Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Масштабируемый поэтапный подход к устойчивому производству биопластика из пищевых отходов

2.2K просмотров

DOI:

10.3791/68499

18 июля 2025 г.

В этой статье

Краткое содержание

В этом протоколе представлен масштабируемый метод преобразования пищевых отходов в биоразлагаемые биопластики полигидроксиалканоат (PHA). Он использует замедленное анаэробное сбраживание для предварительной обработки пищевых отходов, галофильную микробную ферментацию для биосинтеза PHA, а последующий процесс без химикатов для восстановления PHA.

Аннотация

Глобальный кризис микропластика в сочетании с растущими проблемами утилизации пищевых отходов требует инновационных решений для совместного решения этих экологических проблем. Полигидроксиалканоаты (PHA) — это уникальные биопластики, которые полностью биоразлагаемы во всех средах, включая морские экосистемы, предлагая устойчивую альтернативу пластику на нефтяной основе. В то же время использование пищевых отходов в качестве сырья для производства PHA обеспечивает эффективную стратегию для смягчения проблем утилизации пищевых отходов при производстве высококачественных биоразлагаемых пластиков. В этом исследовании представлен пошаговый протокол производства PHA из пищевых отходов, в котором особое внимание уделяется критически важной осторожности, необходимой для обеспечения высокого содержания и качества PHA в клетках. Процесс начинается с замедленного анаэробного сбраживания, которое преобразует пищевые отходы в микробно усваиваемые летучие жирные кислоты (НЖК) путем поддержания анаэробной среды и оптимизации параметров, таких как время удержания твердых веществ, для максимального увеличения производства НЖК, ключевого предшественника для синтеза ПЖК. Богатый VFA дигестат затем используется для культивирования Haloflex mediterranei, галофильного микроорганизма, способного накапливать PHA до 66% ± 5% от массы сухих клеток. Высокая засоленность H . mediterranei предотвратила загрязнение культуры, обеспечив оптимальное производство PHA. Рост клеток контролируется путем измерения оптической плотности, чтобы определить идеальное время для сбора PHA. Клетки лизируют методом на водной основе, не содержащим химикатов, с использованием осмотического градиента давления, достигая 93% ± 3% восстановления PHA, с последующей очисткой PHA на основе растворителя для получения чистоты PHA 96% ± 2%. Каждый шаг имеет жизненно важное значение для обеспечения производства высококачественного, биоразлагаемого пластика. В этой статье подробно описаны методы замедленного анаэробного сбраживания, ферментации чистой культуры, лизиса клеток без использования химических веществ и очистки PHA на основе растворителей, предлагая масштабируемый и устойчивый подход к преобразованию пищевых отходов в биоразлагаемые биопластики, подходящие для пилотного и полномасштабного применения.

Введение

Загрязнение пластиком и утилизация пищевых отходов вызывают растущую экологическую озабоченность, подчеркивая необходимость инновационных подходов, которые решают обе проблемы за счет устойчивого управления отходами и разработки материалов1. Обычные пластмассы на нефтяной основе являются основными источниками загрязнения окружающей среды и микропластика, сохраняясь на свалках и в водных экосистемах на протяжении веков2. Полигидроксиалканоаты (PHA), класс микробных биопластиков, представляют собой полностью биоразлагаемую альтернативу с механическими свойствами, сравнимыми с обычными пластиками, обеспечивая при этом полное разложение в естественной среде3. Тем не менее, высокие производственные затраты на PHA остаются серьезным препятствием для широкого коммерческого внедрения4. Одним из перспективных подходов к преодолению этого ограничения является использование органических отходов в качестве экономически эффективного источника углерода для микробного биосинтеза PHA, поскольку на сырье приходится примерно 50% общих производственных затрат в текущих промышленных процессах, которые зависят от чистых источников углерода, таких как кукурузный крахмал или глюкоза-5. Повышая ценность отходов, этот подход не только отводит органические материалы от свалок, но и превращает их в устойчивую альтернативу пластику на нефтяной основе, одновременно решая проблемы накопления отходов и загрязнения пластиком.

H. mediterranei, галофильный микроорганизм, демонстрирует большой потенциал использования сырья, полученного из отходов, для производства PHA благодаря своей способности процветать в условиях высокой солености (2-5 M NaCl), что естественным образом предотвращает загрязнение, подавляя рост негалофильных микробов6. Такая среда с высокой соленостью устраняет необходимость в строгой стерилизации при промышленной ферментации, снижая эксплуатационные расходы. В отличие от традиционных бактериальных продуцентов PHA, H. mediterranei эффективно метаболизирует широкий спектр источников углерода, полученных из отходов, и, как сообщается, накапливает PHA до 70% своей сухой клеточной массы (DCW) в качестве механизма реагирования на стресс 7,8. Кроме того, его среда с высокой соленостью обеспечивает простую последующую обработку, поскольку осмотический шок, вызванный погружением в воду, эффективно разрушает клетки, обеспечивая высвобождение PHA без необходимости ферментативной илихимической обработки. Эти преимущества делают H. mediterranei идеальным кандидатом для масштабируемого производства биопластика на основе отходов.

В существующих исследованиях изучались различные отходы, включая сырную сыворотку, сточные воды оливковых заводов и агропромышленные отходы, для ферментации PHA H. mediterranei 6,10,11,12,13,14,15,16,17,18 . Высокая изменчивость состава отходов представляет собой серьезную проблему, требующую различных стратегий предварительной обработки, таких как ферментативный гидролиз, кислотный гидролиз или термическая обработка, перед ассимиляцией микроорганизмов 11,17,19,20. В данном случае остановленное анаэробное сбраживание (aAD) обеспечивает масштабируемое решение путем преобразования разнообразных пищевых отходов в однородный дигестат, богатый летучими жирными кислотами (VFA), служащий прямым предшественником для синтеза PHA H. mediterranei21,22. Этот процесс повышает консистенцию исходного сырья и снижает изменчивость субстрата, одновременно повышая эффективность микробной ферментации.

