Este protocolo presenta un método escalable para convertir los residuos de alimentos en bioplásticos biodegradables de polihidroxialcanoato (PHA). Utiliza la digestión anaeróbica detenida para el pretratamiento de residuos de alimentos, la fermentación microbiana halófila para la biosíntesis de PHA y un proceso posterior libre de químicos para la recuperación de PHA.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
Enfoque escalable paso a paso de la producción sostenible de bioplásticos a partir de residuos alimentarios
En este artículo
Resumen
Resumen
La crisis mundial de los microplásticos, junto con los crecientes desafíos de la eliminación de residuos alimentarios, requiere soluciones innovadoras para abordar juntos estos problemas ambientales. Los polihidroxialcanoatos (PHA) son bioplásticos únicos que son totalmente biodegradables en todos los entornos, incluidos los ecosistemas marinos, lo que ofrece una alternativa sostenible a los plásticos derivados del petróleo. Al mismo tiempo, la utilización de los residuos alimentarios como materia prima para la producción de PHA proporciona una estrategia eficaz para mitigar los retos de la eliminación de los residuos alimentarios al tiempo que se producen plásticos biodegradables de alto valor. Este estudio proporciona un protocolo paso a paso para producir PHA a partir de residuos de alimentos, haciendo hincapié en el cuidado crítico requerido para garantizar un alto contenido y calidad de PHA celular. El proceso comienza con la digestión anaeróbica detenida, que convierte los residuos de alimentos en ácidos grasos volátiles (AGV) asimilables microbianamente manteniendo un entorno anaeróbico y optimizando los parámetros, como el tiempo de retención de sólidos, para maximizar la producción de AGV, un precursor clave para la síntesis de PHA. El digestato rico en AGV se utiliza para cultivar Haloflex mediterranei, un microorganismo halófilo capaz de acumular PHA hasta el 66% ± el 5% de su peso de células secas. El ambiente de cultivo de alta salinidad de H. mediterranei evitó la contaminación del cultivo, asegurando una producción óptima de PHA. El crecimiento celular se monitorea midiendo la densidad óptica para determinar el momento ideal para la recolección de PHA. Las células se lisan utilizando un método a base de agua libre de químicos que aprovecha un gradiente de presión osmótica, logrando una recuperación de PHA del 93% ± 3%, seguida de una purificación de PHA a base de solventes para obtener una pureza de PHA del 96% ± 2%. Cada paso es vital para garantizar la producción de plásticos biodegradables de alta calidad. Este documento proporciona métodos detallados para la digestión anaeróbica detenida, la fermentación de cultivos puros, la lisis celular sin productos químicos y la purificación de PHA a base de solventes, ofreciendo un enfoque escalable y sostenible para convertir los desechos de alimentos en bioplásticos biodegradables adecuados para aplicaciones piloto y a gran escala.
Introducción
La contaminación por plásticos y la eliminación de residuos de alimentos son preocupaciones medioambientales crecientes, lo que pone de manifiesto la necesidad de enfoques innovadores que aborden ambos retos mediante la gestión sostenible de los residuos y el desarrollo de materiales1. Los plásticos convencionales derivados del petróleo son los principales contribuyentes a la contaminación ambiental y a la contaminación por microplásticos, y persisten en los vertederos y los ecosistemas acuáticos durante siglos2. Los polihidroxialcanoatos (PHA), una clase de bioplásticos microbianos, ofr....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Protocolo
1. Recogida y preparación de residuos alimentarios
- Recoja los desechos de alimentos de los restaurantes locales, como se muestra en la Figura 1A. Evaluar visualmente los residuos obtenidos. Las observaciones revelaron que los residuos consistían principalmente en cáscaras de verduras, carne cruda desechada y componentes ricos en carbohidratos como arroz y fideos. Es posible que sea necesario medir la relación carbono/nitrógeno (C:N) como se detalla en los pasos 5.1 y 5.2, y ajustarla si el desperdicio de alimentos es predominantemente rico en carbono, con una relación C:N óptima cercana a 20:1
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Resultados
Características del desperdicio de alimentos y producción de AGV a partir de aAD
En la Tabla 1 se muestra un ejemplo de la relación TS, VS y C:N en los purines de residuos de alimentos preparados. Debido a la variabilidad inherente en la composición de los residuos alimentarios en las diferentes fuentes de muestreo y en el tiempo, se esperan fluctuaciones en los valores de la relación TS, VS y C:N. Si bien la variabilidad es aceptable, las mediciones periódicas de la relación TS, VS y.......
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Discusión
Producción de VFA a partir de aAD
El AGV desempeña un papel crucial como precursor clave de H. mediterranei en la conversión de los residuos alimentarios en PHA. Por lo tanto, es esencial mantener una alta concentración de AGV durante la DAa. Se pueden emplear varias estrategias para mejorar la producción de AGV en aAD25. Un enfoque eficaz es la optimización de la TRS, con una duración ideal de 8 días o menos, que promueve el lavado de.......
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Este estudio contó con el apoyo del Departamento de Energía-Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (Premio Prime No. DEEE0009268) y el Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (Laudo No. 2023-79000-38973).
....Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Aire | Airgas | AI UZ300 | Se utiliza para el funcionamiento de GC |
| Bomba de aire | Cloudray | Hailea ACO-009D | |
| Cloruro de amonio | Acros Organics | A0396560 | |
| Autoclave | STERIS | Laboratorio AMSCO 250 | Utilizado en la preparación del medio ATCC |
| Equilibrar | METTLER TOLEDO | ME204TE/00 | |
| Batidora | VEVOR | IB750LV + BLD300 + WB-1 | |
| Balde | Lowe's | Modelo 50640 | Cubo general de plástico libre de BPA de 5 galones |
| Cloruro de calcio dihidrato | Acros Organics | A0362932 | |
| Cloroformo | Millipore Sigma | C2432 | |
| Desecador | Cualquier tipo que se pueda utilizar en la medición de TS, VS, VSS | ||
| Tubos de digestión, tapón de rosca con revestimiento de PTFE | Millipore Sigma | CLS982613 | |
| Bloque de reactor digital | Empresa Hach | DRB200 | Utilizado en los métodos de cuantificación de AGV de Hach |
| Agitador digital | SCILOGEX | SCI550-Pro | |
| Centrífuga de disco | Alfa Laval Inc. | Clara 20 | |
| Matraces Erlenmeyer | Amazona | B07V3JPQMM | |
| Etanol | Amazona | B09DGVL4ML | |
| Liofilizador | Labconco | 10030133, 1027319 y 0109621 | Sistemas de liofilización FreeZone de 2,5 litros |
| Campana extractora | Corporación Científica Kewaunee | Aire Supremo LV | |
| Horno | Thermo Scientific | Modelo F30428C | |
| Cromatografía de gases (GC) | Agilent | Modelo 8890 | |
| Haloferax mediterranei | ATCC | 33500 | |
| Hidrógeno | Airgas | HY UHP300 | Se utiliza para el funcionamiento de GC |
| Cuchillo | Cualquier tipo utilizado para reducir el desperdicio de alimentos | ||
| Aceite lubricante | Compañía científica Fisher | NC9844626 | |
| Cloruro de magnesio hexahidratado | Compañía científica Fisher | BP214-500 | |
| Sulfato de magnesio heptahidratado | Millipore Sigma | M1880 | |
| Metonal | Millipore Sigma | 34860 | |
| Benzoato de metilo | Millipore Sigma | 93583 | Se utiliza como estándar interno en la cuantificación de PHA |
| Lector de microplacas | Sinergia BioTek | Sinergia H1 | |
| Nitrógeno | Airgas | NI UHP300 | Se utiliza para el funcionamiento de GC |
| Horno | Thermo Scientific | OMH750 | |
| Bomba peristáltica | Simplemente bombea Inc. | PM6000 CA | Bomba autocebante de alto flujo con excelente capacidad de funcionamiento en seco, capaz de manejar lodos con alto contenido de partículas y diseñada para tubos de pared de 1/8 de pulgada. |
| Medidor de pH | Compañía científica Fisher | AE150 | |
| Estándar PHA | Millipore Sigma | 403105 | |
| Digestor piloto de aAD | Grupo energético Quasar, Independence, Ohio, EE. UU. | Fermentador de acero inoxidable con un volumen total de 100 L y un volumen de trabajo de 80 L | |
| Fermentador piloto PHA | árbol de manuka | SF-50l ISO 9001 CE | Reactor de vidrio encamisado de doble capa |
| Cloruro de potasio | G-BIOCIENCIAS | 162006 | |
| Tubería de bomba | Cualquier marca de tubos de silicona con un diámetro interior de 1/8 '' y un diámetro exterior de 3/8 '' | ||
| Bicarbonato de sodio | Fisher Chemical | 241787 | |
| Bromuro de sodio | Carolina | 21139-45 | |
| Cloruro de sodio | Amazon | B0787CFHF3 | |
| Hidróxido de sodio, Pellets | Biorreactivos Fisher | 236088 | |
| Hipoclorito de sodio | Millipore Sigma | 425044 | |
| Centrífuga Sorvall LYNX 4000 Superspeed | Thermo Scientific | 75006580 | Se utiliza para la recolección de gránulos de PHA en la recuperación posterior de PHA |
| Espectrofotómetro | Empresa Hach | DR3900 | Utilizado en los métodos de cuantificación de AGV de Hach |
| Ácido sulfúrico | Millipore Sigma | 258105 | |
| Filtro de jeringa | Amazona | B06X6GTKVY | |
| Analizador de TOC | Shimadzu | Modelo TOC-LCSN | |
| Prueba de viales de ácidos volátiles TNTplus | Empresa Hach | TNT 872 | Capaz de medir AGV en el rango de 50 a 2.500 mg/L de ácido acético. |
| Calentador de agua | Bosch Inc. | Tronic 3000 T de 7 galones (ES8) | |
| Extracto de levadura | Compañía científica Fisher | AAJ6028736 |
Referencias
- Sabapathy, P. C. Recent developments in polyhydroxyalkanoates (phas) production-a review. Biores Tech. 306, 123132(2020).
- Koller, M., Simon, K. M. R. Haloarchaea as emerging big players in future polyhydroxyalkanoate bi....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Reimpresiones y permisos
