Wykorzystanie materiałów odpadowych i produktów ubocznych z rolnictwa i przemysłu w procesie biosyntezy polihydroksyalkanianów (PHA) : przegląd literatury

• Autorzy: Michalczyk, Alicja

Warianty tytułu

EN

Use of waste materials and by-products from agriculture and industry in the biosynthesis of polyhydroxyalkanoates (PHA) : literature review

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Polihydroksyalkaniany (PHA) należą do klasy biopoliestrów. Wytwarzane są przez mikroorganizmy w procesie fermentacji i gromadzone w postaci wewnątrzkomórkowych granulek zwanych karbosomami. Ze względu na swoje właściwości mechaniczne zbliżone do polimerów syntetycznych, odporność na promieniowanie UV, podatność na biodegradację i biozgodność, PHA mogą stać się jedną z najciekawszych alternatyw dla tworzyw sztucznych otrzymywanych ze źródeł kopalnych. Jednym z głównych wyzwań, które powstrzymują komercyjną eksploatację tego biopolimeru są wysokie koszty produkcji. W celu obniżenia kosztów wytwarzania PHA zastosowano różne strategie, w tym wykorzystano w procesach biosyntezy szczepy modyfikowanych genetycznie mikroorganizmów, złożone rodzaje fermentacji i wydajne przetwarzanie produktu końcowego. Jednym z najskuteczniejszych podejść mającym na celu zwiększenie opłacalności produkcji PHA stanowi wykorzystanie tanich źródeł węgla w postaci odpadów i produktów ubocznych pochodzących z przemysłu oraz rolnictwa. Praca stanowi przegląd opublikowanych dotąd strategii produkcji PHA z wykorzystaniem tanich, powszechnie dostępnych surowców stanowiących substrat w procesie biosyntezy PHA.

EN

A review, with 88 refs., of polyhydroxyalkanoates (PHAs) belonging to the class of biopolyesters, produced by microorganisms through fermentation and accumulated in the form of intracellular granules called carbosomes, which are an alternative to polymers derived from fossil sources. Their synthesis methods, properties and applications were discussed. Particular attention was paid to the high costs of producing PHAs limiting the com. use of this group of polymers. Strategies used in biosynthesis processes using low-cost carbon sources in the form of waste and by-products from industry and agriculture as substrates in PHAs biosynthesis were presented.

Słowa kluczowe

PL

polihydroksyalkaniany; PHA; fermentacja bakteryjna; produkty odpadowe; biopolimery biodegradowalne

EN

polyhydroxyalkanoates; PHAs; bacterial fermentation; waste products; biodegradable biopolymers

• Czasopismo: Przemysł Chemiczny
• Rocznik: 2024
• Tom: T. 103, nr 10
• Strony: 1105--1113
• Opis fizyczny: Bibliogr. 88 poz.

Twórcy

autor

Michalczyk, Alicja

• Grupa Badawcza Technologii Chemicznej i Biotechnologii, Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Organicznego, ul. Annopol 6, 03-236 Warszawa ,