Несмотря на его потенциал, лишь в нескольких исследованиях был успешно продемонстрирован этот двухступенчатый процесс, объединяющий ферментацию aAD и микробной PHA для общего преобразования пищевых отходов в биопластик с помощью H. mediterranei 23,24,25. В этом исследовании представлен подробный пошаговый протокол, охватывающий предварительную обработку пищевых отходов, производство РЖК методом полунепрерывного aAD и ферментацию чистой культуры H. mediterranei для производства PHA. Кроме того, в то время как предыдущие исследования подтвердили экстракцию PHA на водной основе из H. mediterranei, ни в одном из них не была количественно оценена эффективность и чистота извлечения PHA с использованием этого метода11,18. Данное исследование устраняет этот пробел путем демонстрации метода восстановления PHA без использования химических веществ с использованием осмотического лизиса водой и количественной оценки его эффективности по сравнению с традиционными методами извлечения PHA на основе гипохлорита натрия (NaClO)26. Кроме того, в этом исследовании оценивается чистота восстановленной в воде PHA, обеспечивая всестороннюю оценку ее эффективности для масштабируемого производства биопластика.

Чтобы преодолеть разрыв между осуществимостью в лабораторных масштабах и промышленным внедрением, этот протокол разработан для масштабируемости в промышленных приложениях, включая экспериментальную ферментацию aAD и PHA, а также дисковое центрифугирование для разделения клеток, широко используемый метод в биопроцессах и крупномасштабной микробной ферментации. Оптимизируя преобразование пищевых отходов в биопластик, этот метод поддерживает индустриализацию крупномасштабной валоризации отходов, продвигая инициативы по биоэкономике замкнутого цикла. Интеграция сырья, полученного из отходов, галофильная ферментация и экологически безопасная стратегия восстановления PHA позволяют эффективно перерабатывать отходы в биополимеры, снижая зависимость от пластика на основе ископаемого топлива и способствуя устойчивому производству биопластика.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Сбор и подготовка пищевых отходов

  1. Соберите пищевые отходы из местных ресторанов, как показано на рисунке 1A. Оцените полученные отходы визуально. Наблюдения показали, что отходы в основном состояли из овощной кожуры, выброшенного сырого мяса и богатых углеводами компонентов, таких как рис и лапша. Соотношение углерода к азоту (C:N) может потребоваться измерить, как подробно описано на этапах 5.1 и 5.2, и скорректировать, если пищевые отходы преимущественно богаты углеродом, с оптимальным соотношением C:N, близким к 20:128.
  2. Положите 10 кг пищевых отходов в 5-галлонное ведро и добавьте 2,5 л воды. Подключите блендер к источнику питания. Погрузите лезвие в смесь пищевых отходов и воды, затем нажмите кнопку «Пуск », чтобы начать смешивание. Взбивайте не менее 30 минут до полной гомогенизации (Рисунок 1B). Перемещайте лезвие вверх и вниз, чтобы обеспечить тщательное смешивание пищевых отходов.
    ВНИМАНИЕ: Во избежание перегрева кнопку запуска блендера может потребоваться отпускать на 1 минуту после каждых 2 минут работы.
  3. После смешивания снимите блендер и очистите его горячей водой с мылом для посуды. Накройте ведро крышкой, наклейте на ведро этикетку с названием образца и датой подготовки и храните при температуре 4 °C, если не используете его сразу.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за различий в свойствах пищевых отходов, собранных из разных источников и в разное время, основные параметры приготовленной суспензии, такие как общее содержание твердых веществ (TS) и летучих твердых веществ (VS), должны измеряться на основе шага 5.1 после каждого приготовления, чтобы обеспечить точный ввод TS и VS для последующего использования. В этом протоколе 4 °C — для кратковременного хранения (менее 7 дней), а -20 °C — для долгосрочного.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Визуальное сравнение пищевых отходов ресторана до и после гомогенизации. На фотографиях видны (А) сырые пищевые отходы и (Б) гомогенизированная суспензия из пищевых отходов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

