Development of New Biodegradable and Sustainable Materials Based on Polyhydroxyalkanoates for Application in the Packaging Industry

Abstract

[Abstract] Given the enormous demand for materials in the packaging sector, biopolymers are becoming increasingly important as sustainable alternatives. In this context, the present dissertation is dedicated to the development of a completely bio-based and biodegradable packaging material based on polyhydroxyalkanoates (PHA) suitable for industrial processing. The aim is to achieve the integration of cellulose nanocrystals (CNC) into a polyhydroxybutyrate (PHB) matrix and the integration of PHA microparticles, in particular polyhydroxybutyrate-co-valerate (PHBV), PHB, and polyhydroxybutyrate-co-hexanoate (PHBH) microparticles, into a PHBV matrix. The composites were produced using industrially relevant melt processing techniques such as mini-extrusion and mini-injection molding, emphasizing the scalability and transferability of the concepts to existing industrial processes. Comprehensive characteriza􀆟on using thermal, mechanical, morphological, and barrier analyses showed a significant increase in crystallinity and, as a result, improvements in stiffness and strength, as well as thermal properties and gas barrier properties against oxygen and water vapor. The results demonstrate the high application potential of the developed biocomposites for sustainable packaging solutions. Through the targeted combina􀆟on of materials and scalable processing, this work provides a well-founded basis for the future industrial utilization of PHA-based biomaterials in the packaging sector.[Resumen] Dado el considerable requerimiento de materiales en el sector del embalaje, los biopolímeros están adquiriendo una importancia creciente como alternativas sostenibles y eficientes en el uso de recursos. En este contexto, la presente tesis doctoral se dedica al desarrollo de un material de embalaje completamente biobasado y biodegradable, basado en polihidroxialcanoatos (PHA), apto para su procesamiento industrial. El objetivo es lograr la integración de nanocristales de celulosa (CNC) en una matriz de polihidroxibutirato (PHB), así como la incorporación de microparticulas de PHA específicamente polihidroxibutirato-co-valerato (PHBV), PHB y polihidroxibutirato-co-hexanoato (PHBH) en una matriz de PHBV. Los compuestos se fabricaron mediante técnicas de procesamiento por fusión relevantes a nivel industrial, como la mini-extrusión y el mini-moldeo por inyección, destacando así la escalabilidad y la transferibilidad de los conceptos a procesos industriales existentes. La caracterización exhaustiva mediante análisis térmicos, mecánicos, morfológicos y de barrera reveló un aumento significativo de la cristalinidad, lo que resultó en mejoras en la rigidez, la resistencia, las propiedades térmicas y la barrera a gases frente al oxígeno y al vapor de agua. Los resultados demuestran el alto potencial de aplicación de los biocompuestos desarrollados para soluciones de embalaje sostenibles. A través de la combinación dirigida de materiales y el procesamiento escalable, este trabajo proporciona una base sólida para la futura utilización industrial de bioplásticos basados en PHA en el sector del embalaje[Resumo] Dada a considerable demanda de materiais no sector do envasado, os biopolímeros están a adquirir unha relevancia crecente como alternativas sostibles e eficientes no uso de recursos. Neste contexto, esta tese doutoral céntrase no desenvolvemento dun material de envasado completamente de orixe biolóxica e biodegradable, baseado en polihidroxialcanoatos (PHA), apto para o procesado industrial. O obxectivo principal é integrar nanocristais de celulosa (CNC) nunha matriz de polihidroxibutirato (PHB), así como incorporar microparticulas de PHA—especificamente polihidroxibutirato-co-valerato (PHBV), PHB e polihidroxibutirato-co-hexanoato (PHBH)—nunha matriz de PHBV. Os compósitos foron elaborados mediante técnicas de procesado por fusión relevantes a nivel industrial, como a mini-extrusión e o mini-moldeo por inxección, subliñando así a escalabilidade e transferibilidade destes conceptos a procesos industriais existentes. A caracterización exhaustiva mediante análises térmicas, mecánicas, morfolóxicas e de barreira revelou un incremento significativo da cristalinidade, resultando en melloras na rixidez, resistencia, propiedades térmicas e na capacidade de barreira fronte ao osíxeno e ao vapor de auga. Os resultados demostran o alto potencial de aplicación dos biocompósitos desenvolvidos para solucións de envasado sostibles. A través da combinación dirixida de materiais e dun procesado escalable, este traballo proporciona unha base sólida para a futura utilización industrial de bioplásticos baseados en PHA no sector do envasado.