Name: 从食物垃圾中可持续生产生物塑料的可扩展分步方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-07-18T13:40:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: 学习利用嗜盐微生物发酵将食物垃圾转化为可生物降解的PHA生物塑料的无化学方法。该可扩展工艺通过厌氧消化预处理实现高效回收，为塑料污染治理和有机废弃物管理提供可持续解决方案。

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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。

作者无任何利益冲突需要披露。

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,<...

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。

<table><tbody><tr><td>空气</td><td>Airgas</td><td>AI UZ300</td><td>用于气相色谱操作</td></tr><tr><td>空气泵</td><td>Cloudray</td><td>Hailea ACO-009D</td><td></td></tr><tr><td>氯化铵</td><td>Acros Organics</td><td>A0396560</td><td></td></tr><tr><td>高压灭菌器</td><td>STERIS</td><td>AMSCO Lab 250</td><td>用于ATCC培养基制备</td></tr><tr><td>天平</td><td>METTLER TOLEDO</td><td>ME204TE/00</td><td></td></tr><tr><td>搅拌器</td><td>VEVOR</td><td>IB750LV+BLD300+WB-1</td><td></td></tr><tr><td>桶</td><td>Lowe's</td><td>型号 50640</td><td>5加仑无BPA塑料通用桶</td></tr><tr><td>二水氯化钙</td><td>Acros Organics</td><td>A0362932</td><td></td></tr><tr><td>氯仿</td><td>Millipore Sigma</td><td>C2432</td><td></td></tr><tr><td>干燥器</td><td></td><td></td><td>任何可用于TS、VS、VSS测定的类型</td></tr><tr><td>带螺帽和PTFE内衬的消解管</td><td>Millipore Sigma</td><td>CLS982613</td><td></td></tr><tr><td>数字反应块</td><td>Hach公司</td><td>DRB200</td><td>用于Hach VFA定量方法</td></tr><tr><td>数字搅拌器</td><td>SCILOGEX</td><td>SCI550-Pro</td><td></td></tr><tr><td>碟片离心机</td><td>Alfa Laval公司</td><td>Clara 20</td><td></td></tr><tr><td>锥形瓶</td><td>Amazon</td><td>B07V3JPQMM</td><td></td></tr><tr><td>乙醇</td><td>Amazon</td><td>B09DGVL4ML</td><td></td></tr><tr><td>冷冻干燥机</td><td>Labconco</td><td>10030133、1027319 和 0109621</td><td>FreeZone 2.5升冷冻干燥系统</td></tr><tr><td>通风橱</td><td>Kewaunee Scientific Corporation</td><td>Supreme Air LV</td><td></td></tr><tr><td>炉子</td><td>Thermo Scientific</td><td>型号 F30428C</td><td></td></tr><tr><td>气相色谱（GC）</td><td>Agilent</td><td>型号 8890&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Haloferax mediterranei</td><td>ATCC</td><td>33500</td><td></td></tr><tr><td>氢气</td><td>Airgas</td><td>HY UHP300</td><td>用于气相色谱操作</td></tr><tr><td>刀具</td><td></td><td></td><td>任何用于切割食物废弃物的类型</td></tr><tr><td>润滑油</td><td>Fisher Scientific Company</td><td>NC9844626</td><td></td></tr><tr><td>六水氯化镁</td><td>Fisher Scientific Company</td><td>BP214-500</td><td></td></tr><tr><td>七水硫酸镁</td><td>Millipore Sigma</td><td>M1880</td><td></td></tr><tr><td>甲醇</td><td>Millipore Sigma</td><td>34860</td><td></td></tr><tr><td>苯甲酸甲酯</td><td>Millipore Sigma</td><td>93583</td><td>用作PHA定量中的内标物</td></tr><tr><td>酶标仪&amp;nbsp;</td><td>BioTek Synergy</td><td>Synergy H1</td><td></td></tr><tr><td>氮气</td><td>Airgas</td><td>NI UHP300</td><td>用于气相色谱操作</td></tr><tr><td>烘箱</td><td>Thermo Scientific</td><td>OMH750</td><td></td></tr><tr><td>蠕动泵</td><td>Simply Pumps Inc.</td><td>PM6000 AC</td><td>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。</td></tr><tr><td>pH计</td><td>Fisher Scientific Company</td><td>AE150</td><td></td></tr><tr><td>PHA标准品</td><td>Millipore Sigma</td><td>403105</td><td></td></tr><tr><td>中试aAD消化器</td><td>Quasar能源集团，美国俄亥俄州独立市</td><td>总容积100 L、工作容积80 L的不锈钢发酵罐&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>中试PHA发酵罐</td><td>manukatree</td><td>SF-50l ISO 9001 CE</td><td>双层夹套玻璃反应器</td></tr><tr><td>氯化钾</td><td>G-BIOSCIENCES</td><td>162006</td><td></td></tr><tr><td>泵用管路</td><td></td><td></td><td>任何品牌的硅胶管，内径1/8英寸，外径3/8英寸</td></tr><tr><td>碳酸氢钠</td><td>Fisher Chemical</td><td>241787</td><td></td></tr><tr><td>溴化钠</td><td>Carolina</td><td>21139-45</td><td></td></tr><tr><td>氯化钠</td><td>Amazon&amp;nbsp;</td><td>B0787CFHF3</td><td></td></tr><tr><td>氢氧化钠颗粒</td><td>Fisher Bioreagents</td><td>236088</td><td></td></tr><tr><td>次氯酸钠</td><td>Millipore Sigma</td><td>425044</td><td></td></tr><tr><td>Sorvall LYNX 4000超高速离心机</td><td>Thermo Scientific</td><td>75006580</td><td>用于下游PHA回收过程中的PHA颗粒收集&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>分光光度计&amp;nbsp;</td><td>Hach公司</td><td>DR3900</td><td>用于Hach VFA定量方法</td></tr><tr><td>硫酸</td><td>Millipore Sigma</td><td>258105</td><td></td></tr><tr><td>注射器滤器</td><td>Amazon</td><td>B06X6GTKVY</td><td></td></tr><tr><td>总有机碳分析仪（TOC analyzer）</td><td>Shimadzu</td><td>型号 TOC-LCSN</td><td></td></tr><tr><td>挥发性酸TNTplus试剂管测试</td><td>Hach公司</td><td>TNT 872</td><td>可测定50–2,500 mg/L乙酸范围内的VFA。</td></tr><tr><td>热水器</td><td>Bosch Inc.</td><td>Tronic 3000 T 7加仑（ES8）</td><td></td></tr><tr><td>酵母提取物</td><td>Fisher Scientific Company</td><td>AAJ6028736</td><td></td></tr></tbody></table>

