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方法文章

从食物废弃物中可持续生产生物塑料的可扩展逐步方法

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DOI：

10.3791/68499

⸱

2025年7月18日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Biological Systems Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2Quasar Energy Group, 3Department of Environmental Science and Technology, University of Maryland

本文内容

摘要

本方案介绍了一种将食物废弃物转化为可生物降解的聚羟基脂肪酸酯（PHA）生物塑料的可扩展方法。该方法利用受控的厌氧消化进行食物废弃物预处理，采用嗜盐微生物发酵合成PHA，并通过无化学试剂的下游工艺实现PHA的回收。

摘要

全球微塑料危机与日益严峻的食物废弃物处理难题亟需创新性解决方案，以协同应对这些环境问题。聚羟基脂肪酸酯（PHAs）是一类独特的生物塑料，可在包括海洋生态系统在内的所有环境中完全生物降解，为石油基塑料提供了可持续的替代选择。同时，利用食物废弃物作为原料生产PHA，不仅有效缓解了食物废弃物处理的挑战，还可生成高附加值的可生物降解塑料。本研究提供了一套从食物废弃物中生产PHA的分步实验方案，重点强调为确保细胞内PHA含量与质量所需的关键操作要点。该过程始于抑制性厌氧消化，通过维持厌氧环境并优化固体停留时间等参数，将食物废弃物转化为微生物可同化的挥发性脂肪酸（VFA），以最大化VFA产量，而VFA是PHA合成的关键前体。随后，利用富含VFA的消化液培养 Haloflex mediterranei，一种嗜盐微生物，可积累高达其干重66% ± 5%的聚羟基烷酸酯（PHA）。该微生物在高盐度培养环境中生长。 H. mediterranei 防止了培养污染，确保PHA的高效生产。通过测定光密度监测细胞生长，以确定PHA收获的最佳时机。采用无化学试剂、以水为基础并利用渗透压差的方法裂解细胞，实现93% ± 3%的PHA回收率，随后通过溶剂法纯化PHA，获得纯度达96% ± 2%的产物。每一步骤均对生产高质量、可生物降解塑料至关重要。本文提供了阻断式厌氧消化、纯培养发酵、无化学试剂细胞裂解及溶剂法PHA纯化的详细方法，为将食物废弃物转化为适用于中试及大规模应用的可生物降解生物塑料，提供了一种可扩展且可持续的技术路径。

引言

塑料污染和食物废弃物处理日益成为重要的环境问题，凸显了通过可持续废弃物管理和材料开发来同时应对这两项挑战的创新方法的必要性1。传统的石油基塑料是环境污染和微塑料污染的主要来源，在垃圾填埋场和水生生态系统中可存留数百年2。聚羟基脂肪酸酯（PHAs）是一类微生物合成的生物塑料，具有与传统塑料相当的力学性能，并可在自然环境中完全降解，是一种完全可生物降解的替代材料3。然而，PHAs较高的生产成本仍是其大规模商业化应用的主要障碍4。克服这一限制的一个有前景的途径是利用有机废弃物作为低成本的碳源用于微生物合成PHA，因为在当前依赖玉米淀粉或葡萄糖等纯碳源的工业生产过程中，原料成本约占总生产成本的50%5。通过废弃物资源化，该方法不仅可将有机废弃物从垃圾填埋场转移，还能将其转化为石油基塑料的可持续替代品，从而同时解决废弃物累积和塑料污染问题。

H. mediterranei 是一种嗜盐微生物，由于其能够在高盐环境（2–5 M NaCl）下生长，可有效抑制非嗜盐微生物的生长，从而避免污染，因此在利用废弃物衍生的原料进行聚羟基脂肪酸酯（PHA）生产方面展现出巨大潜力6。这种高盐环境消除了工业发酵过程中对严格灭菌的需求，降低了运行成本。与传统的细菌类PHA生产菌不同，H. mediterranei 能够高效代谢多种由废弃物衍生的碳源，并已被报道可在胁迫响应机制下积累高达其细胞干重（DCW）70% 的 PHA7,8。此外，其高盐生长环境有利于简单的下游处理：通过将细胞浸入水中引发渗透休克，即可有效裂解细胞，释放 PHA，无需使用酶法或化学处理9。这些优势使 H. mediterranei 成为可规模化、基于废弃物生产生物塑料的理想候选菌株。

