نهج تدريجي قابل للتطوير للإنتاج المستدام للبلاستيك الحيوي من نفايات الطعام

ملخص

يقدم هذا البروتوكول طريقة قابلة للتطوير لتحويل نفايات الطعام إلى بلاستيك حيوي بولي هيدروكسي ألكانوات (PHA) قابل للتحلل. يستخدم الهضم اللاهوائي المتوقف للمعالجة المسبقة لنفايات الطعام ، والتخمير الميكروبي الملحي للتخليق الحيوي للأحمض الهيدروجيني ، وعملية مصب خالية من المواد الكيميائية لاستعادة الهيدروجيني.

الملخص

تتطلب أزمة البلاستيك الدقيق العالمية ، إلى جانب التحديات المتزايدة للتخلص من نفايات الطعام ، حلولا مبتكرة لمعالجة هذه القضايا البيئية معا. بولي هيدروكسي ألكانوات (PHAs) هي مواد بلاستيكية حيوية فريدة من نوعها قابلة للتحلل البيولوجي بالكامل في جميع البيئات ، بما في ذلك النظم البيئية البحرية ، مما يوفر بديلا مستداما للبلاستيك القائم على البترول. في الوقت نفسه ، يوفر استخدام نفايات الطعام كمادة وسيطة لإنتاج الهيدروكسيك الهيدروجيني استراتيجية فعالة للتخفيف من تحديات التخلص من نفايات الطعام مع إنتاج مواد بلاستيكية عالية القيمة قابلة للتحلل. توفر هذه الدراسة بروتوكولا خطوة بخطوة لإنتاج الهيدروكسوهيدروجيني من نفايات الطعام ، مع التركيز على الرعاية الحرجة المطلوبة لضمان محتوى عالي من PHA الخلوي وجودته. تبدأ العملية بالهضم اللاهوائي المتوقف ، والذي يحول نفايات الطعام إلى أحماض دهنية متطايرة قابلة للاستيعاب الميكروبي (VFA) من خلال الحفاظ على بيئة لاهوائية وتحسين المعلمات ، مثل وقت الاحتفاظ الصلب ، لزيادة إنتاج VFA إلى أقصى حد ، وهو مقدمة رئيسية لتخليق PHA. ثم يتم استخدام الهضم الغني ب VFA لزراعة Haloflex mediterranei ، وهو كائن حي دقيق محبة للملح قادر على تراكم ما يصل إلى 66٪ ± 5٪ من وزن الخلية الجافة. ومنعت بيئة الزراعة عالية الملوحة في H. mediterranei تلوث الاستزراع، مما يضمن الإنتاج الأمثل من الهيدروجيني. تتم مراقبة نمو الخلايا عن طريق قياس الكثافة الضوئية لتحديد الوقت المثالي لحصاد حمض الهيدروجيني. يتم تحلل الخلايا باستخدام طريقة خالية من المواد الكيميائية تعتمد على الماء تستفيد من تدرج الضغط التناضحي ، مما يحقق 93٪ ± 3٪ استرداد PHA ، متبوعا بتنقية PHA القائم على المذيبات للحصول على نقاء PHA بنسبة 96٪ ± 2٪. كل خطوة حيوية لضمان إنتاج مواد بلاستيكية عالية الجودة وقابلة للتحلل. توفر هذه الورقة طرقا مفصلة للهضم اللاهوائي المتوقف ، والتخمير النقي ، وتحلل الخلايا الخالي من المواد الكيميائية ، وتنقية PHA القائم على المذيبات ، مما يوفر نهجا قابلا للتطوير ومستداما لتحويل نفايات الطعام إلى مواد بلاستيكية حيوية قابلة للتحلل الحيوي مناسبة للتطبيقات التجريبية والكاملة.

