Accumulation of non-degradable plastic waste in the environment might be prevented by the use of biodegradable polyhydroxyalkanoate (PHA). In this study, the thermophile Schlegelella thermodepolymerans produced up to 80 wt% PHA based on dry cell mass. The largest PHA granules were found in the cells within 48 h using 20 g/L xylose, a C/N ratio of 100, an initial pH of 7, at 50 °C. The substrate consumption, pH changes, and cell growth were monitored, revealing the time dependency of PHA production in S. thermodepolymerans. The metabolic pathways from xylose to PHA were identified based on proteomic analysis, revealing involvement of classic phaCAB, de novo fatty acid biosynthesis, and fatty acid β-oxidation. In addition, it was shown that S. thermodepolymerans degraded extracellular PHA with a high efficiency at 50 °C.
DOCUMENT
Biopolymeren vormen een potentieel interessant alternatief voor conventioneel op olie gebaseerde polymeren, omdat zij geen fossiele grondstoffen gebruiken voor de productie. Daarentegen is het productie procedé afhankelijk van energie en toevoegmiddelen die weer bijdragen aan het verbruik van energie en de emissie van onder andere broeikasgassen en zijn de grondstoffen van belang, zoals het gebruik van reststromen uit de afvalverwerking of andere biomaterialen. Binnen het project Circulaire Biopolymeren Waardeketens zijn meerdere productiemethoden bestudeerd om polyhydroxyalkanoaten (PHAs) te maken uit organische reststromen: GFT en afvalwaterslib, een bijproduct uit de afvalwaterzuivering. Productie en extractie van PHAs kan middels diverse routes. In het project zijn meerdere extractieroutes bestudeerd betreffende hun mogelijkheden. Als onderdeel van het project is een levenscyclusanalyse (LCA) gedaan om de milieu-impact van de productie van de biopolymeren in kaart te brengen.
DOCUMENT
Biopolymeren vormen een potentieel interessant alternatief voor conventioneel op olie gebaseerde polymeren, omdat zij geen fossiele grondstoffen gebruiken voor de productie. Daarentegen is het productie procedé afhankelijk van energie en toevoegmiddelen die weer bijdragen aan het verbruik van energie en de emissie van onder andere broeikasgassen en zijn degrondstoffen van belang, zoals het gebruik van reststromen uit de afvalverwerking of andere biomaterialen. Binnen het project Circulaire Biopolymeren Waardeketens zijn meerdere productiemethoden bestudeerd om polyhydroxyalkanoaten (PHAs) te maken uit organische reststromen: GFT en afvalwaterslib, een bijproduct uit de afvalwaterzuivering. Productie enextractie van PHAs kan middels diverse routes. In het project zijn meerdere extractieroutes bestudeerd betreffende hun mogelijkheden. Als onderdeel van het project is een levenscyclusanalyse (LCA) gedaan om de milieu-impact van de productie van de biopolymeren in kaart te brengen. Deze is hier beschreven. De milieu-impact van PHA productie via twee extractieroutes werd vergeleken met conventionele polymeren zoals polyethyleen (PE) en polyethyleentereftalaat (PET). De extractieroutes waren: NaOCl, water-based en Chloroform, solvent-based extractie. De milieu-impact werd berekend op basis van de productie van 1 kgpolymeer. Het systeem includeerde de veranderingen in het conventionele management van GFT en afvalwaterslib, o.a. substitutie van energie doordat de reststromen nu gebruikt werden voor PHA productie en niet voor energieproductie. Op basis van een modelstudie van de UniversiteitGroningen is een massabalans opgemaakt en zijn gegevens gebruikt voor energieverbruik te bepalen en de hoeveelheid toevoegmiddelen die nodig waren tijdens de extractie. Op basis van literatuur zijn