이 프로토콜은 음식물 쓰레기를 생분해성 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 바이오 플라스틱으로 전환하는 확장 가능한 방법을 제시합니다. 음식물 쓰레기 전처리를 위한 정지된 혐기성 소화, PHA 생합성을 위한 할로필릭 미생물 발효, PHA 회수를 위한 무화학 다운스트림 공정을 활용합니다.
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이 논문에서
요약
초록
전 세계적인 미세 플라스틱 위기와 음식물 쓰레기 처리에 대한 증가하는 문제와 함께 이러한 환경 문제를 함께 해결하기 위한 혁신적인 솔루션이 필요합니다. 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 해양 생태계를 포함한 모든 환경에서 완전히 생분해되는 고유한 바이오 플라스틱으로, 석유 기반 플라스틱에 대한 지속 가능한 대안을 제공합니다. 동시에 음식물 쓰레기를 PHA 생산의 공급 원료로 활용하면 고부가가치 생분해성 플라스틱을 생산하는 동시에 음식물 쓰레기 처리 문제를 완화할 수 있는 효과적인 전략을 얻을 수 있습니다. 이 연구는 음식물 쓰레기에서 PHA를 생성하기 위한 단계별 프로토콜을 제공하며, 높은 세포 PHA 함량과 품질을 보장하는 데 필요한 중요한 관리를 강조합니다. 이 공정은 혐기성 환경을 유지하고 고체 머무름 시간과 같은 매개변수를 최적화하여 PHA 합성의 핵심 전구체인 VFA 생산을 극대화함으로써 음식물 쓰레기를 미생물로 동화될 수 있는 휘발성 지방산(VFA)으로 변환하는 정지된 혐기성 소화로 시작됩니다. 그런 다음 VFA가 풍부한 소화액을 사용하여 PHA를 건조 세포 중량의 최대 66% ± 5%까지 축적할 수 있는 할로필릭 미생물인 Haloflex mediterranei를 배양합니다. H. meditranei 의 높은 염도 배양 환경은 배양 오염을 방지하여 최적의 PHA 생산을 보장했습니다. PHA 수확을 위한 이상적인 시간을 결정하기 위해 광학 밀도를 측정하여 세포 성장을 모니터링합니다. 세포는 삼투압 구배를 활용하는 화학 물질이 없는 수성 방법을 사용하여 용해되어 93% ± 3%의 PHA 회수율을 달성한 다음 용매 기반 PHA 정제를 통해 96% ± 2%의 PHA 순도를 얻습니다. 각 단계는 고품질의 생분해성 플라스틱을 생산하는 데 필수적입니다. 이 백서는 정지 혐기성 소화, 순수 배양 발효, 무화학 세포 용해 및 용매 기반 PHA 정제에 대한 자세한 방법을 제공하여 음식물 쓰레기를 파일럿 및 본격적인 응용 분야에 적합한 생분해성 바이오 플라스틱으로 전환하기 위한 확장 가능하고 지속 가능한 접근 방식을 제공합니다.
서론
플라스틱 오염과 음식물 쓰레기 처리는 환경 문제를 점점 더 심각하게 다루고 있으며, 지속 가능한 폐기물 관리와 재료 개발을 통해 두 가지 문제를 모두 해결하는 혁신적인 접근 방식의 필요성을 강조하고 있습니다1. 기존의 석유 기반 플라스틱은 환경 오염 및 미세 플라스틱 오염의 주요 원인으로, 수세기 동안 매립지와 수생 생태계에 남아 있습니다2. 미생물 바이오 플라스틱의 일종인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)는 자연 환경에서 완전한 분해를 보장하면서 기존 플라스틱과 유사한 기계적 특성을 가진 완전히 생분해되는 대안을 제공합니다3. 그러나 PHA의 높은 생산 비용은 광범위한 상업적 채택에 중요한 장벽으로 남아 있습니다4. 이러한 한계를 극복하기 위한 한 가지 유망한 접근 방식은 옥수수 전분 또는 포도당과 같은 순수 탄소원에 의존하는 현재 산업 공정에서 공급 원료가 총 생산 비용의 약 50%를 차지하기 때문에 유기 폐기물을 미생물 PHA 생합성을 위한 비용 효율적인 탄소원으로 활용하는 것입니다5. 폐기물을 가치 있게 평가함으로....
