4.1 Pridobivanje PLA iz kuhinjskih odpadkov
V raziskavi, ki so jo opravili Radhika Gune, Athang Sawant in Neha Joglekar v KET's V. G. Vaze Univerzi za znanost, umetnost in trgovanje v Mumbaju [30], so proučevali, če lahko PLA pridobivamo tudi s fermentacijo kuhinjskih odpadkov.
Ker za polimerizacijo mlečne kisline ni standardizirane metode, so za proizvodnjo uporabili tri različne metode. Za zvišanje natezne trdnosti in temperatur tališča so PLA zmešali s hitosanom, ki so ga pridobili iz odpadnih luskin ribe Labeo rohita.
Mlečno kislino so sintetizirali s fermentacijo kuhinjskih odpadkov z mlečnokislinskimi bakterijami (Lactobacillus casei). Kuhinjski odpadki, ki so jih uporabili za fermentacijo, so vsebovali zelenjavne (krompirjevi olupki) in sadne odpadke ter živila. Za fermentacijo niso uporabili predelane hrane, da ne bi kemikalije, ki so v njej, vplivale na fermentacijo. Mešanici so dodali MRS (De Man, Rogosa in Sharpe) agar zaradi selektivnosti za rast mlečnokislinskih bakterij.
C3H6O3, ki je nastala, so ločili z dodajanjem kalcijevega hidroksida (CaOH) in segrevanjem v vodni kopeli, pri čemer je nastal kalcijev laktat (C6H10CaO6), ki so ga filtrirali. C6H10CaO6 so dodali aktivni ogljik, da so odstranili barvne komponente in nečistoče. C6H10CaO6 so dodali žveplovo kislino (H2SO4), da so od kalcijevega sulfata (CaSO4) lahko ločili C3H6O3. Izkoristek pridobljene C3H6O3 je bil 30-odstotni. Temperatura in čas reakcije sta bila pri vseh treh metodah polimerizacije različna. Pri prvi metodi polimerizacije so C3H6O3 stopenjsko segrevali na 135 °C, 150 °C, 160 °C, 180 °C in 200 °C. Za nastanek PLA so dodali katalizator kositrov oktoat (C16H30O4Sn). Pri drugi metodi polimerizacije so C3H6O3 segrevali 60 minut pri temperaturi od 120 °C do 140 °C. Za nastanek PLA so dodali katalizatorja kositrov oktoat (C16H30O4Sn) in izoamil alkohol (C₅H₁₂O). Pri tretji metodi polimerizacije so C3H6O3 segrevali 30 minut pri temperaturi 160 °C, da so odstranili H2O. Za nastanek C3H6O3 so temperaturo zvišali na 220 °C. Za nastanek PLA so dodali katalizatorja kositrov oktoat (C16H30O4Sn) in izoamil alkohol (C₅H₁₂O) ter mešanico segrevali 30 minut pri temperaturi 140 °C. [30]
Ana Kristina Klančič, Razvoj novih biorazgradljivih polimerov iz obnovljivih virov
38
Tabela 1: Masa in izkoristek različnih metod polimerizacije mlečne kisline. [30]
Številka
Za standard so vzeli glukozo, ki se jo najpogosteje uporablja za pridobivanje PLA.
Po izkoristkih vidimo, da dobimo pri prvi in drugi metodi višji izkoristek pri uporabi glukoze, pri tretji metodi pa višji izkoristek pri uporabi kuhinjskih odpadkov. Po masi C3H6O3 lahko vidimo, da pri drugi in tretji metodi nastane več PLA, kar pa ne pomeni, da sta metodi boljši, ampak samo da je pri njiju pristone manj C3H6O3, ki ni polimerizirala. Zato so ločili polimerizirane in nepolimerizirane frakcije z rekristalizacijo (Tabela 1). [30]
Tabela 2: Izkoristek PLA pridobljene po rekristalizaciji. [30]
Številka polimerizacije, vendar je izkoristek veliko manjši kot pred rekristalizacijo. To pomeni, da je predstavljala večino mase pred rekristalizacijo nepolimerizirana C3H6O3 (Tabela 2). Pri drugi in tretji metodi dobimo manjši izkoristek pri uporabi kuhinjskih odpadkov. Pri vseh treh metodah je polimerizacija trajala veliko časa ter je vodila do majhnih izkoristkov in produktov z nizko molsko maso. Z industrijsko proizvodnjo bi lahko čase fermentacije in polimerizacije skrajšali.