从食物废弃物中可持续生产生物塑料的可扩展逐步方法

Scalable Step-by-Step Approach of Sustainable Bioplastic Production from Food Waste

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。

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&gt...

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来应对这些……

我们开发了一种可扩展的工艺，利用嗜盐微生物将厨余垃圾转化为可生物降解塑料，从而同时应对塑料污染和有机废弃物处理的挑战。主要技术难点包括原料成分波动的管理、在放大过程中防止污染，以及在不使用昂贵或有害化学工艺的前提下实现高纯度生物塑料的提取。我们仅用水便实现了从厨余垃圾中回收93%的可生物降解塑料，为下游加工提供了无化学添加的解决方案。本研究展示了从实验室规模向中试规模转化厨余垃圾为高品质生物塑料的可行路径，为工业级应用及更广泛的循环经济实践奠定了基础。首先，将10千克厨余垃圾加入一个5加仑的桶中。向装有厨余垃圾的桶中倒入2.5升水。将搅拌机连接至电源。将刀头浸入厨余垃圾与水的混合物中。然后按下启动按钮开始搅拌。持续搅拌数分钟，直至混合物完全均质化。在进料前，暂时将消化器的搅拌速度从每分钟150转提高至200转，并维持该速度20分钟。随后，打开中试规模厌氧产酸消化器底部的排料阀，释放约26.7升的消化液，约为消化器内容物的1/3。若不立即使用，应将收集的消化液在4°C下储存。