2. Производство ВЖК с помощью aAD

  1. Эксплуатация опытного (100 л) биореактора aAD (Рисунок 2А) для преобразования пищевых отходов в VFA.
    1. Проверьте подключение питания и герметичность пилотного дигестора aAD. Установите температуру варочного котла на уровне 35 °C и скорость перемешивания на уровне 150 об/мин.
    2. Нажмите кнопку «Поднять », чтобы поднять крышку реактора. Остановитесь, когда крышка поднимется примерно на 40 см, нажав кнопку «Стоп ».
    3. Добавляйте культуру, собранную из метантенка для семян aAD, в пилотный дигестор aAD до тех пор, пока она не достигнет рабочего объема 80 л. Подробную информацию о варочном котле можно найти в предыдущем исследовании25.
    4. Нажмите кнопку «Опустить » до полного закрытия крышки, затем закрепите ее зажимами. Это гарантирует, что метантенк поддерживает анаэробные условия.
    5. В этом исследовании в метантенке aAD поддерживалось стабильное время удержания (SRT) в 9 дней. Подавайте и выгружайте 1/3 рабочего объема варочного котла (примерно 26,7 л) каждые 3 дня, как описано ниже.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Традиционное анаэробное сбраживание работает с SRT 14-30 дней для производства метана29,30. При этом используется короткая 9-дневная СРТ для ингибирования метаногенеза, способствуя накоплению ВЖК для успешного проведения АД.
    6. Выгрузка части содержимого aAD перед кормлением. Чтобы облегчить разгрузку и предотвратить засорение, временно увеличьте скорость перемешивания в варочном котле со 150 об/мин до 200 об/мин и поддерживайте эту скорость в течение 20 минут перед выгрузкой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличение скорости перемешивания обеспечивает равномерное распределение твердых частиц в дигестате, облегчая выгрузку и однородный отбор проб.
    7. Откройте выпускной клапан в нижней части пилотного дигестата и выгрузите 1/3 рабочего объема дигестата. Соберите выгруженный дигестат в ведра и храните их при температуре 4 °C для анализа VFA и последующего разделения твердой и жидкой фаз на этапе 2.2.
    8. Используйте норму органической нагрузки (OLR) 2,5 г VS/L-день, а VS суспензии пищевых отходов в среднем составила ~14,5% (Таблица 1). Для этого требуется 4,1 кг сырого веса суспензии пищевых отходов в соответствии с уравнением 1 для достижения расчетного OLR. Возьмите пробу этой навозной жижи весом 4,1 кг и поместите ее в отдельное ведро для последующей подкормки.
      Влажный вес навозной жижи из пищевых отходов, подлежащей скармливанию = figure-protocol-2 (1)
      при этом OLR составляет 2,5 г VS/L-день, интервал подачи 3 дня, рабочий объем 80 л, VS 14,5%.
    9. Добавьте воду в отдельное ведро, содержащее вышеупомянутую суспензию для пищевых отходов весом 4,1 кг до тех пор, пока не будет достигнут объем, рассчитанный по уравнению 2, который в данном примере составляет 26,7 л.
      figure-protocol-3(2)
      Где интервал подачи составляет 3 дня, рабочий объем – 80 л, а SRT – 9 дней.
    10. Используйте перистальтический насос для подачи этой суспензии из пищевых отходов объемом 26,7 л в метантенк aAD, показанный на рисунке 2A. Убедитесь, что входная трубка перистальтического насоса остается погруженной в жидкость подающего ведра до тех пор, пока вся жидкость не будет перекачана.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Во время процесса всасывания трубка может слегка вибрировать, что является нормальным явлением.
    11. Выключите насос и отключите его от сети. Сбросьте скорость перемешивания пилотного метантенка до 150 об/мин на 30 минут, чтобы гомогенизировать новый корм с существующим дигестатом.
    12. Вылейте 3 л гомогенизированного дигестата в ведро с целью регулировки pH. Выдавите 100 мл дигестата из 3 л гомогенизированного дигестата в стакан и измерьте pH.
    13. Постепенно добавляйте гранулы NaOH в 100 мл дигестата, пока его pH не достигнет 5,5. Чтобы рассчитать вес добавленных гранул NaOH, рассчитайте потерю веса контейнера для гранул NaOH до и после корректировки pH.
    14. Добавьте гранулы NaOH пропорционально объему дигестата в пилотный реактор на рисунке 2A , чтобы отрегулировать pH до 5,5. Например, если для доведения 100 мл гомогенизированного дигестата до pH 5,5 требуется 0,09 г гранул NaOH, то в пилотный метантенк aAD необходимо загрузить 72 г гранул NaOH, поскольку его рабочий объем составляет 80 л, т. е. 80 л / 0,1 л × 0,09 г = 72 г.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку идеальный диапазон pH для aAD составляет 5-5,531, после каждого кормления pH необходимо регулировать до 5,5. Во время aAD pH всегда будет падать из-за реакции подкисления. Следовательно, настоятельно рекомендуется следовать шагам с 2.1.13 по 2.1.16 для ежедневной проверки и корректировки pH, если это необходимо.
    15. Проверьте пилотный реактор, чтобы убедиться, что все клапаны закрыты, и отрегулируйте скорость перемешивания на уровне 150 об/мин, чтобы обеспечить прерывистое перемешивание для следующего цикла работы aAD.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пилотный дигестор aAD в данном исследовании работает в полунепрерывном режиме для имитации промышленных процессов32.
  2. Разделение надосадочной жидкости для восстановления ЛЖК для ферментации ПГК
    1. Включите главный выключатель питания дисковой центрифуги.
    2. Подождите, пока текст STANDSTILL не появится на экране системного интерфейса человеко-машинный интерфейс (HMI). Убедитесь, что уровень смазочного масла превышает минимальное пороговое значение.
    3. Откройте клапан водопровода и отрегулируйте давление до 45 фунтов на квадратный дюйм. Откройте клапан воздухопровода и отрегулируйте давление до 90 фунтов на квадратный дюйм.
    4. Нажмите зеленую кнопку на экране системы HMI, чтобы начать производственный процесс дисковой центрифуги. Подождите, пока система завершит свои проверки.
    5. Контролируйте до тех пор, пока система не достигнет полной заданной скорости, которая отображается с помощью кнопки STANDBY на экране системы HMI.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость дисковой центрифуги установлена на максимальной мощности для высокоэффективного сепарации.
    6. Убедитесь, что наливной шланг погружен в разгружаемую емкость для дигестата. Подсоедините выходную трубу надосадочной жидкости дисковой центрифуги к пустому ведру объемом 5 галлонов для сбора надосадочной жидкости, которая будет использоваться для последующей ферментации PHA. Подсоедините выпускное отверстие для твердых частиц к отдельному пустому ведру для сбора остатков твердых частиц из дигестата (Рисунок 2B).
    7. Используйте перистальтический насос для подачи дигестата на вход дисковой центрифуги. Тем временем нажмите кнопку PROD на экране системы HMI. PROD расшифровывается как Production.
    8. Отрегулируйте впускной клапан так, чтобы поддерживать расход в диапазоне 0,2-0,5м3/ч и противодавление в диапазоне 0,5-1 бар.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Надосадочная жидкость циркулирует для получения более высокого коэффициента разделения в процессе производства, что относится к стадии разделения твердой и жидкой фаз дисковой центрифуги, в то время как твердые вещества накапливаются в дисковой центрифуге.
    9. Через 30 минут производственного процесса нажмите кнопку «Выгрузка » на экране системы HMI, чтобы выгрузить твердые частицы и надосадочную жидкость в соответствующее ведро (Рисунок 2B).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг основан на визуальном осмотре, так как эффективность сепарации с точки зрения TS не может быть измерена мгновенно. Как правило, 30 минут работы достаточно для достижения желаемого разделения надосадочной жидкости и твердого остатка.
    10. Собранный надосадочный слой хранить при температуре 4 °C для последующей ферментации PHA. Утилизируйте остаточные твердые частицы в соответствии с правилами утилизации биологических отходов или верните их обратно в метантенк aAD для дальнейшего сбраживания.
    11. Запустите цикл безразборной мойки (CIP), нажав кнопку CIP на экране HMI. Промойте дисковую центрифугу, следуя инструкциям, указанным в таблице 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Перистальтический насос используется для подачи и разгрузки моющего материала. Этот этап мойки важен для обслуживания оборудования.
    12. После завершения промывки выключите и отсоедините перистальтический насос, а затем нажмите кнопку PROD , чтобы убедиться, что дисковая центрифуга выгружает все из сепарационного бака. Уменьшайте скорость вращения постепенно.
    13. Нажмите красную кнопку на экране системы HMI, чтобы остановить работу. Поверните клапаны водопроводной и воздушной инженерных линий в положение ВЫКЛ. Выключите основное питание.

