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The advantageous properties of conventional plastics have made them a major commodity worldwide, with yearly global productions currently exceeding 300 million tons. Despite their benefits, their recalcitrancy to biodegradation combined with the inefficient collection and recycling mechanisms have resulted in an alarming accumulation of plastic waste in the environment. Polyhydroxyalkanoates (PHA) arose as a potential alternative to conventional plastics. PHA are biodegradable aliphatic polyesters that accumulate intracellularly in microorganisms as carbon and energy reserves, and present properties similar to those of conventional plastics. Despite their environmental advantages, the widespread use of PHA is conditioned by their high production costs, which, so far, prevented them from being cost-competitive with conventional plastics. Research efforts in the last decades have managed to reduce PHA process production costs, but further action is still required. Considering this, the goal of the present work was to develop strategies to, potentially, make PHA production more sustainable by exploring three different approaches. The first approach focused on developing predictive models based on near-infrared (NIR) spectroscopy for the real-time monitoring of critical operation parameters in a pilot-scale fedbatch PHA accumulation stage of a three-stage PHA production process using mixed microbial cultures (MMC) and fruit waste as feedstock. These parameters were the carbon substrate concentration and the intracellular PHA content, as their real-time monitoring would allow to minimize or even prevent microbial PHA consumption between feed-pulses during PHA accumulation, and, consequently, contribute to productivity increase. Good predictive models were obtained for intracellular PHA content, total fermentation products concentration (present in the fermented fruit waste), and butyrate (one of the main fermentation products) concentration. The best model for intracellular PHA quantification presented an external validation coefficient of determination (R2) of 0.98 and a root mean square error of prediction (RMSEP) of 1.75 wt.% PHA in a range of 16.6-49.8 wt.% PHA, while the best model for total fermentation products presented an external validation R2 of 0.97 and a RMSEP of 0.11 gCOD/L in a range of 0.00-1.98 gCOD/L. The best predictive model for butyrate quantification presented an external validation R2 of 0.97 and a RMSEP of 0.12 gCOD/L in a range of 0.00-1.4 gCOD/L. These results demonstrate the potential of NIR spectroscopy to be used in the real-time monitoring and optimization of PHA production from real and complex feedstocks. In the second approach, efforts were directed towards downstream processing, which represents one of the most cost-intensive steps in PHA production. PHA extraction methods, using chemicals with lower environmental impact than organic solvents, were first optimized for a MMC produced in the pilot-scale system described in the first approach, and then for a MMC produced from paper-mill wastewater, also at pilot-scale. This approach focused on PHA extraction methods based on the chemical digestion of non-PHA cell matter (NPCM), due to their potential to be more sustainable and scalable than other processes. For the fruit wastefed biomass, a central composite rotatable design of experiments was performed to determine the optimal conditions for NPCM digestion with either sodium hydroxide (NaOH) or sodium hypochlorite (NaClO). These conditions were found to be a concentration of 0.28 M and a digestion time of 4.8h for NaOH, and a concentration of 8.97% (w/v) and a digestion time of 3.4h for NaClO, having resulted in high purity polymers without significant molecular weight reduction, but distinct thermal behaviors. Afterwards, these conditions were used to assess the impact of intracellular PHA content, biomass concentration and biomass pre-treatment on the PHA extraction performance. The results suggested that the higher the PHA content in the biomass, the higher the purity of the extracted polymers. Conversely, increasing biomass concentration during extraction negatively affected polymer purity. Additionally, biomass pretreatment by drying at 60 °C resulted in polymer degradation, as evidenced by reduced molecular weight and altered thermal properties, highlighting that the use of fresh biomass is preferable to preserve polymer quality. In the extraction of PHA from biomass produced with paper-mill wastewater, a few challenges were found, namely its low PHA content (< 30%) and its recalcitrant impurities, including calcium carbonate (CaCO3) and lignin-related compounds. After determining that the previously developed chemical digestion-based methods using NaOH, NaClO and hydrogen peroxide (H2O2) were ineffective for this biomass, a modified approach was developed to specifically address its complex impurities. This strategy introduced a pre-treatment step aimed at the removal of CaCO₃ and lignin-derived compounds, based on incubation with acetic acid (CH₃COOH) and H₂O₂. The in situ formation of peracetic acid enables lignin degradation, enhances cell disruption, and generates low-toxicity byproducts, while the acidic conditions simultaneously promote the dissolution of CaCO₃. This method was developed and optimized at lab-scale and, afterwards, successfully applied at pilot-scale, where ca. 7 kg of fresh biomass, containing 1.7 kg of solids (with ca. 29% of PHA and 53% of inorganics) were subjected to a first incubation with CH3COOH at 20% and H2O2 at 6% (w/v), at room temperature for 2 hours, and then a second incubation with NaClO at 0.5 g/gorganics, at room temperature for 3 hours. At these conditions, 0.3 kg of dry polymer with a PHA purity of 70% and 4% of inorganics were obtained. This polymer presented properties comparable to those of the polymer extracted using the benchmark protocol (PHA dissolution in chloroform and precipitation in ethanol), in terms of molecular weight and thermal behavior. These results show that the developed PHA extraction method has the potential to efficiently recover PHA from biomass produced with complex wastes, and to be used in large scale. The third approach entailed the development of a framework to assess the sustainability of PHA, and other bioplastics, as well as conventional plastics, in the environmental, economic and societal dimensions, so that these materials can be fairly compared. This life-cycle sustainability assessment (LCSA) framework was built based on information present in the literature and information provided by a group of stakeholders directly involved in the life-cycles of bioplastics and conventional plastics, who responded to a survey elaborated in this context. This work, particularly the insights gathered from stakeholders, made it evident that the economic dimension cannot be the only vector for evaluating the sustainability of plastics/bioplastics. Additionally, an integrated analysis such as LCSA has the benefit of providing a broader overview of the advantages/disadvantages of products and potential trade-offs between the three sustainability dimensions and between its life-cycle stages. The results of this approach provide guidance to perform an overall sustainability assessment of plastics/bioplastics.

