An advanced model-based strategy to optimize the microbial production of biodegradable polymers under fed-batch conditions

Polyhydroxyalkanoates (PHAs), a class of microbially produced and completely biodegradable polymers with excellent mechanical properties, have the potential of partially replacing currently used synthetic polymers (e.g., polypropylene, etc.) in several applications.1,2 Despite the fact that their fermentative production is well known and demonstrated, their commercial development is still impeded by their high production cost, low productivity, high separation cost and the inability to efficiently control their molecular properties.1 To overcome the above limitations, an integrated mathematical model, consisting of metabolic, polymerization and macroscopic sub-models, was developed in this work to simulate and optimize the fermentative production of polyhydroxybutyrate (PHB, i.e., the first that was discovered and most studied PHA).2 This multi-scale mathematical model was validated against a series of statistically design experimental data, using a robust wild-type PHB producer, namely, Azohydromonas lata bacteria. Please click Additional Files below to see the full abstract

Microbial production of the biodegradable poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) with tailor-made molecular properties: experimental optimization and mathematical simulation

In view of the innumerable applications of plastics, biodegradable polymers are urgently needed so that the adverse their environmental effects can be ameliorated. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) is a class of biodegradable polymers that are produced by various bacterial species as energy-carbon reserves. PHAs exhibit excellent biodegradability, biocompatibility and zero-toxicity characteristics. Moreover, PHAs are made from renewable sources. However, a major problem in the their commercialization is their high production cost. As a result, they are mostly employed in biomedical applications. Therefore, research and development efforts leading to the economical production of PHAs are of utmost significance. In the present dissertation, the wild-type strain Alcaligenes latus was employed for the production of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB). The process was thoroughly investigated in terms of nutritional and cultivation conditions under batch and fed-batch fermentation policies. The effect of key process variables on the biomass growth rate, the PHB content and its associated MWD, were analyzed in a comprehensive way. It was shown that a polyester with tailor-made molecular properties can be produced via an optimal selection of the controlling variables, under batch conditions. Moreover, a single-shot fed-batch fermentation policy that maximized the polymer to saccharose yield was applied. In addition, the overall PHB concentration was enhanced by the application of a continuous substrate feeding regime. On the other hand the maximum weight average molecular weight was achieved under low biomass growth rate. For the recovery of the intracellular product a combined mechanical/chemical cells post-treatment process (i.e., cells disruption by sonication and polymer extraction by chloroform) that maximized the PHB recovery efficiency was experimentally identified. Moreover, the ability of Alcaligenes latus cells to grow on lactose from cheese whey as the only available carbon source and accumulate PHB efficiently was demonstrated for the first time. The mathematical simulation of A. latus cultures was performed using a ‘multi-scale’ modelling approach, consisting of three different sub-models: kinetic, metabolic and macroscopic. The present dissertation demonstrates a strategy of reducing the overall production cost by producing PHB efficiently under optimized fed-batch conditions, maximum polymer recovery and by utilizing alternative inexpensive raw materials.