figure-protocol-4
Рисунок 2: Оборудование, используемое для производства РЖК и разделения твердой и жидкой фаз. (A) Опытный метантенк aAD объемом 100 л. (В) выгрузка надосадочной жидкости и твердых частиц в соответствующие ведра из сепарационного бака дисковой центрифуги. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

ПараметрыПищевые отходы
TS (%)~16.5
VS (%)~14.5
С:Н~17:1

Таблица 1: Характеристики примеров пищевых отходов.

ШагМедиаТемператураЦельПериод времени (мин)Объем разгрузки (л)Примечания
1ВодаХолодныйДля первичной промывки51Использованная вода обычно попадает в дренаж.
2ВодаГорячий (70 °C)Для термолизиса дрожжей, если применимо51Использованная вода обычно либо стекает в дренаж, либо циркулирует.
32% раствор NaOHГорячий (70 °C)Для растворения белковых отложений, если применимо201Раствор нормально циркулирует.
4ВодаГорячий (70 °C)Для промывки51Использованная вода обычно либо стекает в дренаж, либо циркулирует.
51% раствор азотной кислотыГорячий (70 °C)Для растворения неорганических отложений101Если используется мягкая вода, кислотная стирка требуется всего несколько раз в год. В этом случае возврат может перейти в дренаж. Если используется жесткая вода, при каждой безразборной мойке может потребоваться кислотная промывка. В этом случае следует использовать циркуляционную систему.
6ВодаГорячий (80–95 °C)Для промывки и стерилизации51Если мутность выделений на этом этапе высокая, повторите шаги 2.

Таблица 2: Инструкции по мойке дисковой центрифуги.

3. Ферментация PHA с использованием надосадочной жидкости, богатой VFA, дигестата

