Electrochemically enhanced biorefinery : converting wastewater to bioplastic through a competitive and green process

The massive increase in petroleum-based plastics production, combined with a shift to single-use, has caused one of the main global issues related to plastic pollution that calls for the development of alternative eco-friendly and biodegradable plastics substitutes. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are bio-derived polyesters completely biodegradable and biocompatible, with thermo-physical properties comparable to polypropylene, which may represent a solution to this problem. Nevertheless, PHAs are currently more costly than standard petrochemical plastics, making the commercialisation of these bioproducts unsuitable for large scale industrial applications. The main factors affecting the cost of production are the use of expensive substrate as carbon sources for bacteria fermentation and downstream processing which still suffers substantial drawbacks such as complexity, high cost, high energy consumption and a risk to the environment. In this research project, the main drawbacks that hinder the large scale application of PHA production is addressed. The research project aims to realise an electrochemically assisted reactor that involves the use of low-cost components in order to reduce the overall cost of PHA production for a large scale application. In this reactor, the production of PHA occurs by an engineered E. coli able to use lactose as a cheap carbon source. To address the second limitation factor, a novel extraction method of PHB polymer by the development of a revolutionary electrochemical cell lysis (ECCL) process in which nanotechnology and electrochemistry are used to break up the bacterium membrane extracting the PHB polymer. To this end, Carbon Nano-Onion (CNO) electrocatalyst is fabricated by nanoJeD prototype with high surface area and defects in morphology to catalyse the oxygen reduction reaction (ORR) for H2O2 electrochemical generation with high stability, high selectivity and low overpotential. The reported results demonstrate the double function of the new technology process. On one side, after 60 and 30 minutes, 100% of sterilisation efficiency is obtained with low operation cost (EEO) of 4.7 and 8 kW h m−3 order−1, applying -10 and -25 mA/cm2 respectively. On the other hand, the same sterilisation process is exploited to extract PHB with a recovery yield and purity of 70% and 83% in a short contact time of 30 minutes and 1h by applying -25 and -10 mA/cm2, respectively. More importantly, the physical properties analysis confirms that the new extraction method can be considered a valid process technique since it ensures the PHB extraction without any compromising reduction in the total polymer length. Indeed, the molecular weight value of electrochemical extracted PHB is about 1.3 x 105 Da. These values are comparable with the literature and are considered acceptable thresholds for these polymers and industrial applications. In contrast to the current extraction methods, the ECCL process offers the possibility to have an alternative new downstream process for PHA extraction without any compromising polymer structure and with low operation time and low energy consumption. The efficiency and simplicity of this recovery method represent a new promising technology approach to reduce the extensive use of solvents and energy consumption reducing, at the same time, the environmental and economic impact of a large-scale production of the biopolymer.

Il considerevole aumento della produzione di materie plastiche su base di petrolio, combinato con a passaggio al monouso, è responsabile di uno dei principali problemi globali legati all’inquinamento atmosferico che richiede lo sviluppo di alternative ecologiche e biodegradabili. I poliidrossialcanoati (PHA) sono poliesteri bioderivati, completamente biodegradabile e biocompatibile, aventi proprietà chimico-fisiche paragonabili al polipropilene. Per tale motivo possono rappresentare una valida alternativa al suddetto problema. Tuttavia, il costo di produzione del PHA è attualmente non competitivo rispetto alle plastiche derivanti da combustibili fossili, limitando la commercializzazione di questi bio-prodotti per applicazioni industriali su larga scala. I principali fattori che influenzano il costo di produzione sono legati all'uso di fonti di carbonio ad alto costo per la fermentazione batterica ed all’estrazione e purificazione del polimero valle, il quale risulta ancora complesso, con un elevato costo, un elevato consumo energetico e un rischio per l'ambiente. In questo progetto di ricerca, i principali punti critici che ostacolano la produzione su larga scala di PHA è affrontata. Il progetto di ricerca si propone di realizzare un reattore elettrochimicamente assistito che prevede l'utilizzo di componenti a basso costo al fine di ridurre il costo complessivo della produzione di PHA. In questo reattore, la produzione di PHA avviene per opera di un ceppo di E. coli ingegnerizzato a livello metabolico in grado di utilizzare il lattosio come fonte di carbonio a basso costo. In aggiunta, viene sviluppato un nuovo metodo di estrazione del polimero basato sul processo di lisi cellulare per via elettrochimica (ECCL) in cui la nanotecnologia e l'elettrochimica sono usate per rompere la membrana del batterio estrazione del bio-polimero. A tal fine, un elettrocatalizzatore di Carbon Nano-Onion (CNO) è fabbricato mediante tecnica di deposizione fisica da vapore (PVD) utilizzando il prototipo nanoJeD . Lo scopo era quello di realizzare un catalizzatore avete alta area superficiale ed in grado di catalizzare la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) per la generazione di H2O2 con un’elevata stabilità, un’alta selettività ed un basso sovrapotenziale. I risultati riportati dimostrano la duplice funzione del nuovo processo tecnologico. Da un lato, dopo 60 e 30 minuti, il sistema elettrochimico riesce ad ottene il 100% di efficienza di sterilizzazione con un basso dispendio energetico (EEO) di 4,7 e 8 kW h m−3 ordine−1, applicando -10 e -25 mA/cm2 rispettivamente. Allo stesso tempo, il processo di sterilizzazione viene anche utilizzato per estrarre il PHA con resa di recupero e purezza del 70% e 83% in un breve tempo di contatto di 30 minuti e 1h, applicando rispettivamente -25 e -10 mA/cm2. Ancora più importante, l'analisi delle proprietà fisiche conferma che il nuovo metodo elettrochimico di estrazione può essere considerato come una valida tecnica alternativa in quanto garantisce l'estrazione del PHB senza che le sue proprietà chimico-fisiche vengano compromesse. Infatti, il valore del peso molecolare del PHB estratto elettrochimicamente è di circa 1,3 x 10^5 Da. Questi valori sono comparabili con la letteratura e sono considerate all’interno della soglia per l’applicazione industriale di questi polimeri. Contrariamente agli attuali metodi di estrazione, il processo ECCL offre la possibilità disporre di un nuovo processo alternativo a valle per l'estrazione di PHA senza comprometterne la struttura polimerica e con basso tempo di funzionamento e basso consumo energetico. L'efficienza e la semplicità di questo metodo di recupero rappresentano un nuovo approccio tecnologico per ridurre l'uso estensivo di solventi e il consumo di energia riducendo, allo stesso tempo, l'impatto ambientale ed economico su larga scala del bio-polimero.