Μπροστά στις αναρίθμητες εφαρμογές των πλαστικών υλικών, τα βιοαποικοδομήσιμα πλαστικά θεωρούνται η λύση για την αντιμετώπιση των περιβαλλοντικών επακόλουθων τους. Οι πολύ(ύδροξυ αλκανοϊκοί) εστέρες (PHAs) αποτελούν μια οικογένεια πλήρως βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών, που σχηματίζονται στο κυτταρόπλασμα μικροοργανισμών. Παρουσιάζουν εξαιρετική βιοσυμβατότητα και καθόλου τοξικότητα, ενώ παράγονται από ανανεώσιμες πρώτες ύλες. Το εμπόδιο στην πλήρη εμπορευματοποίηση τους είναι το υψηλό κόστος παραγωγής, με αποτέλεσμα να χρησιμοποιούνται κατά το παρόν σε περιορισμένες εφαρμογές. Συνεπώς, η ανάπτυξη νέων μεθόδων παραγωγής αποτελεί ζήτημα τεράστιας σημασίας. Στην παρούσα διατριβή το βακτήριο Alcaligenes latus χρησιμοποιείται για την παραγωγή του πολύ(3-ύδροξυ βουτυρικού) εστέρα (PHB). Η μελέτη πραγματοποιείται με βάση τις σημαντικότερες διατροφικές και λειτουργικές παραμέτρους κάτω από ασυνεχείς και ημισυνεχείς συνθήκες καλλιέργειας. Η επίδραση των παραμέτρων στην ανάπτυξη των κυττάρων, στη συσσώρευση PHB και στα μοριακά χαρακτηριστικά του, μελετάται διεξοδικά. Βρέθηκε ότι κάτω από ασυνεχείς συνθήκες, πολυεστέρες με στοχευμένες μοριακές ιδιότητες μπορούν να παραχθούν. Επίσης, εφαρμόστηκε μια απλή πολιτική τροφοδοσίας/αραίωσης με σκοπό τη μεγιστοποίηση της απόδοσης της παραγωγής PHB. Η συγκέντρωση του βιοπολυμερούς ενισχύθηκε περαιτέρω με την εφαρμογή μιας συνεχούς πολιτικής τροφοδοσίας. Από την άλλη πλευρά, το μέγιστο μέσο κατά βάρος μοριακό βάρος επετεύχθη κάτω από συνθήκες μικρής ανάπτυξης της βιομάζας. Για την ανάκτηση του ενδοκυττάριου PHB ο συνδυασμός μηχανικής διάρρηξης των κυτταρικών μεμβρανών με υπέρηχους και χημικής εκχύλισης του με χλωροφόρμιο εντοπίστηκε πειραματικά να μεγιστοποιεί την αποτελεσματικότητα ανάκτησης. Επίσης, για τη μείωση του κόστους παραγωγής του PHB, η δυνατότητα του A. latus να μεταβολίζει τη λακτόζη από τυρόγαλα ως τη μόνη πηγή άνθρακα και να συσσωρεύει PHB σε υψηλά ποσοστά παρουσιάζεται για πρώτη φορά. Η μαθηματική προσομοίωση των καλλιεργειών πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια ολοκληρωμένη μαθηματική προσέγγιση, αποτελούμενη από τρία διαφορετικά υπό-μοντέλα: κινητικό, μεταβολικό και μακροσκοπικό. Η παρούσα διατριβή περιγράφει μια στρατηγική βελτιστοποίησης της παραγωγής του PHB υπό βέλτιστες ημισυνεχείς συνθήκες λειτουργίας, με μέγιστη αποτελεσματικότητα ανάκτησης και παράλληλα με την αξιοποίηση φθηνών και εναλλακτικών πρώτων υλών

Techno-Economic Considerations on Nanocellulose’s Future Progress: A Short Review

Nanocellulose (NC) is an emerging natural material that offers great potential for various applications due to its unique properties and renewable character. Nowadays, as NC production technologies are advancing, it is essential to evaluate their economic feasibility, technological maturity and commercialization potential using systematic techno-economic analysis (TEA). The present study considers both technical and economic aspects of NC production and analyzes them in two ways: first, by developing a new concept based on the production of different types of NC through the conversion of lignocellulosic biomass by chemical and mechanical technologies, and second, by a comparative review of existing TEA studies in the open literature. Three specific scenarios and two case studies are evaluated by comparing specific key performance indicators (KPIs), such as the production cost (PC) and minimum product selling price (MPSP) of NC. As a result, a short though comprehensive overview of the current state of NC production is provided, highlighting the main technical and economic challenges associated with it. Key areas for future research and innovation (R&I) are also identified to optimize the production processes and reduce relevant costs, in order to make NC competitive with existing materials and realize its full potential