  1. Лабораторная ферментация PHA для определения оптимальных условий для масштабирования.
    1. Добавьте воду для разбавления надосадочной жидкости дигестата, собранной на шаге 2.2.9, до градиента концентраций для определения оптимального времени разбавления, которое сводит к минимуму ингибирующие эффекты потенциальных токсичных соединений, присутствующих в надосадочной жидкости дигестата пищевых отходов, обеспечивая при этом минимальное нарушение для роста клеток23.
      Примечание: Для смягчения этих ингибирующих эффектов обычно требуется минимальное двукратное разведение25.
    2. Дополните разведенный надосадочный слой дигестатом солью и питательными веществами, а именно: 156 г/л NaCl, 5 г/л дрожжевого экстракта, 13 г/л MgCl26H2O, 20 г/л MgSO47H2O, 1 г/л CaCl22H2O, 4 г/л KCl, 0,2 г/л NaHCO3 и 0,5 г/л NaBr, и NH4Cl по мере необходимости33.
    3. Измерьте соленость надосадочной жидкости дигестата с помощью датчика проводимости перед добавлением NaCl. Дигестат пищевых отходов обычно имеет незначительную соленость; однако, если присутствует высокая соленость, отрегулируйте дозировку NaCl на основе уравнения 3.
      Добавление NaCl (г) = 156 г/л NaCl × общий объем подготовленной среды - figure-protocol-5 × добавленный объем надосадочной жидкости дигестата (3)
    4. Поддерживайте соотношение C:N среды, изготовленной из надосадочной жидкости дигестата, на уровне 15. Определение присоединения NH4Cl на основе местного соотношения C:N надосадочной жидкости дигестата, измеренного в терминах общего органического углерода (ООУ) и общего азота (TN), как указано в шагах 5.2 и 5.3.
    5. Перемешивайте среду с помощью магнитной мешалки со скоростью 200 об/мин до полного растворения всех добавок. Отрегулируйте pH среды до 7,0 ± 0,05 с помощью 1 N NaOH или 1 N H2SO4.
    6. Распределите подготовленную среду по стерильным колбам Эрленмейера, заполнив только 1/5 объема, чтобы сохранить большое пространство для адекватного пропуска воздуха во время культивирования (рисунок 3А). Накройте колбу хлопком или любым другим воздухопроницаемым материалом с достаточной пористостью, чтобы обеспечить газообмен во время выращивания.
    7. Разморозьте посевную культуру H. mediterranei (активированную из коммерческой коллекции American Type Culture Collection (ATCC) 33500, которая хранится при -80 °C) путем осторожного перемешивания на водяной бане, которая установлена на нормальную температуру роста штамма H. mediterranei (например, 37 °C). Размораживание должно быть быстрым, т.е. примерно через 2 мин или до тех пор, пока все кристаллы льда не растают.
    8. Инокулировать 0,2% (v/v) семенной культуры H. mediterranei с наружным диаметром600 нм ~0,5 в подготовленную среду. Приготовьте положительную контрольную колбу с инокуляцией и отрицательную контрольную колбу без модифицирования средой ATCC 117633.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Среда ATCC имеет тот же состав питательных веществ, что и в шаге 3.1.2, за исключением того, что надосадочная жидкость дигестата заменяется 1 г/л глюкозы и не добавляется дополнительный источник азота.
    9. Инкубируйте все колбы при температуре 37 °C с встряхиванием при 150 об/мин в орбитальном шейкере. Измеряйте оптическую плотность (наружный диаметр600 нм) ежедневно, пока она не стабилизируется в неподвижной фазе, затем прекратите культивацию. Соберите розоватый бульон (рисунок 3B) для восстановления PHA на последующих этапах.
  2. Опытная ферментация PHA в стеклянном ферментере объемом 50 л.
    1. Подключите пилотный ферментер PHA (рис. 4) и водонагреватель к источнику питания.
    2. Включите выключатель нагрева водяной бани. Установите температуру на 37 °C. Включите мешалку и установите ее на 150 оборотов в минуту.
    3. Добавьте надосадочную жидкость для дигестата пищевых отходов, приготовленную с использованием оптимального коэффициента разбавления, вместе с солью и питательными добавками, указанными на шаге 3.1.2, чтобы получить рабочий объем 40 л.
    4. Отрегулируйте значение pH на 7. В подготовленную среду инокулируют 10% (v/v) посевной культуры H. mediterranei с наружным диаметром600 нм ~0,5.
    5. Включите воздушный насос пилотного ферментера и установите скорость аэрации на уровне 110м3/ч. Соберите образец и ежедневно измеряйте наружный диаметр600 нм . Когда наружный диаметр600 нм достигнет неподвижной фазы, остановите брожение и храните ферментационный бульон при температуре 4 °C для последующего восстановления PHA.
    6. Промойте ферментер водопроводной водой и 70% этанолом.

figure-protocol-6
Рисунок 3: Пред- и постферментационные колбы, полученные H . mediterranei. (А) Среда в колбах, изготовленных из надосадочной жидкости пищевого отхода дигестата перед инкубацией/ферментацией. (B) Розоватая культура H. mediterranei, богатая PHA, после ферментации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-protocol-7
Иллюстрация 4: Опытный ферментер PHA объемом 50 л. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

4. Извлечение PHA на выходе

  1. Подайте ферментационный бульон H. mediterranei в дисковую центрифугу для отделения соленой надосадочной жидкости и клеток H. mediterranei . Соберите собранную клетку (твердая часть на рисунке 5) для последующего лизиса клеток. Утилизируйте фракцию Liquid Out в соответствии с правилами утилизации биоотходов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Работа дисковой центрифуги здесь аналогична шагам в 2.2.
  2. Повторно суспендируйте собранные клетки в воде в концентрации 100 мл/г влажных клеток и перемешайте при 150 об/мин в течение 2 ч при комнатной температуре, чтобы обеспечить лизис клеток с помощью осмотического удара давления.
  3. Ресуспендируйте небольшую порцию (50 мл) собранных на этапе 4.1 клеток в 4% растворе NaClO (2 мл 4% раствора NaClO на г влажных клеток) и перемешайте в течение 5 мин.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Лечение NaClO используется для получения исходного уровня, который, предположительно, может восстановить 100% PHA из клеток H. mediterranei . Это предположение основано на том факте, что данное лечение NaClO является наиболее широко адаптированнымметодом для восстановления PHA. Это лечение NaClO обычно считается достаточно агрессивным для полного лизиса клеток и восстановления PHA независимо от вида клеток.
    ВНИМАНИЕ: NaClO является сильным окислителем. Это может вызвать серьезные ожоги кожи, повреждение глаз и раздражение дыхательных путей. Всегда работайте с NaClO в хорошо проветриваемом помещении или под вытяжным шкафом, надев соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), включая перчатки, защитные очки и лабораторный халат. При попадании на кожу немедленно промойте пораженный участок большим количеством воды и обратитесь за медицинской помощью, если раздражение не проходит. Утилизируйте отходы, содержащие NaClO, в соответствии с местными правилами обращения с опасными отходами для предотвращения загрязнения окружающей среды.
  4. Центрифугируйте лизированную суспензию при давлении 10 000 x g в течение 30 мин для сбора гранул PHA. Утилизируйте надосадочную жидкость в соответствии с правилами утилизации биоотходов в лаборатории.
  5. Сублимационную сушку гранул PHA при температуре -50 °C в течение ~48 ч до достижения постоянного веса для получения сырого порошка PHA (Рисунок 6A).
  6. Добавьте этанол в сырой порошок PHA в концентрации 10 мл/г для удаления остаточных примесей. Центрифугируйте при давлении 10 000 x g в течение 30 минут для сбора очищенных гранул PHA. Утилизируйте надосадочную жидкость в соответствии с правилами утилизации химических отходов.
  7. Сублимационную сушку гранул PHA при температуре -50 °C в течение ~48 ч до достижения постоянного веса для получения очищенного порошка PHA (Рисунок 6B).

