producción, así como su competitividad económica. Se hace
necesaria además la integración de unidades de producción de estos
biopolímeros en industrias actualmente existentes (como las plantas de
producción de biodiésel de primera generación) desarrollando así el
concepto de biorrefinería.
En el presente trabajo, la producción de PHA, a partir de tres
diferentes materias primas de origen renovable, fue investigada a escala de
laboratorio. Además se llevó a cabo la evaluación tecno-económica de la
producción industrial de PHA a partir de residuos de la industria
agroalimentaria y de cultivos agrícolas.
En el primer caso objeto de estudio, se investigó la producción de
polihidroxibutirato (PHB) empleando pataca (también denominada como
topinambur o alcachofa de jerusalem), un tubérculo rico en azúcares que
puede ser cultivado en tierras marginales. Se realizaron fermentaciones en
matraces Erlenmeyer, empleando la bacteria Cupriavidus necator DSM
4058 en un medio de cultivo originado a partir de hidrolizado de pataca,
demostrando que la producción de PHB es posible. Sin embargo, para
fermentaciones llevadas a cabo en bioreactor se hizo necesario suplementar
el medio de cultivo con nutrientes adicionales (e.g. hidrolizado de torta
proteica de semillas oleaginosas).
En el segundo caso de estudio se estudió el potencial para la
producción de polihidroxialkanoatos, incluyendo el copolímero P(3HB-co-
HV), con la bacteria C. necator DSM 545 y empleando hidrolizado de torta
de colza y glicerina (ambos residuos de la producción industrial de
biodiésel) como fuente de nutrientes y carbono respectivamente. El análisis
de las propiedades del PHA producido verifica el potencial para producir
copolímeros complejos a partir de hidrolizado de torta de colza.
Productos expirados y desechados por el mercado de alimentos para
bebés a base de harinas, así como corrientes de desecho de la misma
industria, fueron transformados en un medio de cultivo rico en nutrientes en
el tercer caso de estudio de este trabajo. Las macromoléculas contenidas en
estas materias primas (e.g. almidón, proteina) fueron hidrolizadas a través
de enzimas (e.g. amilasa, proteasa) producidas en un proceso de
fermentación en estado sólido con el hongo Aspergillus awamori. Estos
hidrolizados fueron probados como medio de cultivo para fermentaciones
en matraces Erlenmeyer y en bioreactor, para la producción de PHB. Con
este estudio se ha demostrado el potencial para la producción de
bioplásticos a partir de desechos harinosos de la industria agroalimentaria.
Finalmente, se llevó a cabo el diseño y la evaluación
tecnoeconómica de dos procesos industriales, basados en diferentes materias
primas, microorganismos y técnicas de separación, con el fin de
compararlos económicamente. Toda la información empleada en los
procesos de simulación fue tomada de bibliografía citada en rreconocido prestigio. Los esquemas de proceso evaluados emplean residuos
y subproductos de la industria agroalimentaria (e.g. suero de leche) y trigo,
como materias primas. The current world demand of 12 millions tons oil per day, for the
production of fuels and chemicals, together with the estimated increase of
16 tonnes per day for 2030 and the geographically restricted availability of
conventional oil, represent a new human era where cheap secure oil is no
more a reality.
Nowadays, petroleum is the main raw material for the production of
plastics. The annual capacity of approximately 150 million tons of
petroleum-derived plastics produced worldwide is currently disposed
mainly in landfills or it is incinerated. In addition, approximately 135
thousand tons of plastics are disposed to the sea on an annual basis.
Therefore, petroleum-derived plastic production will be eventually hindered
by the depletion of petroleum and the inevitable environmental pollution
that is caused by their disposal.
The production of biodegradable plastics is the only solution to the
replacement of petroleum-derived plastics. This work focuses on the
utilization of wastes from the agro- and food-industries, as well as non-food
crops, for the production of polyhydroxyalkanoates (PHAs), a family of
biodegradable plastics that are accumulated intracellulary by many bacteria.
PHAs have a high potencial for substitution of petroleum derived plastics,
such as polyestirene and polypropylene, but a large research on its
production is required to optimize fermentation processes and costcompetitiveness
and to implement this units in existing industries (such as
first generation biodiesel production plants) developing the concept of
biorefinery.
In the present work production of PHAs from three different
renewable sources was studied in a laboratory scale. A techno economic
evaluation of the industrial production of PHAs, from different waste
streams and industrial crops, was also perform.
In the first study, polyhydroxyalkanoate (PHB) was produce using
Jerusalem Artichoke (JA), a tubercule rich in sugars, that can be cultivated
in marginated lands. Shake flask fermentations, with Cupriavidus necator
DSM 4058, using JA hydrolysate as fermentation medium showed that PHB
production is feasible. However, enrichment of JA hydrolysates with
nutrient-rich supplements (e.g. oilseed meal hydrolysates) should be carried
out in bioreactor applications.
The second study explored the potential production of PHAs,
including P(3HB-co-3HV), with C. necator DSM 545 using rapeseed meal
hydrolysates and crude glycerol (both residues from the biodiesel industry)
as nutrient supplements and carbon sources, respectively. PHA property
analysis verified the potential to produce complex PHAs from rapeseed
hydrolysates.
Expired flour-based food for infants returned from the market and
waste streams generated from the production line of flour-based food for
infants (FBFI) were converted into a nutrient-rich fermentation feedstock in
the third study of this work. The macromolecules in FBFI (i.e. starch,
protein) were hydrolyzed using crude enzymes (i.e. amylase, protease)
produced via solid state fermentation of Aspergillus awamori. FBFI
hydrolysates were tested as fermentation media in shake flask and
bioreactor fermentations for the production of PHB. The feasibility of
bioplastic production from flour-based waste streams has been
demonstrated.
Finally, design and techno-economic evaluation has been employed
so as to compare two process flowsheets based on different initial raw
materials, microorganisms and downstream separation strategies. All
required information used in this study was taken from literature-cited
publications. The processing schemes that were evaluated utilize food
processing wastes and by-products (i.e. whey) and wheat as raw materials