Bibliografia

• [1] https://plasticseurope.org/wp-content/uploads/2021/12/Plastics-the-Facts-2021-web-final.pdf.
• [2] Plastics-The Facts 2018, raport, Plastics Europe, https://plasticseurope.org/wp-content/uploads/2021/10/2018-Plastics-the-facts.pdf.
• [3] W. Nocoń, K. Moraczewska-Majkut, E. Wiśniowska, M. Pałka, Technol. Wody 2018, 60, nr 4, 24.
• [4] R. Geyer, J. R. Jambeck, K. L Law, Sci. Adv. 2017, 3, e1700782.
• [5] D. K. Bedade, C. B. Edson, R. A. Gross, Molecules 2021, 26, nr 11, 3463; https://doi.org/10.3390/molecules26113463.
• [6] P. Costa, M. Basaglia, S. Casella, L. Favaro, Polymers 2022, 14, 5529, https://doi.org/10.3390/polym14245529.
• [7] A. A. Alves, E. C. Siqueira, M. P. S. Barros, P. E. C. Silva, L. M. Houllou, Int. J. Eng. Sci. Technol. (IJEST) 2023, 20, 3409, https://doi.org/10.1007/s13762-022-04213-9.
• [8] J. Choi, S. Y Lee, Appl. Microbiol. Biotechnol. 1999, 51, 13, https://doi.org/10.1007/s002530051357.
• [9] T. Nguyenhuynh, L. W. Yoon, Y. H. Chow, A. S. M. Chua, Chem. Eng. J. 2021, 420, nr 3, 130488, https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130488.
• [10] A. B. Akinmulewo, O. C. Nwinyi, J. Phys. Conf. Ser. (JPCS) 2019, 1378, 042007, DOI: 10.1088/1742-6596/1378/4/042007.
• [11] P. K. Obulisamy, S. Mehariya, Bioresources 2021, 325, 124653, DOI: 10.1016/j.biortech.2020.124653.
• [12] G.-Y. A. Tan, C.-L. Chen, L. Li, L. Ge, L. Wang, I. M. N. Razaad, Y. Li, L. Zhao, Y. Mo, J.-Y. Wang, Polymers 2014, 6, 706, https://doi.org/10.3390/polym6030706.
• [13] G. Pagliano, P. Galletti, Ch. Samorì, T. C. Zaghini, Front. Bioeng. Biotechnol. 2021, 9, 624021, DOI: 10.3389/fbioe.2021.624021.
• [14] A. Pandey, N. Adama, K. Adjallé, J.-F. Blais, Int. J. Biol. Macromol. 2022, 221, 1184, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.09.098.
• [15] M. Kumar, R. Rathour, R. Singh, Y. Sun, A. Pandey, E. Gnansounou, D. C. W. Tsang, I. S. Thakur, J. Clean. Prod. 2020, 263, 1, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121500.
• [16] L. L. Wallen, W. K. Rohwedder, Environ. Sci. Technol. 1974, 81, 576.
• [17] A. Khardenavis, P. K. Guha, M. S. Kumar, S. N. Mudliar, T. Chakrabarti, Environ. Technol. 2005, 26, 545, DOI: 10.1080/09593332608618536.
• [18] L. Favaro, M. Basaglia, S. Casella, Biofuels Bioprod. Biorefin. 2019, 13, 208, https://doi.org/10.1002/bbb.1944.
• [19] A. Anjum, M. Zuber, K. M. Zia, A. Noreen, M. N. Anjum, S. Tabasum, Int. J. Biol. Macromol. 2016, 89, 161, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.04.069.
• [20] M. N. Somleva, O. P. Peoples, K. D. Snell, Plant Biotechnol. J. 2013, 11, 233, http://dx.doi.org/10.1111/pbi.1203.
• [21] U. D. Lengweiler, M. G. Fritz, D. Seebach, Helv. Chim. Acta 1996, 79, 670, http://dx.doi.org/10.1002/hlca.19960790311.
• [22] Z. Jedliński, M. Kowalczuk, P. Kurcok, Makromol. Chemie Macromol. Symp. 1986, 3, 277, http://dx.doi.org/10.1002/masy.19860030121.
• [23] A. J. Anderson, D. R. Williams, B. Taidi, E. A. Dawes, D. F. Ewing, Microbiol. Rev. 1992, 103, 93, DOI:10.1016/0378-1097(92)90298-3.