figure-protocol-8
Рисунок 5: Отделенная соленая надосадочная жидкость (слева) и клетки (справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-protocol-9
Рисунок 6: Порошок PHA. (A) Сырой порошок PHA и (B) очищенный порошок PHA. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

5. Аналитические методы

  1. Измерение TS и VS в соответствии со стандартными методами35. Определение TN с помощью испытательных наборов Hach по стандартному методу с использованием спектрофотометра35.
  2. Измеряйте ООУ с помощью анализатора ООУ в соответствии с методами, описанными в предыдущем исследовании25. Измерьте pH с помощью настольного pH-метра.
  3. Определение количественного определения ВЖК с помощью набора36. Контролируйте внешний диаметр600 нм с помощью считывателя микропланшетов.
  4. Оцените DCW из летучих взвешенных твердых частиц (VSS) клеточного бульона, измеренного в соответствии со стандартным методом измерения VSS25,35. Вкратце, центрифугируйте 50 мл клеточного бульона при давлении 8 000 x g в течение 15 минут и перенесите гранулу в тигель для анализа VSS.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте VSS для оценки DCW, так как он отражает органическую биомассу и позволяет избежать завышения из-за содержания соли в H. mediterranei23.
  5. Количественное определение PHA с помощью газовой хроматографии (ГХ) в соответствии с методами, описанными в предыдущем исследовании25, в котором лиофилизированную биомассу метанолизируют в хлороформе и подкисляют метанолом при 105°С в течение 2 ч, а полученные мономеры количественно определяют с использованием ГХ с метилбензоатом в качестве внутреннего стандарта. Рассчитайте извлечение PHA с помощью уравнения 4, а чистоту PHA используйте уравнение 5. Определите всю массу PHA по GC.
    Извлечение PHA (%) = figure-protocol-10 (4)
    Чистота PHA (%) = figure-protocol-11 (5)
    ВНИМАНИЕ: Хлороформ и серная кислота, используемые для количественного определения PHA, опасны и должны использоваться с особой осторожностью. Хлороформ является летучим органическим растворителем, который представляет опасность ингаляционной токсичности и может вызвать повреждение печени и почек при длительном воздействии. Серная кислота является сильным коррозионным химическим веществом, которое может вызвать серьезные ожоги кожи или попадание в глаза. Всегда работайте с этими химическими веществами внутри вытяжного шкафа, чтобы предотвратить их вдыхание. Убедитесь в использовании соответствующих СИЗ, включая химически стойкие перчатки, защитные очки и лабораторный халат. Надлежащим образом утилизируйте все отходы хлороформа и серной кислоты в соответствии с местными правилами обращения с опасными отходами для поддержания безопасной лабораторной практики.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Характеристики пищевых отходов и производство ФЖК из aAD
Пример соотношения TS, VS и C:N в суспензии для готовых пищевых отходов приведен в таблице 1. Из-за присущей ей изменчивости состава пищевых отходов в зависимости от источника отбора проб и времени ожидаются колебания значений TS, VS и соотношения C:N. Несмотря на то, что вариабельность является приемлемой, регулярные измерения TS, VS и соотношения C:N имеют важное значение для мониторинга процесса, микробного баланса и

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Производство РЖК из aAD
VFA играет решающую роль в качестве ключевого предшественника H. mediterranei в преобразовании пищевых отходов в PHA. Таким образом, поддержание высокой концентрации ВЖК во время aAD имеет важное значение. Для увеличения производства НЖК в25 году нашей эры можно использовать несколько стратегий. Одним из эффективных подходов является оптимизация SRT с идеальной продолжительностью 8 дней или менее, которая способ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Данное исследование было проведено при поддержке Министерства энергетики и Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (Prime Award No. DEEE0009268) и Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США (награда No 2023-79000-38973).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ВоздухВоздушный газАИ УЗ300Используется для работы с GC
Воздушный насосКлаудрейХайлеа ACO-009D
НашатырьАкрос ОрганикA0396560
АвтоклавСТЕРИСАМСКО Лаб 250Используется при приготовлении сред ATCC
РавновесиеМЕТТЛЕР ТОЛЕДОME204TE/00
БлендерВЕВОРIB750LV+СТР300+ВБ-1
ВедроЛоуМодель 506405-галлонное пластиковое ведро общего назначения, не содержащее бисфенол-А
Дигидрат хлорида кальцияАкрос ОрганикA0362932
ХлороформМиллипора СигмаС2432
ЭксикаторЛюбой тип, который может быть использован для измерения TS, VS, VSS
Пробирки для сбраживания, винтовая крышка с вкладышем из ПТФЭМиллипора СигмаCLS982613
Цифровой реакторный блокКомпания HachДРБ200Используется в методах количественного определения Hach VFA
Цифровая мешалкаSCILOGEXSCI550-Pro
Дисковая центрифугаАльфа Лаваль Инк.Клара 20 лет
Колбы ЭрленмейераАмазонкаB07V3JPQMM
ЭтанолАмазонкаB09DGVL4ML
Сублимационная сушилкаЛабконко10030133, 1027319 и 0109621FreeZone 2,5 литровые системы сублимационной сушки
Вытяжной шкафНаучная корпорация КевауниСуприм Эйр РН
ПечьТермо СайентиалМодель F30428C
Газовая хроматография (ГХ)AgilentМодель 8890 
Haloferax mediterraneiАТКС33500
ВодородВоздушный газПРИВЕТ UHP300Используется для работы с GC
НожЛюбой тип, используемый для резки пищевых отходов
Смазочное маслоНаучная компания ФишераNC9844626
Гексагидрат хлорида магнияНаучная компания ФишераБП214-500
Гептагидрат сульфата магнияМиллипора СигмаМ1880
МетональМиллипора Сигма34860
МетилбензоатМиллипора Сигма93583Используется в качестве внутреннего стандарта при количественном определении PHA
Считыватель микропланшетов Синергия BioTekСинергия H1
АзотВоздушный газНИ UHP300Используется для работы с GC
ПечьТермо СайентиалОМХ750
Перистальтический насосПросто Пампс Инк.ПМ6000 АСВысокопроизводительный, самовсасывающий насос с отличной способностью к сухому ходу, способный перекачивать шламы с высоким содержанием твердых частиц и предназначенный для трубок со стенками 1/8 дюйма.
pH-метрНаучная компания ФишераАЕ150
Стандарт PHAМиллипора Сигма403105
Пилотный дигестор aADЭнергетическая группа Quasar, Индепенденс, Огайо, СШАФерментер из нержавеющей стали общим объемом 100 л и рабочим объемом 80 л 
Пилотный ферментер PHAМанукатриSF-50l ISO 9001 CEДвухслойный стеклянный реактор с рубашкой
Хлористый калийG-БИОНАУКИ162006
Насосные трубкиЛюбая марка силиконовых трубок с внутренним диаметром 1/8 дюйма и наружным диаметром 3/8 дюйма
Бикарбонат натрияФишер Кемикал241787
Бромид натрияКаролина21139-45
Хлорид натрияАмазонка B0787CFHF3
Гидроксид натрия, ПеллетыБиореагенты Фишера236088
Гипохлорит натрияМиллипора Сигма425044
Sorvall LYNX 4000 Сверхскоростная центрифугаТермо Сайентиал75006580Используется для сбора гранул PHA при последующем извлечении PHA 
Спектрофотометр Компания HachДР3900Используется в методах количественного определения Hach VFA
Серная кислотаМиллипора Сигма258105
Шприцевой фильтрАмазонкаB06X6GTKVY
Анализатор ООУСимадзуМодель TOC-LCSN
Тест флакона на летучие кислоты TNTplusКомпания HachТротил 872Способен измерять VFA в диапазоне 50 - 2 500 мг/л уксусной кислоты.
ВодонагревательBosch Inc.Tronic 3000 T 7-галлон (ES8)
Дрожжевой экстрактНаучная компания ФишераAAJ6028736