已有研究探索了多种废弃物材料，包括奶酪乳清、橄榄油厂废水和农工业残余物，用于H. mediterranei6,10,11,12,13,14,15,16,17,18介导的PHA发酵。由于废弃物成分高度可变，带来了重大挑战，在微生物同化前需采用不同的预处理策略，例如酶水解、酸水解或热处理11,17,19,20。在此背景下，停滞的厌氧消化（aAD）提供了一种可放大的解决方案，可将多种食物废弃物转化为成分均一、富含挥发性脂肪酸（VFA）的消化液，直接作为H. mediterranei合成PHA的前体物质21,22。该过程提高了底物的一致性，减轻了原料的变异性，同时提升了微生物发酵效率。

尽管具有潜力，但迄今为止仅有少数研究成功证明了将两阶段过程结合——即厌氧酸化（aAD）与微生物PHA发酵——用于通过H. mediterranei23,24,25将普通食物废弃物转化为生物塑料。本研究提供了一套详细的分步操作方案，涵盖食物废弃物的预处理、通过半连续式厌氧酸化生产挥发性脂肪酸（VFA），以及利用H. mediterranei纯培养进行PHA生产的全过程。此外，尽管先前的研究已验证了以水为基础从H. mediterranei中提取PHA的方法，但尚无研究对该方法的PHA回收效率和纯度进行量化11,18。本研究填补了这一空白，通过展示一种无需化学试剂、利用水诱导渗透裂解的PHA回收方法，并将其回收效率与传统的次氯酸钠（NaClO）法PHA回收方法进行比较量化26。此外，本研究还评估了以水法回收的PHA纯度，从而对其在规模化生物塑料生产中的有效性进行了全面评价。

为了弥合实验室规模可行性与工业应用之间的差距，本方案针对工业应用的可扩展性进行了设计，包含中试规模的厌氧消化（aAD）和聚羟基脂肪酸酯（PHA）发酵，以及用于细胞分离的碟片离心技术——这是生物加工和大规模微生物发酵中广泛使用的技术27。通过优化餐厨垃圾向生物塑料的转化，该方法支持大规模废弃物高值化利用的工业化进程，推动循环生物经济的发展。该工艺整合了废弃物来源的原料、嗜盐发酵以及环境友好的PHA回收策略，实现了高效的废物到生物聚合物转化，在减少对化石燃料基塑料依赖的同时，促进可持续生物塑料的生产。

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方案

1. 食物废弃物的收集与预处理

  1. 如图1A所示，从当地餐馆收集厨余垃圾。通过目视评估所获得的垃圾。观察发现，这些垃圾主要由蔬菜皮、废弃的生肉以及富含碳水化合物的成分（如米饭和面条）组成。可能需要按照步骤5.1和5.2所述测量碳氮比（C:N），如果厨余垃圾以碳为主，则需进行调整，最佳C:N比约为20:128。
  2. 将10 kg厨余垃圾放入一个5加仑的桶中，并加入2.5 L水。将搅拌机连接至电源。将刀头浸入厨余垃圾和水的混合物中，然后按下启动按钮开始搅拌。持续搅拌至少30分钟，直至完全均质化（图1B）。上下移动刀头，以确保厨余垃圾被充分搅拌。
    警告：为防止过热，每运行2分钟后需松开搅拌机的启动按钮，暂停1分钟。
  3. 搅拌完成后，取出搅拌机，并用热水和洗洁精清洗。用盖子盖住桶，贴上标签注明样品名称和制备日期，若不立即使用，则在4 °C下储存。
    ​注意：由于从不同来源和时间收集的厨余垃圾性质存在差异，每次制备后应根据步骤5.1测量所得浆液的基本参数（如总固体含量（TS）和挥发性固体含量（VS）），以确保后续使用时TS和VS输入值的准确性。本方案中，4 °C用于短期储存（少于7天），-20 °C用于长期储存。