Graças às suas propriedades vantajosas, os plásticos convencionais tornaram-se amplamente utilizados a nível mundial, sendo as suas produções globais anuais acima de 300 milhões de toneladas presentemente. No entanto, apesar dos seus benefícios, a resistência destes materiais à biodegradação combinada com mecanismos de recolha e reciclagem ineficientes resulta na acumulação alarmante de resíduos plásticos no ambiente. Os polihidroxialcanoatos (PHA) surgiram como uma potencial alternativa aos plásticos convencionais. PHA são poliésteres alifáticos biodegradáveis que se acumulam no interior de microrganismos como reservas de carbono e energia, e possuem propriedades semelhantes às dos plásticos convencionais. Apesar das suas vantagens a nível ambiental, a utilização generalizada de PHA é condicionada pelos seus altos custos de produção, que, até à data, os têm impedido de ser economicamente competitivos com os plásticos convencionais. A investigação na área dos PHA já conseguiu reduzir os custos do processo de produção, no entanto, ainda são necessárias ações adicionais. Tendo isto em conta, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver estratégias para, potencialmente, tornar a produção de PHA mais sustentável através da exploração de três abordagens. A primeira abordagem focou-se no desenvolvimento de modelos de previsão baseados em espetroscopia de infravermelho próximo (NIR) para a monitorização em tempo real de parâmetros operacionais críticos num processo de acumulação de PHA em fed-batch à escala piloto de um processo de produção de PHA de três estágios utilizando culturas microbianas mistas (MMC) e resíduos de fruta como matéria-prima. Estes parâmetros foram a concentração do substrato de carbono e o conteúdo intracelular de PHA, uma vez que a sua monitorização em tempo real permitiria minimizar ou mesmo prevenir o consumo microbiano de PHA entre pulsos de alimentação durante a acumulação de PHA e, consequentemente, contribuir para o aumento da produtividade deste processo. Bons modelos de previsão foram obtidos para o conteúdo intracelular de PHA, e para as concentrações de produtos de fermentação totais (presentes no fermentado de resíduos de fruta) e butirato (um dos principais produtos de fermentação). O melhor modelo para a quantificação de PHA apresentou os seguintes resultados de validação externa: coeficiente de determinação (R2) de 0.98 e erro médio quadrático de previsão (RMSEP) de 1.75% (p/p) numa gama de 16.6-49.8% (p/p). O melhor modelo de previsão para produtos de fermentação totais apresentou um R2 e um RMSEP de validação externa de 0.97 e 0.11 gCOD/L numa gama de 0.00-1.98 gCOD/L, respetivamente. O melhor modelo para a quantificação de butirato apresentou um R2 de 0.97 e um RMSEP de 0.12 gCOD/L numa gama de 0.00-1.4 gCOD/L. Estes resultados demonstram o potencial da espetroscopia de NIR para ser utilizada na monitorização em tempo real e na otimização da produção de PHA a partir de matérias-primas reais e complexas. Na segunda abordagem, foram direcionados esforços para os processos de downstream, uma das etapas mais dispendiosas na produção de PHA. Foram otimizados métodos de extração de PHA utilizando reagentes químicos com menor impacto ambiental do que solventes orgânicos, primeiro para uma MMC produzida no sistema descrito na primeira abordagem, e depois para uma MMC produzida a partir de água residual da indústria de papel, também à escala piloto. Esta abordagem focou-se em métodos de extração de PHA baseados na digestão química de matéria celular exceto PHA (NPCM), devido ao seu potencial para ser mais sustentável e mais escalável que outros processos. Para a biomassa produzida com resíduos de fruta, foi realizado um desenho de experiências baseado no delineamento composto central rotacional para determinar as condições ótimas de digestão de NPCM tanto com hidróxido de sódio (NaOH), como com hipoclorito de sódio (NaClO). As condições ótimas para o NaOH foram uma concentração de 0.28 M e um tempo de digestão de 4.8 h, e para o NaClO foram uma concentração de 8.97% (p/v) e um tempo de digestão