Scale-Up of the Downstream Process for Polyhydroxyalkanoate Copolymer P(HB‑co-HHx) Extraction with Nonhalogenated Solvents

Abstract

Biobased and biodegradable polyhydroxyalkanoates (PHAs) are promising alternatives to common plastics. Due to their high production costs, only a minimal share of global plastic production is composed of PHA. A major contributor to the high costs minimizing the potential to occupy a larger market share is the downstream process. To obtain high recovery yields and pure products, most approaches rely on large amounts of solvents. While short-chain-length PHA (scl-PHA) is poorly soluble in nonhalogenated solvents, medium-chain-length PHA (mcl-PHA) was shown to be soluble in nonhalogenated solvents. In this study, an approach to recover poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyhexanoate) with acetone and 2-propanol was scaled up 30-fold to 300 g of lyophilized cells per recovery cycle. High PHA purities of 90–100 % were reached from extractions at moderate temperatures from 30–58 °C. In two-stage extractions, up to 100 % PHA was recovered, while the molecular weight was not reduced. Solvents were recovered by distillation in a concentration step and after precipitation. Furthermore, the material properties were analyzed. PHA recovered from the distillation bottom had an increased HHx content compared to the first and second extractions using recovered solvents and was of low purity, indicating efficient and pure precipitation of the recovered PHA during the 2-stage extractions

Синтезируемые микроорганизмами биоразлагаемые полигидроксиалканоаты (ПГА) являются многообещающей альтернативой обычным пластмассам. Однако высокая стоимость ПГА ограничивает объемы их мирового производства. Одной из основных причин высоких затрат, сводящих к минимуму возможность занять большую долю рынка, является сложный и дорогостоящий процесс извлечения полимеров из клеточной биомассы. Для получения высоких выходов извлечения и чистых образцов полимеров используются большие количества растворителей. При этом известно, что короткоцепочечные ПГА плохо растворяются в негалогенированных растворителях, в то время как среднецепочечные – растворяются. В этом исследовании процесс извлечения сополимера гидроксибутирата и гидроксигексаноата с использованием ацетона и 2-пропанола масштабирован в 30 раз (до 300 г лиофилизированной клеточной массы на один цикл извлечения). Высокая чистота ПГА (90–100 %) достигнута при проведении экстракции при умеренных температурах от 30 до 58 °C. При двукратной экстракции полнота извлечения полимера достигала 100 % без снижения значений молекулярной массы. Растворители возвращали для повторных циклов перегонкой на стадии концентрирования и после осаждения извлеченного полимера. Проанализированы свойства полученных образцов ПГА. Полимер, извлеченный из остаточной от дистилляции фракции, по сравнению с полимером, полученным в результате двукратной экстракции с повторным использованием растворителей, имел повышенное содержание фракции мономеров гексаноата и низкую степень чистоты. Это свидетельствует об эффективности осаждения полимера, извлеченного в процессе двукратной экстракции