发酵过程，有机废物分解，好氧消化，堆肥实验结果。
图1：餐厅餐厨垃圾均质化处理前后的视觉对比。 照片显示（A）原始餐厨垃圾和（B）均质化后的餐厨垃圾浆液。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 通过aAD生产VFA

  1. 100 L 规模中试厌氧消化反应器的操作图2A用于餐厨垃圾转化为挥发性脂肪酸（VFA）的转化过程。
    1. 检查中试规模厌氧氨氧化反应器的电源连接和气密性。将反应器温度设定为 35 °C，搅拌速度设定为 150 rpm。
    2. 按压 提升 按钮以抬起消化罐盖。当盖子上升约40 cm时，按压停止 停止 按钮
    3. 将从种子厌氧消化器（aAD）收集的培养物加入中试规模的厌氧消化器（aAD），直至达到80 L的工作体积。有关种子消化器的详细信息可参见先前的研究。25.
    4. 按压 下部 按下按钮直至盖子完全关闭，然后用夹具固定。这可确保消化罐维持厌氧条件。
    5. 本研究中，aAD 消化器的固体停留时间（SRT）维持在 9 天。每日投加和排出 1/3rd 每3天更换一次消化器工作体积的（约26.7 L）部分，具体操作如下所述。
      注意：传统的厌氧消化通常在14-30天的固体停留时间（SRT）下运行，以生产甲烷29,30采用一种为期9天的短期SRT来抑制产甲烷作用，促进挥发性脂肪酸（VFA）的积累，从而实现高效的厌氧消化（aAD）。
    6. 在进料前排出部分aAD内容物。为便于顺利排出并防止堵塞，将消化器搅拌速度从150 rpm暂时提高至200 rpm，并维持该速度20分钟，然后进行排料。
      注意：提高搅拌速度可确保消化液中的固体颗粒分布均匀，便于排料和均质取样。
    7. 打开试点厌氧消化器底部的排料阀，排出三分之一的料液rd 收集排出的沼渣至桶中，并于4 °C保存，用于后续步骤2.2中的挥发性脂肪酸分析及固液分离。
    8. 使用2.5 g VS/L·天的有机负荷率（OLR），食物废弃物浆液的挥发性固体（VS）含量平均约为14.5%表1）。为此，根据公式1，需要4.1 kg湿重的食物废弃物浆液以达到设计的有机负荷率。取该4.1 kg浆液样品，置于单独的桶中以备后续投加。
      待投喂的食物废弃物浆液湿重 = Equation for substrate loading rate calculation; formula: (OLR × feed interval × working volume) / VS. (1)
      其中，OLR 为 2.5 g VS/L·天，投料间隔为 3 天，工作体积为 80 L，VS 含量为 14.5%。
    9. 将水加入另一个装有上述4.1 kg湿重食物废弃物浆液的桶中，直至总体积达到根据公式2计算的数值，本示例中为26.7 L。
      Feed volume equation formula, used in bioreactor process calculations for optimizing nutrient input. (2)
      进料间隔为3天，工作体积为80 L，SRT为9天。
    10. 使用蠕动泵将26.7 L的食物废弃物浆液注入aAD消化器中 图2A确保蠕动泵的进液管在整个转移过程中始终浸没在喂料桶的液体中，直至所有液体完全转移。
      注意：在进样过程中，管路可能会轻微振动，此现象属正常情况。
    11. 关闭泵并拔掉电源。将试点消化器的搅拌速度重置为150 rpm，持续30分钟，以使新加入的底物与原有的消化液充分混合均匀。
    12. 将3 L均质后的消化液排入桶中，用于调节pH。从3 L均质消化液中取出100 mL置于烧杯中，测定其pH值。