المقدمة

يعد التلوث البلاستيكي والتخلص من نفايات الطعام من المخاوف البيئية المتزايدة ، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى نهج مبتكرة تعالج كلا التحديين من خلال الإدارة المستدامة للنفايات وتطوير^{المواد 1}. تعتبر المواد البلاستيكية التقليدية القائمة على البترول من المساهمين الرئيسيين في التلوث البيئي والتلوث باللدائن الدقيقة ، وتستمر في مدافن النفايات والنظم البيئية المائية لعدة قرون². توفر البولي هيدروكسي ألكانوات (PHAs) ، وهي فئة من البلاستيك الحيوي الميكروبي ، بديلا قابلا للتحلل البيولوجي بالكامل بخصائص ميكانيكية مماثلة للبلاستيك التقليدي مع ضمان التحلل الكامل في البيئات^{الطبيعية 3}

البروتوكول

1. جمع وإعداد نفايات الطعام

1. اجمع نفايات الطعام من المطاعم المحلية ، كما هو موضح في الشكل 1 أ. تقييم النفايات التي تم الحصول عليها بصريا. كشفت الملاحظات أن النفايات تتكون في المقام الأول من قشور الخضار واللحوم النيئة المهملة والمكونات الغنية بالكربوهيدرات مثل الأرز والمعكرونة. قد تحتاج نسبة الكربون إلى النيتروجين (C: N) إلى القياس كما هو مفصل في الخطوتين 5.1 و 5.2 ، وتعديلها إذا كانت نفايات الطعام غنية بالكربون في الغالب ، مع نسبة C: N المثلى بالقرب من 20: 1²⁸.
2. ضع 10 كجم من نفايات الطعام في دلو سعة 5 جالون وأضف 2.5 لتر من الماء. قم بتوصيل الخلاط بمصدر طاقة. اغمر الشفرة في خليط ....

النتائج

خصائص نفايات الطعام وإنتاج VFA من aAD
يظهر مثال على نسبة TS و VS و C: N في ملاط نفايات الطعام المحضر في الجدول 1. نظرا للتباين المتأصل في تكوين نفايات الطعام عبر مصادر ووقت أخذ العينات المختلفة ، من المتوقع حدوث تقلبات في قيم نسبة TS و VS و C: N. في حين أن التباين مقبول ، فإن قياسات نسبة TS و VS و C: N المنتظمة ضرورية لمراقبة العملية ، والتوازن الميكروبي ، وتحسين نظام aAD^{الشامل 37}.

يعمل تركيز VFA كمؤشر رئيسي لاستقرار وكفاءة عملية هضم.......

المناقشة

إنتاج VFA من aAD
يلعب VFA دورا مهما كمقدمة رئيسية ل H. mediterranei في تحويل نفايات الطعام إلى PHA. لذلك ، من الضروري الحفاظ على تركيز مرتفع من VFA أثناء aAD. يمكن استخدام العديد من الاستراتيجيات لتعزيز إنتاج VFA في^{AA 25} AD. أحد الأساليب الفعالة هو تحسين SRT ، بمدة مثالية تبلغ 8 أيام أو أقل ، مما يعزز غسل الميثانوجينات مع زيادة التحلل المائي وتكوين الحمض إلى أقصى حد ، وبالتالي منع الاستهلاك المفرط ل VFA⁴⁶. يعد ت.......

