Solubility and degradation of polyhydroxyalkanoate biopolymers in propylene carbonate

Abstract

New biobased materials and chemicals require different processing strategies than petroleum-derived commodities. The extraction and recovery of polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolymers from the residual cellular biomass is particularly difficult because the polymer is accumulated within the cell. PHAs have low solubility in many classical polymer solvents and are most often dissolved using undesirable chlorinated solvents. The solubility kinetics is greatly diminished when these polymers are highly crystalline. Here, 1,2-propylene carbonate is used to dissolve highly crystalline polyhydroxybutyrate at ambient pressures and moderate temperatures. We have used kinetic studies of the dissolution of the crystalline material to determine the energy barrier for dissolution of the system. Further, the degradation of polyhydroxybutyrate and similarly prepared PHA block copolymers were studied during this extraction process using molecular weight characterization by gel permeation chromatography. Finally, we have used these findings to extract PHA block copolymers from dried biomass at the bench scale.

Isolation and recovery of microbial polyhydroxyalkanoates

“…Besides, 1,2-propylene carbonate is considered safe due to its low toxicity. It is widely used in many applications including cosmetics [24]. Fiorese et al [25] reported a maximum PHA yield of 95% and a purity of 84% when extracted from the C. necator cells at 130°C for 30 min without involving any pretreatment.…”

“…In case of accidents, the potential release of a large amount of highly toxic and volatile solvents to the environment is also of great concern [17,[21][22][23]. Therefore, 1,2-propylene carbonate has been proposed as an alternative to halogenated solvents in the recovery process of PHA [24][25].…”

Recuperação e reutilização do carbonato de propileno empregado no processo de extração de poli(3-hidroxibutirato)

“…No entanto, o uso de solventes tóxicos e altamente voláteis para a extração de P(3HB) (por exemplo, clorofórmio) é contraditório ao fato de que estes polímeros vêm sendo amplamente estudados para minimizar as agressões ambientais causadas pelos polímeros de origem petroquímica [7,15] . De acordo com Mcchalicher et al [16] , o solvente ideal para a extração de biopolímeros de microrganismos a pressões atmosféricas deve ser capaz de dissolver os PHAs abaixo da temperatura de degradação do polímero, minimizando a degradação da cadeia polímérica, ser reutilizável e apresentar baixos riscos ambientais. Neste contexto, a extração de P(3HB) com carbonato de propileno foi primeiramente proposta por Lafferty e Heinzle [17] , como alternativa aos solventes clorados.…”

“…Propylene carbonate (PC), segundo a IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), recebe a nomenclatura de 4-metil-1,3-dioxolan-2-ona, sendo um éster de ácido carbônico cíclico e apresenta propriedades interessantes como não persistir no meio ambiente porque é degradado e não é genotóxico, ou seja, não causa danos aos genes de uma célula ou de um organismo [18,19] . Embora haja preocupação sobre a presença de residuais provenientes dos solventes nos biopolímeros, o carbonato de propileno já foi aprovado para uso em aplicações sensíveis, tais como cosméticos e medicamentos [16] . Estudos têm demonstrado que o carbonato de propileno não é facilmente absorvido através da pele, podendo ser utilizado em uma variedade de cosméticos em concentrações de até 5% [18] .…”

CINÉTICA E MODELAGEM DA EXTRAÇÃO DE POLI(3-HIDROXIBUTIRATO) (P(3HB)), PRODUZIDO POR Cupriavidus necator, COM CABONATO DE PROPILENO

“…Dentre os métodos de extração de P(3HB) abordados na literatura, os que fazem uso de solventes são os mais extensivamente utilizados. O carbonato de propileno (CP) é proposto como uma alternativa aos solventes halogenados nos processos de recuperação de P(3HB) (Mcchalicher et al, 2010), o seu elevado ponto de ebulição (240 °C) é uma vantagem, uma vez que, evita a evaporação e permite sua …”