Development of biorefineries using renewable raw materials for the production of biodegradable polymers

Abstract

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