Ссылки

  1. Sabapathy, P. C. Recent developments in polyhydroxyalkanoates (phas) production-a review. Biores Tech. 306, 123132(2020).
  2. Koller, M., Simon, K. M. R. Haloarchaea as emerging big players in future polyhydroxyalkanoate bioproduction: Review of trends and perspectives. Curr Res Biotechnol. 4, 377-391 (2022).
  3. Atarés, L., Chiralt, A., González-Martínez, C., Vargas, M. Production of polyhydroxyalkanoates for biodegradable food packaging applications using haloferax mediterranei and agrifood wastes. Foods. 13 (6), 950(2024).
  4. Kusuma, H. S., et al. Waste to wealth: Polyhydroxyalkanoates (pha) production from food waste for a sustainable packaging paradigm. Food Chem Mol Sci. 9, 100225(2024).
  5. Li, M., Wilkins, M. R. Recent advances in polyhydroxyalkanoate production: Feedstocks, strains and process developments. Int J Biol Macromol. 156, 691-703 (2020).
  6. Alsafadi, D., Al-Mashaqbeh, O. A one-stage cultivation process for the production of poly-3-(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) from olive mill wastewater by haloferax mediterranei. New Biotechnol. 34, 47-53 (2017).
  7. Amaro, T. M., Rosa, D., Comi, G., Iacumin, L. Prospects for the use of whey for polyhydroxyalkanoate (pha) production. Front Microbio. 10, 992(2019).
  8. Sharma, K., Gillum, N., Boyd, J. L., Schmid, A. The rosr transcription factor is required for gene expression dynamics in response to extreme oxidative stress in a hypersaline-adapted archaeon. BMC Genomics. 13, 1-18 (2012).
  9. Mitra, R., Xu, T., Xiang, H., Han, J. Current developments on polyhydroxyalkanoates synthesis by using halophiles as a promising cell factory. Micro Cell Factories. 19, 1-30 (2020).
  10. Alsafadi, D., Alhesan, J. S. A., Mansoura, A., Oqdeha, S. Production of polyhydroxyalkanoate from sesame seed wastewater by sequencing batch reactor cultivation process of haloferax mediterranei. Arabian J Chem. 16 (4), 104584(2023).
  11. Pais, J., Serafim, L. S., Freitas, F., Reis, M. A. Conversion of cheese whey into poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) by haloferax mediterranei. New Biotechnol. 33 (1), 224-230 (2016).
  12. Koller, M., et al. Potential of various archae-and eubacterial strains as industrial polyhydroxyalkanoate producers from whey. Macromol Biosci. 7, 218-226 (2007).
  13. Bhattacharyya, A. Integration of poly-3-(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) production by haloferax mediterranei through utilization of stillage from rice-based ethanol manufacture in india and its techno-economic analysis. World J Microbiol Biotechnol. 31, 717-727 (2015).
  14. Bhattacharyya, A., et al. Utilization of vinasse for production of poly-3-(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) by haloferax mediterranei. AMB express. 2, 1-10 (2012).
  15. Khamplod, T., Wongsirichot, P., Winterburn, J. Production of polyhydroxyalkanoates from hydrolysed rapeseed meal by haloferax mediterranei. Biores Tech. 386, 129541(2023).
  16. Montemurro, M., et al. Exploitation of wasted bread as substrate for polyhydroxyalkanoates production through the use of haloferax mediterranei and seawater. Front Microbio. 13, 1000962(2022).
  17. Alsafadi, D., Ibrahim, M. I., Alamry, K. A., Hussein, M. A., Mansour, A. Utilizing the crop waste of date palm fruit to biosynthesize polyhydroxyalkanoate bioplastics with favorable properties. Sci Total Environ. 737, 139716(2020).
  18. Raho, S. Production of the polyhydroxyalkanoate phbv from ricotta cheese exhausted whey by haloferax mediterranei fermentation. Foods. 9 (10), 1459(2020).
  19. Aliyu Salihu, M. Z. A. Pretreatment methods of organic wastes for biogas production. J Appl Sci. 16 (3), 124-137 (2016).
  20. Khomlaem, C., et al. Defatted chlorella biomass as a renewable carbon source for polyhydroxyalkanoates and carotenoids co-production. Algal Res. 51, 102068(2020).
  21. Li, Y., Jin, Y., Borrion, A., Li, H., Li, J. Effects of organic composition on mesophilic anaerobic digestion of food waste. Biores Tech. 244, 213-224 (2017).
  22. Giduthuri, A. T., Ahring, B. K. Current status and prospects of valorizing organic waste via arrested anaerobic digestion: Production and separation of volatile fatty acids. Fermentation. 9 (1), 13(2022).