• [24] S. Muhammadi, M. Afzal, S. Hameed, Green Chem. Lett. Rev. (GCLR) 2015, 8, nr 3-4, 56, DOI:10.1080/17518253.2015.1109715.
• [25] J. Lu, R. C. Tappel, C. T. Nomura, Polym. Rev. 2009, 49, 226, DOI: 10.3390/molecules25235539.
• [26] M. Zinn, R. Hany, Adv. Eng. Mater. 2005, 7, 408, https://doi.org/10.1002/adem.200500053.
• [27] I. F. Escapa, V. Morales, V. P. Martino, E. Pollet, L. Avérous, J. L. García, M. A. Prieto, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2011, 89, 1583, DOI: 10.1007/s00253-011-3099-4.
• [28] G. Q. Chen, Q. Wu, Biomaterials 2005, 26, 6565, https://doi.org/10.1016/j. biomaterials.2005.04.036.
• [29] A.M. Gumel, M. S. M. Annuar, Y. J. Chisti, Polym. Environ. 2013, 21, 580, https://doi.org/10.1007/s10924-012-0527-1.
• [30] J. Lee, S.-G. Jung, Ch.-S. Park, H.-Y. Kim, C. A. Batt, Y.-R. Kim, Bioorg. Med. Chem. Lett. 2011, 21, 2941, DOI: 10.1016/j.bmcl.2011.03.058.
• [31] S. Philip, T. Keshavarz, I. Roy, J. Chem. Technol. Biotechnol. (JCTB) 2007, 83, nr 3, 233, https://doi.org/10.1002/jctb.1667.
• [32] G. Q. Chen, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2434, DOI: 10.1039/b812677c.
• [33] K. Arora, P. Kaur, P. Kumar, A. Singh, S. K. S. Patel, X. Li, Y.-H. Yang, S. K. Bhatia, S. Kulshrestha, Front. Energy Res. 2021, 9, 646571, https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.646571.
• [34] E. G. Kiselev, A. V. Demidenko, N. O. Zhila, E. I. Shishatskaya, T. G. Volova, Bioengineering 2022, 9, 154, https://doi.org/10.3390/bioengineering9040154 34.
• [35] H. Zhang, V. Obias, K. Gonyer, D. Dennis, Appl. Environ. Microbiol. 1994, 60, 1198, DOI: 10.1128/aem.60.4.1198-1205.1994.
• [36] H. Arikawa, K. Matsumoto, T. Fujiki, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2017, 101, 7497, https://doi.org/10.1007/s00253-017-8470-7.
• [37] S. Y. Jo, Y. J. Sohn, S. Y. Park, J. Son, J. I. Yoo, K. A. Baritugo, Y. David, K. H. Kang, H. Kim, J. Choi, i in., Korean J. Chem. Eng. 2021, 38, 1452, https://doi.org/10.1007/s11814-021-0783-7.
• [38] F. Ertan, B. Keskinler, A. Tanriseven, J. Polym. Environ. 2021, 29, 2111, https://doi.org/10.1007/s10924-020-02020-2.
• [39] K. Y. Sen, M. H. Hussin, S. Baidurah, Biocatal. Agric. Biotechnol. 2019, 17, 51, https://doi.org/10.1016/j.bcab.2018.11.006.
• [40] A. Aramvash, Z. A. Shahabi, S. D. Aghjeh, M. D. Ghafari, Int. J. Environ. Sci. Technol. 2015, 12, 2307, DOI: 10.1007/s13762-015-0768-3.
• [41] M. S. Baei, G. D. Najafpour, H. Younesi, F. Tabandeh, H. Issazadeh, M. Khodabandeh, Chem. Ind. Chem. Eng. Q. 2011, 17, 1.
• [42] J. S. Kingsly, N. Chathalingath, S. A. Parthiban, D. Sivakumar, S. Sabtharishi, V. Senniyappan, V. S. Duraisamy V. S. Jasmine, A. Gunaseka, Energy Nexus 2022, 6, 100071, https://doi.org/10.1016/j.nexus.2022.10007133.
• [43] T. M. M. M. Amaro, D. Rosa, G. Comi, L. Iacumin, Front Microbiol. 2019, 9, nr 10, 992, DOI: 10.3389/fmicb.2019.00992.
• [44] B. Colombo, T. P. Sciarria, M. Reis, B. Scaglia, F. Adani, Bioresour. Technol. 2016, 218, 692, DOI: 10.1016/j.biortech.2016.07.024.
• [45] F. Reinecke, A. Steinbüchel, J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 2008, 16, 91, DOI: 10.1159/000142897.