    13. 将 NaOH 颗粒缓慢加入 100 mL 消解液中，直至其 pH 值达到 5.5。为计算所添加 NaOH 颗粒的重量，需在 pH 调节前后分别称量 NaOH 颗粒容器的重量，并计算其重量差。
    14. 按消化液体积比例将 NaOH 颗粒加入中试规模消化器中 图2A 将pH值调节至5.5。例如，若调节100 mL均质化消化液至pH 5.5需要0.09 g NaOH颗粒，则由于中试规模aAD反应器的工作体积为80 L，需向其中加入72 g NaOH颗粒，即80 L / 0.1 L × 0.09 g = 72 g。
      注意：aAD 的理想 pH 范围为 5–5.531每次投喂后，必须将pH值调节至5.5。在厌氧消化（aAD）过程中，由于酸化反应，pH值会持续下降。因此，强烈建议每日检查pH值，并在必要时按照步骤2.1.13至2.1.16进行调节。
    15. 检查预消化罐，确保所有阀门均处于关闭状态，并将搅拌速度调至150 rpm，为下一轮厌氧消化（aAD）操作提供间歇性混合。
      注意：本研究中的中试规模厌氧氨氧化（aAD）反应器采用半连续模式运行，以模拟工业过程32.
  2. 上清液分离以回收挥发性脂肪酸用于聚羟基脂肪酸酯发酵
    1. 打开离心机的主电源开关。
    2. 等待人机界面（HMI）系统屏幕上显示“STANDSTILL”字样。确认润滑油液位高于最低阈值。
    3. 打开水管线路的阀门，并将压力调节至45 psi。打开气管线路的阀门，并将压力调节至90 psi。
    4. 按压 绿色 点击人机界面（HMI）系统屏幕上的按钮，启动碟片离心机的生产流程。等待系统完成各项检查。
    5. 监测直至系统达到设定的全速，此时HMI系统屏幕上会显示STANDBY。
      注意：碟片离心机的转速应设置为其最大容量，以实现高效分离。
    6. 确保进料软管浸没在排出的消化液容器中。将碟片离心机的上清液出口管连接至一个空的5加仑桶中，用于收集上清液，该上清液将用于后续的PHA发酵。将固体出口连接至另一个空桶，用于收集消化液中的残余固体。图2B).
    7. 使用蠕动泵将消化液输送至碟片离心机的进样口。同时，点击人机界面（HMI）系统屏幕上的 PROD 按钮。 PROD 代表生产。
    8. 调节入口阀以保持0.2–0.5 m的流速3/小时，背压为0.5–1巴。
      注意：在生产过程中，上清液会进行循环，以提高分离率，此过程指碟片离心机的固液分离阶段，同时固体在碟片离心机中不断积累。
    9. 生产过程进行30分钟后，按下 出院 HMI 系统屏幕上的按钮，将固体和上清液排入相应的桶中（图2B).
      注意：此步骤基于目视检查，因为无法立即测量总固形物（TS）方面的分离效率。通常，运行30分钟足以实现上清液与固体残渣的充分分离。
    10. 将收集的上清液于4 °C保存，用于后续PHA发酵。残余固体应根据生物废弃物处理规定进行处置，或回流至aAD消化器中进行进一步消化。
    11. 启动原位清洗（CIP）循环，选择 CIP HMI 屏幕上的按钮。按照指定步骤清洗碟片离心机 表2.
      注意：使用蠕动泵来供给和排出清洗介质。此清洗步骤对设备维护至关重要。
    12. 完成洗涤后，关闭并断开蠕动泵电源，然后按压 PROD 按下按钮，确保碟片离心机将分离罐中的所有物质完全排出。逐渐降低转速。
    13. 按压 红色 HMI 系统屏幕上按下按钮以停止操作。将水和空气公用管线的阀门关闭 关闭 位置。关闭主电源。

生物反应器和离心脱水系统；固相和上清液排放装置；工业级处理流程。
图 2：用于挥发性脂肪酸生产及固液分离的设备。（A）100 L 中试规模的厌氧消化反应器。（B）碟片离心机分离罐中上清液与固体分别排入对应收集桶的过程。请点击此处查看该图的放大版本。