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프로토콜
1. 음식물쓰레기 수거 및 준비
- 그림 1A와 같이 지역 식당에서 음식물 쓰레기를 수거합니다. 얻은 폐기물을 육안으로 평가합니다. 관찰 결과 폐기물은 주로 야채 껍질, 버려진 날고기, 쌀과 국수와 같은 탄수화물이 풍부한 성분으로 구성되어 있는 것으로 나타났습니다. 탄소-질소(C:N) 비율은 5.1단계 및 5.2단계에 설명된 대로 측정해야 할 수 있으며, 음식물 쓰레기가 주로 탄소가 풍부한 경우 최적 C:N 비율이 20:128에 가깝게 조정되어야 할 수 있습니다.
- 10갤런 양동이에 5kg의 음식물 쓰레기를 넣고 물 2.5L를 넣으십시오. 블렌더를 전원에 연결합니다. 칼날을 음식물 쓰레기와 물 혼합물에 담근 다음 시작 버튼을 눌러 블렌딩을 시작합니다. 완전히 균질화될 때까지 최소 30분 동안 블렌딩합니다(그림 1B). 음식물 쓰레기가 완전히 혼합되도록 날을 위아래로 움직입니다.
주의 : 과열을 방지하기 위해 블렌더의 시작 버튼은 1분 작동 후 2분 동안 손을 떼야 할 수 있습니다. - 블렌딩 후 블렌더를 제거하고 뜨거운 물과 주방 ....
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결과
aAD의 음식물 쓰레기 특성 및 VFA 생산
준비된 음식물 쓰레기 슬러리에서 TS, VS 및 C:N 비율의 예가 표 1에 나와 있습니다. 다양한 샘플링 소스와 시간에 따른 음식물 쓰레기 구성의 고유한 변동성으로 인해 TS, VS 및 C:N 비율 값의 변동이 예상됩니다. 변동성은 허용되지만, 공정 모니터링, 미생물 균형 및 전반적인 aAD 시스템 최적화를 위해서는 정기적인 TS, VS 및 C:N 비율 측정이 필수적입니다37.
VFA 농도는 aAD 소화조 작동의 안정성과 효율성을 나타내는 핵심 지표 역할을 합니다. 표 3 은 4가지 작동 주기의 VFA 데이터를 예로 제시합니다. 이 주기 동안 VFA 농도는 4.13 ± 0.05g HAc/L로 안정적으로 유지되어 aAD 발효기가 VFA를 꾸준히 생산할 수 있음을 확인했습니다. 이 값은 문헌
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토론
aAD에서 VFA 제작
VFA는 음식물 쓰레기를 PHA로 전환하는 데 있어 H. mediterranei의 핵심 전구체로서 중요한 역할을 합니다. 따라서 aAD 동안 높은 VFA 농도를 유지하는 것이 필수적입니다. aAD25에서 VFA 생산을 향상시키기 위해 몇 가지 전략을 사용할 수 있습니다. 한 가지 효과적인 접근법은 이상적인 기간이 8일 이하인 SRT 최적화로, 이는 가수분해 및 산성형성을 최대화하면서 메탄겐의 세척을 촉진하여 과도한 VFA 소비를 방지합니다46. 호열성 조건(45-55°C)은 기판 가용화 및 산성 형성을 개선하여 중온성 조건에 비해 VFA 생산성을 높일 수 있기 때문에 온도 조절은 또 다른 효과적인 접근 방식입니다47. 또한, 2-브로모에탄설포네이트(2-bromoetha.......
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공개 사항
저자는 공개할 내용이 없습니다.
감사의 글
이 연구는 에너지부-에너지 효율 및 재생 에너지 사무국(Prime Award No. DEEE0009268) 및 미국 농무부 국립식량농업연구소(수상 번호 2023-79000-38973).
