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Publicação
Biological upcycling of mixed PET waste into high value products
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 5.6 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Polyethylene terephthalate (PET) is a recalcitrant non-biodegradable petrochemical-based plastic
contributing to environmental pollution. Therefore, it is urgent to develop strategies to mitigate PET
disposal impacts and develop sustainable alternatives, such as biobased biodegradable biopolymers.
This thesis address those challenges by developing upcycling strategies for the biotechnological con-
version of post-consumer PET (pcPET) waste, which was chemically depolymerized via reactive extru-
sion, composed primarily of terephthalic acid (TPA). Single bacterial cultures and a microbial consor-
tium (MMC) were investigated for their ability to use TPA as sole feedstock to produce polyhydroxy-
alkanoates (PHAs), biodegradable bioplastics with properties comparable to conventional plastics.
Two strains, isolated from plastic-contaminated environments, were tested for PHA production using
TPA as feedstock. Response Surface Methodology was used to determine the optimal concentrations of
TPA and ammonium for maximal cellular growth and PHA content. Rhodococcus sp. Ave7 was selected
given its efficiency in converting TPA into biomass and PHA. This strain also accumulated triacylglyc-
erols (TAGs), which were considered of interest for further exploitation. In a bioreactor, Rhodococcus
sp. Ave7 efficiently converted TPA into PHA and TAG, representing 15.01 ± 0.68 and 15.40 ± 0.29%
of the biomass dry weight, respectively. The culture produced the copolyester poly(3-hydroxybutyrate-
co-3-hydroxyvakerate) (PHBV), with a 3HV content of 90wt.%, and TAGs comprising octadecenoic
acid (C18:1) (43.3-50.8wt.%), hexadecanoic acid (C16:0) (32.1-38.9wt.%) and octadecanoic acid (C18:0)
(8.5-8.7wt.%).
An MMC selected from marshland sediments was enriched in PHA-storing organisms using cyclic
TPA feeding (feast-and-famine, F/f, approach) in a 2 L bioreactor with 4-day cycles. A stable culture
was established within one sludge retention time (40 days), an F/f ratio of 0.1, dominated by Gammap-
roteobacteria, including Halomonadaceae and Zoogloeaceae. Under permanent feast conditions (in a 1
L bioreactor) with growth-limiting conditions imposed by nitrogen exhaustion, the culture achieved a
PHA content in the biomass of 65.14 ± 5.37wt%. The produced biopolymer was poly(3-hydroxybutyr-
ate) (PHB) with an average molecular weight of 352 kDa, with melting and maximum degradation temperatures of 174 °C and 253 °C, respectively. PHB films presented tensile strength of 18.8 ± 1.9
MPa and Young's Modulus of 422.5 ± 142.3 MPa, coupled with good gas and moisture barrier proper-
ties.
Overall, this thesis demonstrated the feasibility of biologically upcycling pcPET waste into PHA
using TPA from PET depolymerization as feedstock for microbial cultivation. Different PHAs were
obtained: PHB using an MMC, PHBV by Rhodococcus sp. Ave7 that also produced TAGs, further
adding value to the bioprocess.
O polietileno tereftalato (PET) é um plástico petroquímico recalcitrante e não biodegradável que contribui significativamente para a poluição ambiental. Portanto, é urgente desenvolver estratégias para mitigar os impactos do descarte de PET e desenvolver alternativas sustentáveis, como biopolímeros biodegradáveis de base biológica. Esta tese aborda esses desafios, desenvolvendo estratégias de upcycling para a conversão biotecnológica de resíduos de PET pós-consumo (pcPET), que foram qui- micamente despolimerizados por meio de extrusão reativa, compostos principalmente por ácido tereftá- lico (TPA). Culturas bacterianas isoladas e um consórcio microbiano (MMC) foram investigados pela sua capacidade de utilizar o TPA como único substrato para produzir polihidroxialcanoatos (PHAs), bioplásticos biodegradáveis com propriedades comparáveis aos plásticos convencionais. Duas estirpes, isoladas de ambientes contaminados por plásticos, foram testadas para a produção de PHA utilizando TPA como substrato. O Método de Superfície de Resposta (RSM) foi usado para deter- minar as concentrações ideais de TPA e amónia para maximizar o crescimento celular máximo e o conteúdo em PHA. Rhodococcus sp. Ave7 foi selecionada devido à sua eficácia na conversão de TPA em biomassa e PHA. Esta estirpe também acumulou triacilglicéridos (TAGs), os quais foram conside- rados de interesse para exploração futura. Em bioreactor, Rhodococcus sp. Ave7 converteu eficiente- mente TPA em PHA e TAG, representando 15.01 ± 0.68% e 15.40 ± 0.29% do peso seco da biomassa, respetivamente. A cultura produziu o copóliester poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV), contendo 90wt% de 3HV, e TAGs compostos por ácido octadecenóico (C18:1) (43.3-50.8wt.%), ácido hexadecanóico (C16:0) (32.1-38.9wt.%) e ácido octadecanóico (C18:0) (8.5-8.7wt.%). Selecionou-se uma cultura microbiana mista (MMC) a partir de sedimentos de sapal, a qual foi enri- quecida em organismos acumuladores de PHA através de um regime de fome e fartura (F/f), utilizando uma alimentação cíclica de TPA num bioreactor de 2 L, com ciclos de 4 dias. Foi estabelecida uma cultura estável dentro de um tempo de retenção de lamas (40 dias), com um rácio F/f de 0.1, dominada por Gammaproteobacteria, incluindo Halomonadaceae and Zoogloeaceae. Em condições de fartura permanente (num bioreactor de 1L) com condições limitantes de crescimento impostas pela exaustão de azoto, a cultura atingiu conteúdos de PHA na biomassa de 65.14 ± 5.37wt%. O biopolímero produzido foi um poli(3-hidroxibutirato) (PHB) com um peso molecular médio de 352 kDa, uma temperatura de fusão e de degradação máxima de 174 °C e 253 °C, respetivamente. Os filmes de PHB apresentaram resistência à tração de 18.8 ± 1.9 MPa e um módulo de Young de 422.5 ± 142.3 MPa, juntamente com boas propriedades de barreira a gases e à humidade. No geral, esta tese demonstrou a viabilidade do upcycling biológico de resíduos de pcPET em PHA, utilizando TPA proveniente da despolimerização do PET como substrato para cultivo microbiano. Fo- ram obtidos diferentes PHAs: PHB utilizando uma MMC e PHBV por Rhodococcus sp. Ave7, que também produziu TAGs, acrescentando ainda mais valor ao bioprocesso.