aannames gedaan zoals calorische waarden voor verbranding en het energieverbruik voor ontwateren, drogen en vergisting. De Ecoinvent database werd gebruikt voor achtergrond gegevens ten behoeve van de energieproductie en achtergrondprocessen. De volgende milieu-impacts werden berekend: broeikasgassen, verzuring, eutrofiëring, landgebruik, fijnstofemissie en fossiel energieverbruik. Een gevoeligheidsanalyse gaf inzicht in de verandering van parameters op het eindresultaat. De resultaten lieten zien dat watergebaseerde extractie leidde tot emissie van 5,95 kg CO2-eq per kg PHA en chloroformextractie tot 47 kg CO2-eq per kg PHA. Verschillen zaten met name in het energieverbruik tijdens het proces en de productie van de toevoegmiddelen. Verzuring was lager voor chloroformextractie met -0,015 kg SO2-eq ten opzichte van watergebaseerde extractie, namelijk 0,013 kg SO2-eq per kg PHA. Energieverbruik was 90,7 MJ voor watergebaseerde extractie en 772 MJ per kg PHA voor chloroformextractie. Landgebruik was lager voor chloroformextractie met -4,7 m2 per kg PHA en 0,43 m2 per kg PHA voor watergebaseerde extractie. Eveneens was fijnstofemissie lager voor chlorformextractie en marine eutrofiëring lager for watergebaseerde extractie. Chloroformextractie had hogere impact in broeikasgassen, energieverbruik en eutrofiëring vergeleken met PET en PE. Watergebaseerde extractie had hogere impact in broeikasgassen, energieverbruik, fijnstofemissie en eutrofiëring, maar werd vergelijkbaar of lager ten opzichte van conventionele polymeren wanneer een lager energieverbruik werd aangenomen. Onderzoek naar het exacte energieverbruik is daarom nodig. Geconcludeerd werd dat verdere verlaging van de milieu-impact kan worden bereikt door het verminderen van het gebruik van toevoegmiddelen en het gebruiken van groene energie zoals wind en zon. Voor vervolgonderzoek is het van belang om data te verifiëren en eventueel andere extractieroutes te onderzoeken
DOCUMENT
Worldwide, plastic cups are used for serving drinks. Some typical examples of large-scale consumption are large concerts and festivals. As a part of the BIOCAS project, which focusses on the valorization of biomass through various routes, a PHA biobased festival cup was developed and created to reduce the impact of current fossil plastics. The role of VHL was to assess the environmental impact. The aim of the report is to inform the BIOCAS-partners about the use of plastic cups, and address the environmental impact in comparison with other types of biobased plastic cups and fossil-based cups. This report can serve as a basis for making choices within all different types of (plastic/biobased) cups. Besides, it can be used as a public communication tool about the environmental impact of different types of (plastic/biobased) cup applications.
DOCUMENT
Polymeren, waaronder plastics, kennen we allemaal uit ons dagelijks leven. Van de plastic draagtas tot computeronderdelen en kopjes. Allemaal worden deze polymeren vervaardigd uit aardolie en afgeleide producten. De producten zijn zeer nuttig en breed toepasbaar, mede door de gunstige eigenschappen zoals warmteweerbaarheid, stevigheid en waterdichtheid. Daarentegen kennen polymeren ook een keerzijde, zoals het niet of moeilijk afbreekbaar zijn in de natuurlijke omgeving en de nadelen van het gebruik van fossiele bronnen: hun eindigheid en de ongecontroleerde emissie van broeikasgassen die verband houdt met klimaatverandering. Dit is een zichtbaar probleem bij onder meer De Plasticsoep, waar geen of beperkte afbraak plaatsvindt van plastics in de oceaan. De zoektocht naar alternatieven is daarom volop aan de gang.