参数厨余垃圾
TS (%)~16.5
VS (%)~14.5
C:N~17:1

表1：示例食物废弃物的特性。

步骤介质温度目的时间（分钟）排放体积（L）备注
1水冷用于初步冲洗51使用过的水通常排入下水道。
2水热（70 °C）用于热裂解酵母（如适用）51使用过的水通常直接排入下水道或进行循环。
32% NaOH 溶液热（70 °C）用于溶解蛋白质沉积物（如适用）201该溶液通常进行循环使用。
4水热（70 °C）用于冲洗51使用过的水通常直接排入下水道或进行循环。
51% 硝酸溶液热（70 °C）用于溶解无机沉积物101若使用软水，酸洗每年仅需进行数次，此时回流液可排入下水道；若使用硬水，则每次就地清洗（CIP）时均需进行酸洗，此时应采用循环系统。
6水热（80–95 °C）用于冲洗和灭菌51若此步骤排放液浊度较高，需从第2步开始重复操作。

表2：圆盘离心机的清洗说明。

3. 利用富含挥发性脂肪酸的消化液上清液进行PHA发酵

  1. 用于确定放大条件的 bench-scale PHA 发酵。
    1. 加水稀释步骤 2.2.9 中收集的消化液上清液，配制成一系列浓度梯度，以确定最佳稀释倍数，从而在确保细胞生长不受显著影响的前提下，最大限度地降低食物废弃物消化液上清液中潜在有毒化合物的抑制作用23。
      注：通常至少需要 2 倍稀释才能有效缓解这些抑制作用25。
    2. 向稀释后的消化液上清液中添加盐类和营养物质，具体为：156 g/L NaCl、5 g/L 酵母提取物、13 g/L MgCl2·6H2O、20 g/L MgSO4·7H2O、1 g/L CaCl2·2H2O、4 g/L KCl、0.2 g/L NaHCO3、0.5 g/L NaBr，并根据需要添加 NH4Cl33。
    3. 在添加 NaCl 前，使用电导率探头测定消化液上清液的盐度。食物废弃物消化液通常盐度可忽略不计；但如果盐度较高，则应根据公式 3 调整 NaCl 的添加量。
      NaCl 添加量 (g) = 156 g/L NaCl × 培养基总体积 - 化学分析方程中消化液上清液电导率与 1g/L NaCl 之比公式 × 添加的消化液上清液体积 (3)
    4. 将由消化液上清液配制的培养基的 C:N 比例维持在 15。根据步骤 5.2 和 5.3 中测得的消化液上清液内源性 C:N 比（以总有机碳 TOC 和总氮 TN 表示），确定 NH4Cl 的添加量。
    5. 使用磁力搅拌器以 200 rpm 的速度搅拌培养基，直至所有添加剂完全溶解。使用 1 N NaOH 或 1 N H2SO4 将培养基 pH 调整至 7.0 ± 0.05。
    6. 将配制好的培养基分装至无菌锥形瓶中，填充体积不超过瓶容积的 1/5，以保证较大的顶空体积，利于培养过程中充分的气体交换（图 3A）。用棉花或任何具有足够孔隙率的透气材料覆盖瓶口，以支持培养期间的气体交换。
    7. 将 H. mediterranei 种子培养物（由保存于 -80 °C 的商业美国模式培养物集存中心 (ATCC) 33500 活化而来）置于设定为 H. mediterranei 菌株正常生长温度（例如 37 °C）的水浴中，通过轻柔振荡解冻。解冻过程应迅速，约 2 分钟或直至所有冰晶完全融化。
    8. 将 OD600nm 约为 0.5 的 H. mediterranei 种子培养物以 0.2% (v/v) 的比例接种至培养基中。设置阳性对照组（接种）和阴性对照组（不接种），使用 ATCC 培养基 117633。
      注：ATCC 培养基的营养成分与步骤 3.1.2 所述相同，唯一区别是用 1 g/L 葡萄糖替代消化液上清液，且不额外添加氮源。
    9. 将所有锥形瓶置于 37 °C 摇床中，以 150 rpm 振荡培养。每日测定光密度 (OD600nm)，直至其在稳定期趋于稳定后停止培养。收集粉红色发酵液（图 3B），用于后续 PHA 回收。
  2. 在 50 L 玻璃发酵罐中进行中试规模 PHA 发酵。
    1. 将 PHA 中试发酵罐（图 4）和水循环加热器连接至电源。
    2. 打开水浴加热开关，设定温度为 37 °C。启动搅拌器并设定转速为 150 rpm。
    3. 加入经最佳稀释倍数处理的食物废弃物消化液上清液，以及步骤 3.1.2 确定的盐类和营养补充物，使工作体积达到 40 L。
    4. 将 pH 值调节至 7。将 OD600nm 约为 0.5 的 H. mediterranei 种子培养物以 10% (v/v) 的比例接种至培养基中。
    5. 启动中试发酵罐的空气泵，设定通气速率为 110 m3/h。每日取样并测定 OD600nm。当 OD600nm 达到稳定期时，停止发酵，并将发酵液在 4 °C 下保存，用于后续 PHA 回收。
    6. 用自来水和 70% 乙醇清洗发酵罐。

