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。
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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。
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。
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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1. 食物废弃物的收集与预处理

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)
(2)
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 | 5 | 1 | 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) | 5 | 1 | 使用过的水通常直接排入下水道或进行循环。 | ||
| 3 | 2% NaOH 溶液 | 热(70 °C) | 用于溶解蛋白质沉积物(如适用) | 20 | 1 | 该溶液通常进行循环使用。 | ||
| 4 | 水 | 热(70 °C) | 用于冲洗 | 5 | 1 | 使用过的水通常直接排入下水道或进行循环。 | ||
| 5 | 1% 硝酸溶液 | 热(70 °C) | 用于溶解无机沉积物 | 10 | 1 | 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 | 5 | 1 | 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
× 添加的消化液上清液体积 (3)
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。

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

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。

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
(4)
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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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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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作者无任何利益冲突需要披露。
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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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 空气 | Airgas | AI UZ300 | 用于气相色谱操作 |
| 空气泵 | Cloudray | Hailea ACO-009D | |
| 氯化铵 | Acros Organics | A0396560 | |
| 高压灭菌器 | STERIS | AMSCO Lab 250 | 用于ATCC培养基制备 |
| 天平 | METTLER TOLEDO | ME204TE/00 | |
| 搅拌器 | VEVOR | IB750LV+BLD300+WB-1 | |
| 桶 | Lowe's | 型号 50640 | 5加仑无BPA塑料通用桶 |
| 二水氯化钙 | Acros Organics | A0362932 | |
| 氯仿 | Millipore Sigma | C2432 | |
| 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 Sigma | CLS982613 | |
| 数字反应块 | Hach公司 | DRB200 | 用于Hach VFA定量方法 |
| 数字搅拌器 | SCILOGEX | SCI550-Pro | |
| 碟片离心机 | Alfa Laval公司 | Clara 20 | |
| 锥形瓶 | Amazon | B07V3JPQMM | |
| 乙醇 | Amazon | B09DGVL4ML | |
| 冷冻干燥机 | Labconco | 10030133、1027319 和 0109621 | FreeZone 2.5升冷冻干燥系统 |
| 通风橱 | Kewaunee Scientific Corporation | Supreme Air LV | |
| 炉子 | Thermo Scientific | 型号 F30428C | |
| 气相色谱(GC) | Agilent | 型号 8890 | |
| Haloferax mediterranei | ATCC | 33500 | |
| 氢气 | Airgas | HY 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 Company | NC9844626 | |
| 六水氯化镁 | Fisher Scientific Company | BP214-500 | |
| 七水硫酸镁 | Millipore Sigma | M1880 | |
| 甲醇 | Millipore Sigma | 34860 | |
| 苯甲酸甲酯 | Millipore Sigma | 93583 | 用作PHA定量中的内标物 |
| 酶标仪 | BioTek Synergy | Synergy H1 | |
| 氮气 | Airgas | NI UHP300 | 用于气相色谱操作 |
| 烘箱 | Thermo Scientific | OMH750 | |
| 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 Company | AE150 | |
| PHA标准品 | Millipore Sigma | 403105 | |
| 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 | manukatree | SF-50l ISO 9001 CE | 双层夹套玻璃反应器 |
| 氯化钾 | G-BIOSCIENCES | 162006 | |
| 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 Chemical | 241787 | |
| 溴化钠 | Carolina | 21139-45 | |
| 氯化钠 | Amazon | B0787CFHF3 | |
| 氢氧化钠颗粒 | Fisher Bioreagents | 236088 | |
| 次氯酸钠 | Millipore Sigma | 425044 | |
| Sorvall LYNX 4000超高速离心机 | Thermo Scientific | 75006580 | 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 Sigma | 258105 | |
| 注射器滤器 | Amazon | B06X6GTKVY | |
| 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 Company | AAJ6028736 |
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