....액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 공기 | 에어가스 | AI UZ300 | GC 작업에 사용 |
| 공기펌프자리 | 클라우드레이 | 하일레아 ACO-009D | |
| 염화암모늄 | 아크로스 오가닉스 | A0396560 | |
| 오토 클레이 브 | 스테리스 | AMSCO 연구소 250 | ATCC 배지 준비에 사용 |
| 저울 | 메틀러 토레도 | 00 ME204TE | |
| 믹서 | 베보르 | IB750LV+BLD300+WB-1 | |
| 통 | 로우스 | 모델 50640 | 5갤런 BPA 프리 플라스틱 일반 버킷 |
| 염화칼슘 이수화물 | 아크로스 오가닉스 | A0362932 | |
| 클로로포름 | 밀리포어 시그마 | C2432 | |
| 데시케이터 | TS, VS, VSS 측정에 사용할 수 있는 모든 유형 | ||
| 소화 튜브, PTFE 라이너가 있는 스크류 캡 | 밀리포어 시그마 | CLS982613 | |
| 디지털 리액터 블록 | Hach 회사 | DRB200 | Hach VFA 정량화 방법에 사용 |
| 디지털 교반기 | 사이로펙스 | SCI550-프로 | |
| 디스크 원심분리기 | 알파라발 Inc. | 클라라 20 | |
| 삼각 플라스크 | 아마존 | B07V3JPQMM | |
| 에탄올 | 아마존 | B09DGVL4ML | |
| 동결 건조기 | 랩콘코 | 10030133, 1027319 및 0109621 | FreeZone 2.5리터 동결 건조 시스템 |
| 흄 후드 | 케와우니 사이언티픽 코퍼레이션 | 슈프림 에어 LV | |
| 노 | 써모 사이언티픽 | 모델 F30428C | |
| 가스 크로마토그래피(GC) | 애질런트 | 모델 8890 | |
| Haloferax mediterranei | ATCC | 33500 | |
| 수소 | 에어가스 | 하이 UHP300 | GC 작업에 사용 |
| 칼 | 음식물 쓰레기 절단에 사용되는 모든 유형 | ||
| 윤활유 | 피셔 사이언티픽 컴퍼니 | NC9844626 | |
| 염화마그네슘 육수화물 | 피셔 사이언티픽 컴퍼니 | BP214-500 시리즈 | |
| 황산마그네슘 칠수화물 | 밀리포어 시그마 | 엠1880 | |
| 메토날 | 밀리포어 시그마 | 34860 | |
| 메틸 벤조에이트 | 밀리포어 시그마 | 93583 | PHA 정량화에서 내부 표준으로 사용 |
| 마이크로플레이트 리더 | 바이오텍 시너지 | 시너지 H1 | |
| 질소 | 에어가스 | NI UHP300 | GC 작업에 사용 |
| 오븐 | 써모 사이언티픽 | OMH750 | |
| 연동 펌프 | 심플리 펌프스 Inc. | PM6000 교류 | 고유량, 자체 프라이밍 펌프는 뛰어난 건식 작동 기능을 갖추고 있으며 고미립자 슬러리를 처리할 수 있으며 1/8인치 벽 튜브용으로 설계되었습니다. |
| pH 측정기 | 피셔 사이언티픽 컴퍼니 | AE150 | |
| PHA 표준 | 밀리포어 시그마 | 403105 | |
| 파일럿 aAD 소화조 | 퀘이사 에너지 그룹, 미국 오하이오주 인디펜던스 | 총 부피가 100L이고 작업량이 80L 인 스테인리스 스틸 발효기; | |
| 파일럿 PHA 발효기 | 마누카트리 | SF-50l ISO 9001 세륨 | 이중층 재킷 유리 반응기 |
| 염화칼륨 | 지바이오사이언스 | 162006 | |
| 펌프 튜브 | 1/8'' ID 및 3/8'' OD를 가진 모든 브랜드의 실리콘 튜브 | ||
| 중탄산나트륨 | 피셔 케미칼 | 241787 | |
| 브롬화나트륨 | 캐롤라이나 | 21139-45 | |
| 소금 | 아마존 | B0787CFHF3 | |
| 수산화나트륨, 펠릿 | 피셔 바이오시약 | 236088 | |
| 차아염소산나트륨 | 밀리포어 시그마 | 425044 | |
| Sorvall LYNX 4000 초고속 원심분리기 | 써모 사이언티픽 | 75006580 | 다운스트림 PHA 회수에서 PHA 과립 수집에 사용 |
| 분광 광도계 | Hach 회사 | DR3900 시리즈 | Hach VFA 정량화 방법에 사용 |
| 황산 | 밀리포어 시그마 | 258105 | |
| 주사기 필터 | 아마존 | B06X6GTKVY | |
| TOC 분석기 | 시마즈 | 모델 TOC-LCSN | |
| 휘발성 산 TNTplus 바이알 테스트 | Hach 회사 | TNT 872 | 50 - 2,500 mg/L 아세트산 범위의 VFA를 측정할 수 있습니다. |
| 온수 | 보쉬 주식회사 | 트로닉 3000 T 7갤런(ES8) | |
| 효모 추출물 | 피셔 사이언티픽 컴퍼니 | AAJ6028736 |
참고문헌
- 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....
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