• [46] S. Povolo, S. Casella, Bioresour. Technol. 2010, 101, nr 20, 7902, DOI: 10.1016/j.biortech.2010.05.029.
• [47] J. Quillaguamán, H. Guzmán, D. Van-Thuoc, R. Hatti-Kaul, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010, 85, 1687, DOI: 10.1007/s00253-009-2397-647.
• [48] M. Koller, P. Hesse, R. Bona, C. Kutschera, A. Atlić, G. Braunegg, Macromol. Biosci. 2007, 7, 218, DOI: 10.1002/mabi.200600211.
• [49] G. Gahlawat, A. K. Srivastava, Appl. Biochem. Biotechnol. 2017, 183, 530, DOI: 10.1007/s12010-017-2482-8.
• [50] K. H. Berwig, C. Baldasso, A. Dettmer, Bioresour. Technol. 2016, 218, 31, DOI: 10.1016/j.biortech.2016.06.067.
• [51] A. M. Khattab, M. E. Esmael, A. A. Farrag M. I. A. Ibrahim, Int. J. Biol. Macromol. 2021, 190, 319, DOI:10.1016/j.ijbiomac.2021.08.090.
• [52] M. Koller, R. Bona, E. Chiellini, E. G. Fernandes, P. Horvat, C. Kutschera, P. Hesse, G. Braunegg, Bioresour. Technol. 2008, 99, 4854, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.09.049.
• [53] W. S. Ahn, S. J. Park, J. S. Lee, Appl. Environ. Microbiol. 2000, 66, 3624.
• [54] S. K. Karmee, D. Linardi, J. Lee, C. S. K. Lin, Waste Manag. 2015, 41, 169, DOI: 10.1016/j.wasman.2015.03.025.
• [55] M. Koller, S. Obruca, Biocatal. Agric. Biotechnol. 2022, 42, 102333, DOI:10.1016/j.bcab.2022.102333.
• [56] W. Chanasit, B. Hodgson, K. Sudesh, K. Umsakul, Biosci. Biotechnol. Biochem. 2016, 80, nr 7, 1440, DOI: 10.1080/09168451.2016.1158628.
• [57] P. Basnett, E. Marcello, B. Lukasiewicz, B. Panchal, R. Nigmatullin, J. C. Knowles, I. Roy, J. Mater. Sci. Mater. Med. 2018, 29, 179, DOI: 10.1007/s10856-018-6183-9.
• [58] I. Poblete-Castro, D. Binger, R. Oehlert, M. Rohde, BMC Biotechnol. 2014, 14, 962, https://doi.org/10.1186/s12896-014-0110-z.
• [59] N. F. Mohd Zain, M. Paramasivam, J. S. Tan, V. Lim, C. K. Lee, Biotechnol. Prog. 2021, 37, nr 1, e3077, DOI: 10.1002/btpr.3077.
• [60] G. L. Maddikeri, A. B. Pandit, P. R. Gogate, Ind. Eng. Chem. Res. 2012, 51, 14610, DOI: 10.1021/ie301675j.
• [61] J. H. Song, C. O. Jeon, M. H. Choi, S. C. Yoon, W. Park, Microbiol. Biotechnol. 2008, 18, 1408.
• [62] U. Rao, R. Sridhar, P. K. Sehgal, Biochem. Eng. J. 2010, 49, 13, DOI: 10.1016/j.bej.2009.11.005.
• [63] J. Mozejko, G. Przybyłek, S. Ciesielski, Eur. J. Lipid Sci. Technol. 2011, 113, 1550, doi: 10.1002/ejlt.201100148.
• [64] Mozejko, J. S. Ciesielski, Biotechnol. Prog. 2014, 30, 1243, DOI: 10.1002/btpr.1914.
• [65] C. Kourmentza, J. Costa, Z. Azevedo, C. Servin, C. Grandfils, V. de Freitas i in., Bioresour. Technol. 2018, 247, 829, DOI: 10.1016/j.biortech.2017.09.138.
• [66] K.-S. Ng, W.-Y. Ooi, L.-K. Goh, R. Shenbagarathai, K. Sudesh, Polym. Degrad. Stabil. 2010 95, 1365, DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2010.01.021.
• [67] I. Zainab-L, H. Uyama, C. Li, Y. Shen, K. Sudesh, K. Clean, Soil Air Water 2018, 46, 1700542, DOI: 10.1002/clen.201700542.
• [68] R. D. Ashby, D.K. Solaiman, T. A. Foglia, [w:] Polymers from renewable resources (red. C. Scholz, R. A. Gross), American Chemical Society, Washington, DC 2001.