发酵装置中的锥形瓶；培养基分析；实验对比分析。
图3：H. mediterranei 生产PHA的发酵前后锥形瓶图示。（A）使用餐厨垃圾消化液上清液配制的培养基在接种/发酵前的锥形瓶。（B）发酵后富含粉红色PHA的H. mediterranei培养物。请点击此处查看该图的放大版本。

带有生物反应器装置的发酵过程，测量微生物生长，温度控制。
图 4：50 L 中试规模 PHA 发酵罐。 请点击此处查看此图的放大版本。

4. PHA 下游回收

  1. 将 H. mediterranei 发酵液喂入碟片离心机，以分离含盐上清液和 H. mediterranei 细胞。收集收获的细胞（见图5中的“固体流出”部分），用于后续细胞裂解。根据生物废弃物处理规定处置液体流出部分。
    注：此处碟片离心机的操作与步骤2.2中的操作相同。
  2. 将收集的细胞以每克湿重细胞100 mL水的量重悬，并在室温下以150 rpm搅拌2小时，通过渗透压冲击实现细胞裂解。
  3. 取步骤4.1中收集的少量细胞（50 mL），以每克湿重细胞加入2 mL的4% NaClO溶液进行重悬，混合5分钟。
    注：NaClO处理用于建立一个可基本完全回收H. mediterranei细胞中聚羟基脂肪酸酯（PHA）的基准方法。该假设基于以下事实：NaClO处理是目前最广泛采用的PHA回收方法34。通常认为，无论细胞种类如何，该NaClO处理均具有足够强的裂解能力，可实现完全的细胞裂解和PHA回收。
    警告：NaClO为强氧化剂，可导致严重皮肤灼伤、眼部损伤及呼吸道刺激。操作时务必在通风良好的环境或通风橱中进行，并穿戴适当个人防护装备（PPE），包括手套、护目镜和实验服。若皮肤接触，应立即用大量清水冲洗接触部位，如持续刺激，应及时就医。含NaClO的废弃物应按照当地危险废物管理规定处置，防止环境污染。
  4. 将裂解后的悬浮液在10,000 × g 条件下离心30分钟，收集PHA颗粒。上清液应根据实验室生物废弃物处理规定进行处置。
  5. 将PHA颗粒在-50 °C下冷冻干燥约48小时，直至恒重，得到粗制PHA粉末（图6A）。
  6. 按每克粗制PHA粉末加入10 mL乙醇，以去除残留杂质。在10,000 × g 条件下离心30分钟，收集纯化的PHA颗粒。上清液应根据化学废弃物处理规定进行处置。
  7. 将PHA沉淀在-50 °C下冷冻干燥约48小时，直至恒重，得到纯化后的PHA粉末（图6B）。