Poleg tega bi lahko za separacijo mlečne kisline uporabljali kromatografske metode, ki so dražje, vendar vodijo do višjih izkoristkov. Fermentacijo in polimerizacijo bi lahko tudi optimizirali z menjavo vrste polimerizacije in katalizatorja. [30]
Ana Kristina Klančič, Razvoj novih biorazgradljivih polimerov iz obnovljivih virov
39
Veliko krompirjevih olupkov nastane v industriji, ki proizvaja čips, ki za pakiranje uporablja embalažo za enkratno uporabo. Krompirjeve olupke bi lahko uporabljali za proizvajanje biorazgradljivih polimerov, kot je PLA, ki bi jih lahko uporabljali za embalažo za čips. Tako bi se zmanjšala količina odpadkov in znižala cena embalaže. [30]
4.2 Pridobivanje PHA iz Chlorelline biomase
V raziskavi, ki so jo opravili Chanin Khomlaema, Hajer Alouia , Aarti R.
Deshmukha, Jin-Ho Yunb, Hee-Sik Kimb, Suchada Chanprateep Napathornc in Beom Soo Kim v Državni univerzi v Chungbuku [33], so proučevali, če lahko PHA pridobivamo iz Chlorelline biomase z bakterijo Paracoccus sp. LL1. Chlorellina biomasa, ki so jo uporabili, je vsebovala 69,5 odstotka ogljikovih hidratov in 26,6 odstotoka proteinov. Pred uporabo so jo posušili in zmleli v delce manjše od 1 milimetra. Mikrobno kulturo so pripravili z vnosom posameznih kolonij v tekoč medij pri 30 °C. Da so pridobili sladkorje za fermentacijo, so algno biomaso hidrolizirali z koncentracijami H2SO4 ali HCl 0,1 mol/L, 0,2 mol/L, 0,3 mol/L in 0,5 mol/L. Količina nastalih PHA je bila višja z višanjem velikosti fermentorja. Zato so fermentacijo izvajali v 5-literskih fermentorjih. [33]
Slika 10: Vpliv vrste in koncentracije kisline na nastanek sladkorjev. a−b: različni črki predstavljata različni vrsti kisline. w−z: različne črke predstavljajo različne
koncentracije kislin.[33]
Količina nastalega sladkorja se je, neodvisno od vrste kisline, znatno povečevala z višanjem koncentracije kisline (slika 13). Pridobivanje sladkorjev za
Ana Kristina Klančič, Razvoj novih biorazgradljivih polimerov iz obnovljivih virov
40
fermentacijo s hidrolizo s HCl je bilo bolj učinkovito kot s hidrolizo s H2SO4. S hidrolizo s HCl je nastalo največ 52 g/L sladkorja, s hidrolizo s H2SO4 pa največ 46 g/L sladkorja pri najvišjih koncentracijah kisline. [33]
Slika 11: Spreminjanje koncentracije PHA, suhe celične mase in sladkorjev s časom. Primerjava pridobivanja PHA iz glukoze (slika A) in pridobivanja PHA iz
Chlorelline biomase (slika B). [33]
Z manjšanjem vsebnosti sladkorja se veča celica Paracoccus sp. LL1, kar pomeni da le-ta uporablja sladkor za rast (slika 14). Akumulacija PHA v Paracoccus sp.
LL1 enakomerno narašča z večanjem celice. Pri pridobivanju iz glukoze je bilo po 72 urah doseženo največ 3,75 g/L suhe celične mase in akumuliranih 1,29 g/L PHA (34,3 odstotka suhe celične mase). Pri pridobivanju iz Chlorelline biomase je bilo po 96 urah pri uporabi 0,3 mol/L HCl doseženo največ 3,96 g/L suhe celične mase in akumuliranih 1,48 g/L PHA (37,4 odstotka suhe celične mase).
Proti koncu pridelave se količina suhe celične mase in akumuliranega PHA manjšata zaradi izčrpanja hranil, zaradi katerega Paracoccus sp. LL1 akumulira PHA za vzdrževanje lastne celice. [33]
Za doseganje večjih količin PHA so uporabili fermentor pod nadzorovanimi pogoji (temperature, pH, zračenje, mešanje). Pri pridobivanju iz glukoze je bilo po 24 urah doseženo največ 5,35 g/L suhe celične mase in akumuliranih 1,89 g/L PHA (35,3 odstotka suhe celične mase). Pri pridobivanju iz Chlorelline biomase je bilo po 27 urah pri uporabi 0,3 mol/L HCl doseženo največ 9,10 g/L suhe celične mase in akumuliranih 3,62 g/L PHA (39,8 odstotka suhe celične mase). V fermentorjih lahko dosežemo toliko višje koncentracije, ker lahko vzdržujemo optimalne pogoje. [33]
Rezultati prikazujejo, da lahko s hidrolizo Chlorelline biomase znižamo stroške proizvodnje PHA zaradi nižje cene algne biomase, v primerjavi z na primer glukozo, in boljših izkoristkov. [33]
Ana Kristina Klančič, Razvoj novih biorazgradljivih polimerov iz obnovljivih virov
41