• [69] S. L. Riedel, S. Jahns, S. Koenig, M. C. Bock, C. J. Brigham, J. Bader, U. Stahl, J. Biotechnol. 2015, 214, 119, DOI: 10.1016/j.jbiotec.2015.09.002.
• [70] B. Gutschmann, T. Högl, B. Huang, M. M. Simões, S. Junne, P. Neubauer, T. Grimm, S. L. Riedel, Microbial Biotechnol. 2023, 16, 286, https://doi. org/10.1111/1751-7915.14150.
• [71] P. García-Moreno, R. Pérez-Gálvez, Ref. Module Food Sci. 2017, 5, 21241, DOI: 10.1016/B978-0-08-100596-5.21241-9.
• [72] P. Kaesavan, Biosynthesis of polyhydroxyalkanoate (PHA) using waste fish oil by Cupriavidus necator, Msc. thesis, Universiti Sains Malaysia, Penang, Malaysia 2014.
• [73] N. O. Zhila, K. Y. Sapozhnikova, E. G. Kiselev, E. I. Shishatskaya, T. G. Volova, Processes 2023, 11, 2113, https://doi.org/10.3390/pr1107211335.
• [74] R. Haas, B. Jin, F. T. Zepf, Biosci. Biotechnol. Biochem. 2008, 72, 53, https://doi.org/10.1271/bbb.70503.
• [75] C. W. Chen, T.-M. Don, H.-F. Yen, Process Biochem. 2006, 41, 2289, https://doi.org/10.1016/j.procbio.2006.05.026.
• [76] K. Syamsu, A. M. Fauzi, L. Hartoto, A. Suryani, N. Atifah, Proc. of the 1st Internationl Conference on Natural Resources Engineering & Technology 2006, Putrajaya, Malaysia, 24-25 July 2006, 153.
• [77] B. S Kim, Enzyme Microb. Technol. 2000 27, 774, https://doi.org/10.1016/ S0141-0229(00)00299-4.
• [78] P. M. Halami, World J. Microbiol. Biotechnol. 2008, 24, 805.
• [79] D. Byrom, FEMS Microbiol. Rev. 1992, 103, 247, doi: 10.1016/0378 1097(92)90316-G.
• [80] U. J Hanggi, Pilot scale production of PHB with alcaligenes latus, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1990.
• [81] J. Wang, S. Liu, J. Huang, Z. Qu, Bioresour. Technol. 2021, 342, 126008, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126008.
• [82] A. Getache, F. Woldesenbet, BMC Res. Notes 2016, 9, nr 1, 1, DOI: 10.1186/s13104-016-2321-y.
• [83] M. T. Cesário, R. S. Raposo, M. C. M. de Almeida, F. Van Keulen, B. S. Ferreira, J. P. Telo, M. M. R. da Fonseca, Int. J. Biol. Macromol. 2014, 71, 59, DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2014.04.054.
• [84] K.-S. Heng, R. Hatti-Kaul, F. Adam, T. Fukui, T. Sudesh, J. Chem. Technol. Biot. 2017, 92, nr 1, 100, https://doi.org/10.1002/jctb.4993.
• [85] O. Vega-Castro, J. Contreras-Calderon, E. León A. Segura, M. Arias, L. Pérez, P. J Sobral, J. Biotechnol. 2016, 231, 232, https://doi. org/10.1016/j.jbiotec.2016.06.018.
• [86] V. Sukruansuwan, S. C. Napathorn, Biotechnol. Biofuels 2018, 11, nr 1, 1, https://doi.org/10.1186/s13068-018-1207-886.
• [87] F. Guzman Lagunes, J. B. Winterburn, Bioresour. Technol. 2016, 221, 336, DOI: 10.1016/j.biortech.2016.09.045.
• [88] S. Maity, S. Das, S. Mohapatra, S. Tripathi, A. D. Akthar, J. Pati S. Pattnaik, D. P. Samantaray, Int. J. Biol. Macromol. 2020, 153, 461, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.03.004.

Uwagi

Praca powstała w ramach dotacji subwencyjnej finansowanej ze środków MNiSW nr decyzji DIR-WNO.905.6.19.2022. IK oraz DIR-WNO.905.11.2023.ACK.

Identyfikatory

DOI

10.15199/62.2024.10.6