DOCUMENT
The transition to a biobased economy necessitates utilizing renewable resources as a sustainable alternative to traditional fossil fuels. Bioconversion is a way to produce many green chemicals from renewables, e.g., biopolymers like PHAs. However, fermentation and bioconversion processes mostly rely on expensive, and highly refined pure substrates. The utilization of crude fractions from biorefineries, especially herbaceous lignocellulosic feedstocks, could significantly reduce costs. This presentation shows the microbial production of PHA from such a crude stream by a wild-type thermophilic bacterium Schlegelella thermodepolymerans [1]. Specifically, it uses crude xylose-rich fractions derived from a newly developed biorefinery process for grassy biomasses (the ALACEN process). This new stepwise mild flow-through biorefinery approach for grassy lignocellulosic biomass allows the production of various fractions: a fraction containing esterified aromatics, a monomeric xylose-rich stream, a glucose fraction, and a native-like lignin residue [2]. The crude xylose-rich fraction was free of fermentation-inhibiting compounds meaning that the bacterium S.thermodepolymerans could effectively use it for the production of one type of PHA, polyhydroxybutyrate. Almost 90% of the xylose in the refined wheat straw fraction was metabolized with simultaneous production of PHA, matching 90% of the PHA production per gram of sugars, comparable to PHA yields from commercially available xylose. In addition to xylose, S. thermodepolymerans converted oligosaccharides with a xylose backbone (xylans) into fermentable xylose, and subsequently utilized the xylose as a source for PHA production. Since the xylose-rich hydrolysates from the ALACEN process also contain some oligomeric xylose and minor hemicellulose-derived sugars, optimal valorization of the C5-fractions derived from the refinery process can be obtained using S. thermodepolymerans. This opens the way for further exploration of PHA production from C5-fractions out of a variety of herbaceous lignocellulosic biomasses using the ALACEN process combined with S. thermodepolymerans. Overall, the innovative utilization of renewable resources in fermentation technology, as shown herein, makes a solid contribution to the transition to a biobased economy.[1] W. Zhou, D.I. Colpa, H. Permentier, R.A. Offringa, L. Rohrbach, G.J.W. Euverink, J. Krooneman. Insight into polyhydroxyalkanoate (PHA) production from xylose and extracellular PHA degradation by a thermophilic Schlegelella thermodepolymerans. Resources, Conservation and Recycling 194 (2023) 107006, ISSN 0921-3449, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2023.107006. [2] S. Bertran-Llorens, W.Zhou. M.A.Palazzo, D.I.Colpa, G.J.W.Euverink, J.Krooneman, P.J.Deuss. ALACEN: a holistic herbaceous biomass fractionation process attaining a xylose-rich stream for direct microbial conversion to bioplastics. Submitted 2023.
LINK
For the future circular economy, renewable carbon feedstocks manifest considerable promise for synthesizing sustainable and biodegradable polyhydroxyalkanoate (PHA). In this study, 16 wt% and 30 wt% PHA (cell dry weight) are respectively produced by thermophilic Caldimonas thermodepolymerans from beechwood xylan and wheat arabinoxylan as the sole carbon source. Moreover, an in silico study of the potential xylan-degrading proteins was conducted using proteome sequencing and CAZyme specialized bioinformatic tools. This study demonstrates the feasibility of utilizing complex polysaccharide substrates for PHA biosynthesis, thereby potentially eliminate additional processing steps and reducing overall production costs for sustainable plastic.
MULTIFILE
Plastic is one of the biggest contributors to pollution of the planet. Due to the low recyclability of oil-based plastics, most plastic is being disposed into the environment. According to plastic oceans, 10 million tons of plastic are dumped into oceans annually. Currently, researchers are developing recycling methods for oil-based plastics and are looking for biobased alternatives. One of these alternatives are a class of polymers called polyhydroxyalkanoates (PHA’s). PHA’s differ from other biobased polymers, due to the process of fabrication. PHA’s are a natural polymer, acting as an energy and carbon storage for different strains of bacteria. Functioning as an energy storage, nature can break down PHA’s and PHA-based waste. (1) Different companies are working on PHA’s production, but a large deviations in physical properties were observed. This research aims to establish a relationship between the chemical and physical properties of the different PHA’s, using gel permeability chromatography (GPC), nuclear magnetic resonance (NMR) and gas chromatography-mass spectroscopy (GC-MS).
DOCUMENT
Polyhydroxyalkanoates (PHAs) form a highly promising class of bioplastics for the transition from fossil fuel-based plastics to bio-renewable and biodegradable plastics. Mixed microbial consortia (MMC) are known to be able to produce PHAs from organic waste streams. Knowledge of key-microbes and their characteristics in PHA-producing consortia is necessary for further process optimization and direction towards synthesis of specific types of PHAs. In this study, a PHA-producing mixed microbial consortium (MMC) from an industrial pilot plant was characterized and further enriched on acetate in a laboratory-scale selector with a working volume of 5 L. 16S-rDNA microbiological population analysis of both the industrial pilot plant and the 5 L selector revealed that the most dominant species within the population is Thauera aminoaromatica MZ1T, a Gram-negative beta-proteobacterium belonging to the order of the Rhodocyclales. The relative abundance of this Thauera species increased from 24 to 40% after two months of enrichment in the selector-system, indicating a competitive advantage, possibly due to the storage of a reserve material such as PHA. First experiments with T. aminoaromatica MZ1T showed multiple intracellular granules when grown in pure culture on a growth medium with a C:N ratio of 10:1 and acetate as a carbon source. Nuclear magnetic resonance (NMR) analyses upon extraction of PHA from the pure culture confirmed polyhydroxybutyrate production by T. aminoaromatica MZ1T.
LINK
