食品廃棄物からの持続可能なバイオプラスチック生産のためのスケーラブルな段階的アプローチ

Xueyao Zhang; Mingxi Wang; Yebo Li; Stephanie Lansing; Zhi-Wu Wang

doi:10.3791/68499

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方法論記事

食品廃棄物からの持続可能なバイオプラスチック生産のためのスケーラブルな段階的アプローチ

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DOI：

10.3791/68499

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2025年7月18日

Xueyao Zhang¹ , Mingxi Wang¹ , Yebo Li² , Stephanie Lansing³ , Zhi-Wu Wang¹

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

この記事について

サマリー

このプロトコルは、食品廃棄物を生分解性ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)バイオプラスチックに変換するためのスケーラブルな方法を提供します。食品廃棄物の前処理には停止した嫌気性消化を、PHA生合成には好塩性微生物発酵を、PHA回収には化学薬品を含まない下流プロセスを利用します。

要約

世界的なマイクロプラスチック危機は、食品廃棄物処理の課題の増大と相まって、これらの環境問題に一緒に対処するための革新的な解決策を必要としています。ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)は、海洋生態系を含むすべての環境で完全に生分解性を持つユニークなバイオプラスチックであり、石油ベースのプラスチックに代わる持続可能な選択肢を提供します。同時に、食品廃棄物をPHA生産の原料として利用することは、食品廃棄物処理の課題を軽減しながら、価値の高い生分解性プラスチックを生産するための効果的な戦略を提供します。この研究では、食品廃棄物からPHAを生成するための段階的なプロトコルを提供し、高い細胞PHA含有量と品質を確保するために必要なクリティカルケアを強調しています。このプロセスは、嫌気性環境を維持し、固体保持時間などのパラメータを最適化することで、食品廃棄物を微生物同化可能な揮発性脂肪酸(VFA)に変換するアレスド嫌気性消化から始まります。次に、VFAが豊富な消化物を使用して、乾燥細胞重量の最大66%±5%のPHAを蓄積できる好塩性微生物である Haloflex mediterraneiを培養します。 H. mediterranei の高塩分栽培環境は、培養汚染を防ぎ、最適なPHA生産を確保しました。細胞増殖は、PHAハーベスティングの理想的な時間を決定するために、光学密度を測定することによってモニターされます。細胞は、浸透圧勾配を活用した化学薬品を含まない水ベースの方法を使用して溶解され、93±3%のPHA回収を達成し、続いて溶媒ベースのPHA精製により96%±2%のPHA純度が得られます。各ステップは、高品質の生分解性プラスチックの生産を確保するために不可欠です。この論文では、停止型嫌気性消化、純培養発酵、ケミカルフリー細胞溶解、および溶媒ベースのPHA精製の詳細な方法を提供し、食品廃棄物をパイロットおよびフルスケールのアプリケーションに適した生分解性バイオプラスチックに変換するためのスケーラブルで持続可能なアプローチを提供します。

概要

プラスチック汚染と食品廃棄物処理は環境問題の高まりであり、持続可能な廃棄物管理と材料開発を通じて両方の課題に対処する革新的なアプローチの必要性が浮き彫り^{になっています1}。従来の石油由来のプラスチックは、環境汚染やマイクロプラスチック汚染の主な原因であり、何世紀にもわたって埋め立て地や水生生態系に存在し続けています²。ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)は、微生物バイオプラスチックの一種であり、従来のプラスチックに匹敵する機械的特性を持つ完全生分解性の代替品を提供しながら、自然環境での完全な分解を保証します³。しかし、PHAの高い製造コストは、依然として広範な商業的採用の大きな障壁となっています⁴。この制限を克服するための有望なアプローチの1つは、コーンスターチやグルコース5などの純粋な炭素源に依存する現在の工業プロセスでは、原料が総生産費の約50%を占めるため、微生物PHA生合成のための費用対効果の高い炭素源として有機廃棄物を活用する^{ことです。}廃棄物の価値を高めることで、このアプローチは有機材料を埋め立て地から転用するだけでなく、石油ベースのプラスチックの持続可能な代替品に変換し、廃棄物の蓄積とプラスチック汚染の問題に同時に対....