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科研

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生物工程

从食物垃圾中可持续生产生物塑料的可扩展分步方法

从一个厌氧消化器开始，该消化器是一个密封的无氧反应器，接种了模拟废水中沉降固体的合成污泥。污泥中含有嗜中温厌氧微生物，这是一种混合微生物群落。这些微生物在中等温度下生长旺盛，并推动污泥中有机物的分解。持续搅拌污泥以维持细菌活性并促进消化。随后，将可生物降解的聚合物——即生物塑料——加入污泥中。孵育期间，水解细菌会附着在生物塑料上，并将其转化为可溶性化合物。发酵细菌随后将这些化合物转化为挥发性脂肪酸，即短链有机酸。产甲烷菌是一类产生甲烷的微生物，可利用这些酸生成甲烷气体和二氧化碳，从而形成沼气。沼气通过出口从反应器中排出，并收集到气体采样袋中。这种共消化方法能够将生物塑料和污泥高效地转化为可再生的生物燃气。...

生物塑料厌氧消化产沼气

市面上有标称为“可生物降解”的塑料薄膜，可用于农业覆盖地膜。耕作是一种具有吸引力的处置方式，但此类薄膜在田间条件下的降解过程尚不明确。本研究的目的是建立从田间掩埋后的塑料地膜上分离定殖的本土土壤真菌和细菌的方法。...

分离具有降解农业用可生物降解塑料地膜潜力的天然土壤微生物

Crambe abyssinica/小麦谷蛋白共混物的薄膜挤出

竹粉经NaOH预处理后进行酶水解。将竹粉水解产物作为底物，用于肺炎克雷伯菌（Klebsiella...

化学品的生产 肺炎克雷伯菌 使用竹类水解物作为原料

本文介绍了一种在高压釜中对蔬菜类食物废弃物进行水热碳化，随后在连续流动反应器中于275...

将有机厨余垃圾转化为泥炭替代品

本文描述了一种面向循环材料经济的闭环方法示例。该方法构建了一个完整的可持续循环过程：通过聚合、解聚，再重新聚合，实现了生物基半芳香族聚酯的设计，且其产率和最终性能仅有轻微变化。...

专为分子回收设计：一种由木质素衍生的半芳香族生物基聚合物

我们展示了微塑料和纳米塑料（分别为 MPs 和...

利用农用塑料薄膜制备微纳米塑料用于基础科学研究

本方案描述了一种利用呼吸测定法测定厌氧微生物群落共消化食物残渣废弃物与废弃活性污泥时甲烷产量及微生物动力学参数的最佳实践方法。...

利用呼吸测定法测量餐厨垃圾与废弃活性污泥厌氧共消化的生物甲烷潜力

本方案利用麦麸在旋转式固态发酵系统中提高酶的产量。该底物添加了壳聚糖等诱导剂，在受控条件下促进真菌生长。实验结果表明，与液体深层发酵相比，酶的产量提高了4至6倍，显示出该方法在多种生物技术应用中的适应性和高效性。...

丝状真菌通过固态发酵系统生产聚合物水解胞外酶的设计

本实验方案展示了两种接种方法，用于将虫生真菌Beauveria bassiana作为内生菌引入普通菜豆（Phaseolus...

将真菌昆虫病原菌定殖为内生菌：迈向内生生物防治

学习利用嗜盐微生物发酵将食物垃圾转化为可生物降解的PHA生物塑料的无化学方法。该可扩展工艺通过厌氧消化预处理实现高效回收，为塑料污染治理和有机废弃物管理提供可持续解决方案。

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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