de 3.4 h, tendo resultado em polímeros de alta pureza sem redução significativa de peso molecular, mas com comportamentos térmicos distintos. Estas condições foram depois utilizadas para avaliar o impacto do conteúdo intracelular de PHA, da concentração da biomassa e do pré-tratamento da biomassa no desempenho da extração de PHA. Os resultados destes testes sugerem que quanto maior o conteúdo intracelular de PHA da biomassa, maior a pureza dos polímeros extraídos desta. Contrariamente, o aumento da concentração da biomassa no processo de extração resultou em polímeros com menor pureza. Adicionalmente, pré-tratar a biomassa antes da extração de PHA através de secagem a 60ºC resultou em danos ao polímero, identificados pela redução de peso molecular e comportamento térmico alterado. Estes resultados realçam que a utilização de biomassa fresca é preferível para preservar a qualidade do polímero. Na extração de PHA de biomassa produzida com água residual da indústria de papel, foram encontrados alguns desafios, nomeadamente o seu baixo conteúdo em PHA (< 30%) e as suas impurezas recalcitrantes, incluindo carbonato de cálcio (CaCO3) e compostos derivados de lenhina. Após constatar que métodos de extração de PHA baseados na digestão química de NPCM previamente utilizados, envolvendo a utilização de NaOH, NaClO e peróxido de hidrogénio (H2O2), eram ineficientes para esta biomassa, foi desenvolvida uma abordagem modificada para lidar especificamente com as suas impurezas complexas. Esta abordagem introduziu um passo para a remoção de CaCO3 e de compostos derivados de lenhina antes do processo de digestão química, baseado numa incubação com ácido acético (CH3COOH) e H2O2. A formação de ácido peracético in situ, permite a degradação de lenhina, promove a disrupção celular, e gera subprodutos de baixa toxicidade, enquanto que as condições acídicas promovem, simultaneamente, a dissolução de CaCO3. Este método foi desenvolvido e otimizado à escala laboratorial, e depois aplicado, de forma bem-sucedida, à escala piloto, onde cerca de 7 kg de biomassa fresca, contendo 1.7 kg de sólidos (com cerca de 29% de PHA e 53% de inorgânicos) foram sujeitos a uma primeira incubação com CH3COOH a 20% e H2O2 a 6% (p/v), à temperatura ambiente durante 2h, e depois a uma segunda incubação com NaClO a 0.5g/gorgânicos, à temperatura ambiente durante 3h. Nestas condições, foram obtidos cerca de 0.3 kg de polímero seco com uma pureza de 70% e 4% de inorgânicos. Este polímero apresentava propriedades comparáveis às do polímero extraído com o método de referência (dissolução de PHA em clorofórmio e posterior precipitação em etanol), em termos de peso molecular e comportamento térmico. Estes resultados mostram que este método de extração de PHA tem potencial para a recuperação eficiente de PHA de biomassa produzida a partir de matériasprimas complexas, e para ser utilizado em larga escala. A terceira abordagem implicou o desenvolvimento de uma estrutura conceptual para avaliar a sustentabilidade de PHA, e outros bioplásticos, bem como plásticos convencionais, nas dimensões ambiental, económica e social, para que estes materiais possam ser justamente comparados. Esta estrutura conceptual de avaliação de sustentabilidade de ciclo de vida (LCSA) foi construída com informação disponível na literatura e informação fornecida por um grupo de intervenientes diretamente envolvidos nos ciclos de vida de bioplásticos e plásticos convencionais, que responderam a um inquérito elaborado neste contexto. Este trabalho, particularmente as perceções dos intervenientes, tornaram evidente que a dimensão económica não pode ser o único vetor de avaliação da sustentabilidade de plásticos/bioplásticos. Adicionalmente, uma análise integrada como o LCSA tem o benefício de fornecer uma visão mais ampla das vantagens/desvantagens de produtos e potenciais compromissos entre dimensões de sustentabilidade, bem como entre os diferentes estágios de ciclo de vida. Os resultados desta abordagem oferecem um guia para a realização de uma avaliação de sustentabilidade geral de plásticos/bioplásticos.