分离过程，液固两相，实验室装置，锥形瓶，化学分析。
图 5：分离后的含盐上清液（左侧）和细胞（右侧）。 请点击此处查看此图的放大版本。

粉末衍射分析；显微图像对比；样品结构；实验结果。
图6：PHA粉末。（A）粗PHA粉末和（B）纯化PHA粉末。请点击此处查看此图的放大版本。

5. 分析方法

  1. 按照标准方法测定总固体（TS）和挥发性固体（VS）35。使用分光光度计，依据哈希（Hach）测试试剂盒的标准方法测定总氮（TN）35。
  2. 采用总有机碳（TOC）分析仪测定TOC，方法参照先前研究中的描述25。使用台式pH计测定pH值。
  3. 使用试剂盒定量测定挥发性脂肪酸（VFA）36。利用微孔板读数仪监测OD600nm。
  4. 根据细胞培养液的挥发性悬浮固体（VSS）估算干重细胞量（DCW），VSS的测定遵循标准方法25,35。简而言之，取50 mL细胞培养液，在8,000 × g 条件下离心15分钟，将沉淀转移至坩埚中进行VSS分析。
    注：使用VSS估算DCW，因其反映的是有机生物质，可避免由于地中海盐红菌（H. mediterranei）中盐分含量导致的高估问题23。
  5. 采用气相色谱法（GC）进行聚羟基脂肪酸酯（PHA）的定量分析，方法参照先前研究25：将冻干生物质在氯仿和酸化甲醇中于105 °C下甲醇解2小时，随后使用气相色谱仪以苯甲酸甲酯为内标物对生成的单体进行定量。使用公式4计算PHA回收率，使用公式5计算PHA纯度。所有PHA质量均依据GC结果确定。
    PHA回收率（%）= PHA回收率公式，新鲜水质量除以含NaClO的质量，公式展示。 (4)
    PHA纯度（%）= PHA含量分数公式，PHA质量与冻干PHA粉末质量之比。 (5)
    注意：PHA定量过程中使用的氯仿和硫酸具有危险性，必须极其小心操作。氯仿是一种挥发性有机溶剂，存在吸入毒性风险，长期接触可能导致肝肾损伤。硫酸是一种强腐蚀性化学品，接触皮肤或眼睛可引起严重灼伤。操作这些化学品时务必在通风橱内进行，以防止吸入暴露。确保穿戴适当的个人防护装备（PPE），包括耐化学腐蚀手套、安全护目镜和实验服。所有含氯仿和硫酸的废弃物应按照当地危险废物管理规定妥善处置，以确保实验室安全操作。

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结果

食物废弃物特性及通过厌氧酸化发酵（aAD）生产挥发性脂肪酸
制备的食物废弃物浆液中总固体（TS）、挥发性固体（VS）及碳氮比（C:N）的示例如下所示 表1由于不同采样来源和时间点的食物垃圾成分存在固有差异，总固体（TS）、挥发性固体（VS）和碳氮比（C:N）的数值波动是预期之内的。尽管这种变异性在可接受范围内，但定期测定TS、VS和C:N比对于工艺监控、微生物平衡以及整个厌氧消化（aAD）系统的优化至关重要。37.

挥发性脂肪酸（VFA）浓度是衡量aAD消化器运行稳定性和效率的关键指标。表3列出了四个运行周期的VFA数据作为示例。在这些周期中，VFA浓度稳定在4.13 ± 0.05 g HAc/L，证实aAD发酵罐能够持续稳定地生成VFA。该数值与文献报道的结果相当22，表明中试规模的aAD系统运行成功。甲烷产量占总沼气的6% ± 3.3%，远低于传统厌氧消化中通常观察到的>...