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
هواء	ايرغاز	الذكاء الاصطناعي UZ300	تستخدم لتشغيل GC
مفرغة الهواء	كلاود راي	هايليا ACO-009D
كلوريد الأمونيوم	أكروس أورجانيكس	A0396560
الأوتوكلاف	ستيريس	مختبر أمسكو 250	تستخدم في التحضير المتوسط ATCC
توازن	METTLER TOLEDO	ME204TE/00
خلاط	فيفور	IB750LV + BLD300 + WB-1
دلو	لوي	موديل 50640	دلو عام بلاستيكي خال من مادة BPA سعة 5 جالون
كلوريد الكالسيوم ثنائي الهيدرات	أكروس أورجانيكس	A0362932
كلوروفورم	ميليبور سيجما	سي 2432
مجفف			أي نوع يمكن استخدامه في قياس TS و VS و VSS
أنابيب الهضم ، غطاء لولبي مع بطانة PTFE	ميليبور سيجما	CLS982613
كتلة المفاعل الرقمي	شركة هاش	دروب 200	تستخدم في طرق القياس الكمي Hach VFA
محرك رقمي	سيلوجيكس	ال SCI550-برو
جهاز طرد مركزي قرصي	شركة ألفا لافال	كلارا 20
قوارير إرلينماير	الامازون	B07V3JPQMM
ايثانول	الامازون	B09DGVL4ML
مجفف التجميد	لابكونكو	10030133 و 1027319 و 0109621	أنظمة التجميد 2.5 لتر من المنطقة الحرة
غطاء الدخان	مؤسسة كيواني العلمية	سوبريم اير LV
فرن	ثيرمو ساينتفيك	نموذج F30428C
كروماتوغرافيا الغاز (GC)	أجيلينت	نموذج 8890   ؛
هالوفيراكس البحر الأبيض المتوسط	ATCC	33500
هيدروجين	ايرغاز	HY UHP300	تستخدم لتشغيل GC
سكين			أي نوع يستخدم لخفض نفايات الطعام
زيت التشحيم	شركة فيشر العلمية	NC9844626
كلوريد المغنيسيوم سداسي هيدرات	شركة فيشر العلمية	BP214-500
كبريتات المغنيسيوم سباعي الهيدرات	ميليبور سيجما	م 1880
ميثونال	ميليبور سيجما	34860
بنزوات الميثيل	ميليبور سيجما	93583	تستخدم كمعيار داخلي في القياس الكمي للهيدروجينك هيدروجينيك
قارئ الصفيحة الدقيقة	BioTek التآزر	التآزر H1
نيتروجين	ايرغاز	NI UHP300	تستخدم لتشغيل GC
فرن	ثيرمو ساينتفيك	أوم إتش750
مضخة تمعجية	Simply Pumps Inc.	PM6000 تيار متردد	مضخة ذاتية التحضير عالية التدفق مع قدرة ممتازة على التشغيل الجاف ، وقادرة على التعامل مع الملاط عالي الجسيمات ومصممة لأنابيب الحائط مقاس 1/8 بوصة.
مقياس الأس الهيدروجيني	شركة فيشر العلمية	درهم 150
معيار PHA	ميليبور سيجما	403105
هضم الطيار aAD	مجموعة كوازار للطاقة ، إندبندنس ، أوهايو ، الولايات المتحدة الأمريكية	جهاز تخمير من الفولاذ المقاوم للصدأ بحجم إجمالي 100 لتر وحجم عمل 80 لتر   ؛
تخمير PHA التجريبي	مانوكاتري	SF-50l ISO 9001 CE	مفاعل زجاجي مزدوج الطبقة
كلوريد البوتاسيوم	جي بيوساينسز	162006
أنابيب المضخة			أي نوع من أنابيب السيليكون مع معرف 1/8 '' و 3/8 '' OD
بيكربونات الصوديوم	فيشر للكيماويات	241787
بروميد الصوديوم	كارولنا	21139-45
كلوريد الصوديوم	أمازون   ؛	B0787CFHF3
هيدروكسيد الصوديوم ، الكريات	الكواشف الحيوية فيشر	236088
هيبوكلوريت الصوديوم	ميليبور سيجما	425044
جهاز طرد مركزي سورفال LYNX 4000 فائق السرعة	ثيرمو ساينتفيك	75006580	تستخدم لجمع حبيبات PHA في استعادة PHA النهائية   ؛
مقياس الطيف الضوئي   ؛	شركة هاش	الطراز DR3900	تستخدم في طرق القياس الكمي Hach VFA
حامض الكبريتيك	ميليبور سيجما	258105
مرشح حقنة	الامازون	B06X6GTKVY
محلل جدول المحتويات	شيمادزو	نموذج TOC-LCSN
الأحماض المتطايرة TNTplus اختبار قارورة	شركة هاش	تي إن تي 872	قادرة على قياس VFA في حدود 50 - 2,500 مجم / لتر حمض الخليك.
سخان مياه	شركة بوش	ترونيك 3000 تي 7 جالون (ES8)
مستخلص الخميرة	شركة فيشر العلمية	AAJ6028736