O polietileno tereftalato (PET) é um plástico petroquímico recalcitrante e não biodegradável que contribui significativamente para a poluição ambiental. Portanto, é urgente desenvolver estratégias para mitigar os impactos do descarte de PET e desenvolver alternativas sustentáveis, como biopolímeros biodegradáveis de base biológica. Esta tese aborda esses desafios, desenvolvendo estratégias de upcycling para a conversão biotecnológica de resíduos de PET pós-consumo (pcPET), que foram qui- micamente despolimerizados por meio de extrusão reativa, compostos principalmente por ácido tereftá- lico (TPA). Culturas bacterianas isoladas e um consórcio microbiano (MMC) foram investigados pela sua capacidade de utilizar o TPA como único substrato para produzir polihidroxialcanoatos (PHAs), bioplásticos biodegradáveis com propriedades comparáveis aos plásticos convencionais. Duas estirpes, isoladas de ambientes contaminados por plásticos, foram testadas para a produção de PHA utilizando TPA como substrato. O Método de Superfície de Resposta (RSM) foi usado para deter- minar as concentrações ideais de TPA e amónia para maximizar o crescimento celular máximo e o conteúdo em PHA. Rhodococcus sp. Ave7 foi selecionada devido à sua eficácia na conversão de TPA em biomassa e PHA. Esta estirpe também acumulou triacilglicéridos (TAGs), os quais foram conside- rados de interesse para exploração futura. Em bioreactor, Rhodococcus sp. Ave7 converteu eficiente- mente TPA em PHA e TAG, representando 15.01 ± 0.68% e 15.40 ± 0.29% do peso seco da biomassa, respetivamente. A cultura produziu o copóliester poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV), contendo 90wt% de 3HV, e TAGs compostos por ácido octadecenóico (C18:1) (43.3-50.8wt.%), ácido hexadecanóico (C16:0) (32.1-38.9wt.%) e ácido octadecanóico (C18:0) (8.5-8.7wt.%). Selecionou-se uma cultura microbiana mista (MMC) a partir de sedimentos de sapal, a qual foi enri- quecida em organismos acumuladores de PHA através de um regime de fome e fartura (F/f), utilizando uma alimentação cíclica de TPA num bioreactor de 2 L, com ciclos de 4 dias. Foi estabelecida uma cultura estável dentro de um tempo de retenção de lamas (40 dias), com um rácio F/f de 0.1, dominada por Gammaproteobacteria, incluindo Halomonadaceae and Zoogloeaceae. Em condições de fartura permanente (num bioreactor de 1L) com condições limitantes de crescimento impostas pela exaustão de azoto, a cultura atingiu conteúdos de PHA na biomassa de 65.14 ± 5.37wt%. O biopolímero produzido foi um poli(3-hidroxibutirato) (PHB) com um peso molecular médio de 352 kDa, uma temperatura de fusão e de degradação máxima de 174 °C e 253 °C, respetivamente. Os filmes de PHB apresentaram resistência à tração de 18.8 ± 1.9 MPa e um módulo de Young de 422.5 ± 142.3 MPa, juntamente com boas propriedades de barreira a gases e à humidade. No geral, esta tese demonstrou a viabilidade do upcycling biológico de resíduos de pcPET em PHA, utilizando TPA proveniente da despolimerização do PET como substrato para cultivo microbiano. Fo- ram obtidos diferentes PHAs: PHB utilizando uma MMC e PHBV por Rhodococcus sp. Ave7, que também produziu TAGs, acrescentando ainda mais valor ao bioprocesso.
Descrição
Palavras-chave
Polyhydroxyalkanoates (PHA) Plastic waste Polyethylene terephthalate (PET) waste Pure cultures Mixed microbial cultures (MMC) Terephthalic acid