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讨论

从厌氧酸化过程（aAD）中生产挥发性脂肪酸（VFA）
VFA 作为 H. mediterranei 将厨余废物转化为聚羟基脂肪酸酯（PHA）的关键前体，发挥着至关重要的作用。因此，在厌氧酸化过程中维持较高的 VFA 浓度至关重要。可通过多种策略提高厌氧酸化过程中的 VFA 产量25。其中一种有效方法是优化污泥停留时间（SRT），理想时长为 8 天或更短，这有助于淘汰产甲烷菌，同时最大化水解和产酸作用，从而防止 VFA 被过度消耗46。另一种有效策略是温度调控，嗜热条件（45–55 °C）可促进底物溶出和产酸作用，相比中温条件能获得更高的 VFA 生产效率47。此外，添加化学抑制剂（如 2-溴乙烷磺酸钠）或在 pH 4 条件下进行短期 pH 冲击，可通过靶向关键微生物代谢途径或广泛抑制产甲烷活性，有效抑制产甲烷过程，减少 VFA 损失，确保 VFA 高效积累46,<...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由美国能源部-能源效率与可再生能源办公室（主奖项编号：DEEE0009268）和美国农业部国家食品与农业研究所（奖项编号：2023-79000-38973）资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
空气AirgasAI UZ300用于气相色谱操作
空气泵CloudrayHailea ACO-009D
氯化铵Acros OrganicsA0396560
高压灭菌器STERISAMSCO Lab 250用于ATCC培养基制备
天平METTLER TOLEDOME204TE/00
搅拌器VEVORIB750LV+BLD300+WB-1
桶Lowe's型号 506405加仑无BPA塑料通用桶
二水氯化钙Acros OrganicsA0362932
氯仿Millipore SigmaC2432
干燥器任何可用于TS、VS、VSS测定的类型
带螺帽和PTFE内衬的消解管Millipore SigmaCLS982613
数字反应块Hach公司DRB200用于Hach VFA定量方法
数字搅拌器SCILOGEXSCI550-Pro
碟片离心机Alfa Laval公司Clara 20
锥形瓶AmazonB07V3JPQMM
乙醇AmazonB09DGVL4ML
冷冻干燥机Labconco10030133、1027319 和 0109621FreeZone 2.5升冷冻干燥系统
通风橱Kewaunee Scientific CorporationSupreme Air LV
炉子Thermo Scientific型号 F30428C
气相色谱（GC）Agilent型号 8890 
Haloferax mediterraneiATCC33500
氢气AirgasHY UHP300用于气相色谱操作
刀具任何用于切割食物废弃物的类型
润滑油Fisher Scientific CompanyNC9844626
六水氯化镁Fisher Scientific CompanyBP214-500
七水硫酸镁Millipore SigmaM1880
甲醇Millipore Sigma34860
苯甲酸甲酯Millipore Sigma93583用作PHA定量中的内标物
酶标仪 BioTek SynergySynergy H1
氮气AirgasNI UHP300用于气相色谱操作
烘箱Thermo ScientificOMH750
蠕动泵Simply Pumps Inc.PM6000 AC高流量、自吸式泵，具有优异的干运行能力，可处理高颗粒含量的浆料，适用于内径1/8英寸的管路。
pH计Fisher Scientific CompanyAE150
PHA标准品Millipore Sigma403105
中试aAD消化器Quasar能源集团，美国俄亥俄州独立市总容积100 L、工作容积80 L的不锈钢发酵罐 
中试PHA发酵罐manukatreeSF-50l ISO 9001 CE双层夹套玻璃反应器
氯化钾G-BIOSCIENCES162006
泵用管路任何品牌的硅胶管，内径1/8英寸，外径3/8英寸
碳酸氢钠Fisher Chemical241787
溴化钠Carolina21139-45
氯化钠Amazon B0787CFHF3
氢氧化钠颗粒Fisher Bioreagents236088
次氯酸钠Millipore Sigma425044
Sorvall LYNX 4000超高速离心机Thermo Scientific75006580用于下游PHA回收过程中的PHA颗粒收集 
分光光度计 Hach公司DR3900用于Hach VFA定量方法
硫酸Millipore Sigma258105
注射器滤器AmazonB06X6GTKVY
总有机碳分析仪（TOC analyzer）Shimadzu型号 TOC-LCSN
挥发性酸TNTplus试剂管测试Hach公司TNT 872可测定50–2,500 mg/L乙酸范围内的VFA。
热水器Bosch Inc.Tronic 3000 T 7加仑（ES8）
酵母提取物Fisher Scientific CompanyAAJ6028736

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