Fastän plastmaterial är en oskiljaktig del av vardagen, medför den utbredda användningen betydande miljöutmaningar. Enligt OECD har den årliga globala plastproduktionen överstigit 400 Mt de senaste åren och plastförorening utgör ett problem även i avlägsna ekosystem. Växande intresse riktas därför mot bioplaster som är biologiskt producerade och/eller biologiskt nedbrytbara. Polyhydroxialkanoater (PHA) är en familj av biologiskt nedbrytbara och biokompatibla polyestrar som produceras av mikroorganismer i form av intracellulära lagringsgranuler. PHA består av 3-hydroxisyror med varierande sidokedjor som gemensamma monomera byggstenar och de kan uppvisa olika och attraktiva materialegenskaper beroende på monomersammansättning. Denna avhandling utforskar flera steg i polyhydroxialkanoaternas livscykel – från screening och fermentering till nedströmsåtervinning och utvinning vid livscykelns slut – genom principerna för grön kemi och inom den bredare ramen för ett integrerat bioraffinaderikoncept.
I början av en PHA:s livscykel, eller till och med före själva produktionen, är småskalig screening viktig för att identifiera lovande bakteriestammar och lämpliga odlingsmedier för tillväxt och PHA-produktion. Detta ämne undersöktes i Artikel I, där två bakteriearter, Halomonas sp. R5-57, en PHA-producent med kort kedjelängd, och Pseudomonas sp. MR4-9, en PHA-producent med medellånga kedjor, screenades i högkapacitetsläge genom odling i 96-brunnsplattor följt av analys med Fourier-transform infrarödspektroskopi (FTIR). Utvalda resultat kvantifierades och bekräftades därefter i större odlingsskala. Denna studie visade att högkapacitetsscreening är ett kraftfullt verktyg för att utvärdera ett stort antal odlingsförhållanden, i synnerhet olika kolkällor, och för att välja de mest lovande kandidaterna för bekräftelse i större skala. Ur ett bioraffinaderiperspektiv skulle denna metod också kunna stödja snabb bedömning av avfallsströmmar eller förnybara råvaror som potentiella substrat för PHA-produktion.
Uppströmsbearbetning undersöktes vidare i Artikel II, med fokus på att sänka råmaterialkostnaderna genom att använda rå industriell glycerol som en alternativ kolkälla för Photobacterium ganghwense C2.2 och jämföra den med ren glycerol. Användning av rå glycerol resulterade i snabbare biomassabildning, men lägre total PHA-produktion och lägre molekylvikt for de producerade polymererna, samtidigt som det gav möjlighet att återvinna av fettsyraföroreningar från råmaterialet. Användningen av ett billigt råsubstrat för att uppnå hög biomassabildning och PHA med lägre molekylvikt ger ett relevant perspektiv för integrerad biomassavärdering, särskilt när sådana material kan omvandlas ytterligare till produkter med högre värde.
Eftersom nedströmsbearbetning starkt påverkar både processekonomi och hållbarhet, utvärderade Artikel III dihydrolevoglukosenon, kommersiellt känt som Cyrene, som ett biobaserat och biologiskt nedbrytbart lösningsmedel for extraktion av PHA, med målet att återanvända lösningsmedlet och undvika av giftigt lösningsmedelsavfall. I ett integrerat processkoncept kan använt biobaserat lösningsmedel som inte längre kan återanvändas också övervägas för energiåtervinning. Extraktionsprocessen optimerades i liten skala med hjälp av experimentdesign och multivariat modellering, med inriktning på extraktionsutbyte och polymermolekylvikt. Baserat på de optimerade förhållandena utfördes uppskalningsexperiment i en omrörd cell och visade förbättrad extraktionsprestanda under uppskalade förhållanden.
Slutligen undersöktes PHA inte bara ur ett livscykelperspektiv, utan även som substrat för värdeökning och kvalitetsåterställning. Lågmolekylära PHA kan depolymeriseras till monomerer eller plattformskemikalier och potentiellt repolymeriseras till polymerer av högre kvalitet, vilket erbjuder en strategi för att uppgradera material som PHA som erhålls från rå glycerol i Artikel II. Artikel IV undersökte den selektiva omvandlingen av PHB till krotonsyra (CA) i den basiska jonvätskan [EMIM][AcO], som fungerar som både lösningsmedel och katalysator. Artikel V undersökte syrakatalyserad hydrolys med användning av en jonvätska med Brønstedsura egenskaper, [ImSO₃H][p-TsO], i ett tvåfasigt vatten/MIBK-system, vilket möjliggör bildandet av huvudsakligen 3-hydroxismörsyra (3-HBA), med CA som biprodukt, och underlättar fasseparation mellan produkterna och den joniska vätskan som utgör katalysator. I Artikel VI demonstrerades p-toluensulfonsyra (p-TsOH)-katalyserad alkoholys av PHB med användning av metanol och etanol, vilket belyser processflexibilitet genom att möjliggöra efterföljande hydrolys i samma reaktor efter lösningsmedels-/reaktantutbyte.