  23. Wang, K., Zhang, R. Production of polyhydroxyalkanoates (pha) by haloferax mediterranei from food waste derived nutrients for biodegradable plastic applications. Journal of Microbio Biotech. 31 (2), 338-347 (2021).
  24. Wang, K., Chen, C., Zhang, R. Process development of polyhydroxyalkanoates production by halophiles valorising food waste. Bioengineering. 9 (11), 630(2022).
  25. Zhang, X. Long-term effects of cycle time and volume exchange ratio on poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) production from food waste digestate by haloferax mediterranei cultivated in sequencing batch reactors for 450 days. Biores Tech. 416, 131771(2024).
  26. Getino, L., Martín, J. L., Chamizo-Ampudia, A. A review of polyhydroxyalkanoates: Characterization, production, and application from waste. Microorganisms. 12 (10), 2028(2024).
  27. Esmaeilnejad-Ahranjani, P., Hajimoradi, M. Optimization of industrial-scale centrifugal separation of biological products: Comparing the performance of tubular and disc stack centrifuges. Biochem Engineering J. 178, 108281(2022).
  28. Tennison-Omovoh, C. A., Fagbohungbe, M. O., Bankole, P. O., Semple, K. T. The effect of different cn ratios on volatile fatty acid (vfas) production from acidogenic fermentation of sucrose in continuous-stirred tank reactors. Biomass Convers Biorefinery. 13, 9339-9351 (2023).
  29. Epa, U. Biosolids technology fact sheet, multi-stage anaerobic digestion. Natl Serv Center Environ Publi. , 1-13 (2006).
  30. Schnaars, K. What every operator should know about anaerobic digestion. Water Environ Tech. 24, 82-83 (2012).
  31. Sun, J., Zhang, X., Guan, J., He, Z. Volatile fatty acid production through arresting methanogenesis by electro-synthesized hydrogen peroxide in anaerobic digestion and subsequent recovery by electrodialysis. ACS ES&T Eng. 4 (12), 2964-2973 (2024).
  32. Bhatia, P., et al. Effect of semi-continuous anaerobic digestion on the substrate solubilisation of lignin-rich steam-exploded ludwigia grandiflora. Appl Sci. 11 (10), 4452(2021).
  33. Product sheet of haloferax mediterranei (rodriguez-valera et al.) torreblanca et al. , American type culture collection (atcc). https://www.atcc.org/products/33500 (2025).
  34. Pagliano, G., Galletti, P., Samorì, C., Zaghini, A., Torri, C. Recovery of polyhydroxyalkanoates from single and mixed microbial cultures: A review. Front Bioeng Biotechnol. 9, 624021(2021).
  35. Rice, E. W., Bridgewater, L. Standard methods for the examination of water and waste water. 10, American Public Health Association. Washington, DC. (2012).
  36. Kaur, H., Kommalapati, R. R. Optimizing anaerobic co-digestion of goat manure and cotton gin trash using biochemical methane potential (bmp) test and mathematical modeling. SN Appl Sci. 3, 1-14 (2021).
  37. Yi, J., Dong, B., Jin, J., Dai, X. Effect of increasing total solids contents on anaerobic digestion of food waste under mesophilic conditions: Performance and microbial characteristics analysis. PloS One. 9 (7), e102548(2014).
  38. Velivela, A., et al. Biogas: Converting waste to energy. Innovation Mang Intelligent World Cases Tools. , 285-298 (2020).
  39. Cui, Y. W., Shi, Y. P., Gong, X. Y. Effects of c/n in the substrate on the simultaneous production of polyhydroxyalkanoates and extracellular polymeric substances by haloferax mediterranei via kinetic model analysis. RSC Adv. 7 (31), 18953-18961 (2017).
  40. Ghosh, S., et al. Macroalgal biomass subcritical hydrolysates for the production of polyhydroxyalkanoate (pha) by haloferax mediterranei. Biores Tech. 271, 166-173 (2019).
  41. Bold goals for us biotechnology and biomanufacturing: Harnessing research and development to further societal goals. , The White House Office of Science and Technology Policy. (2023).
  42. Nienow, A. W. Reactor engineering in large scale animal cell culture. Cytotechnology. 50 (1), 9-33 (2006).
  43. Goodhead, L. K., Macmillan, F. M. Measuring osmosis and hemolysis of red blood cells. Adv Physiol Educ. 41 (2), 298-305 (2017).
  44. Cai, S., et al. Identification of the haloarchaeal phasin (phap) that functions in polyhydroxyalkanoate accumulation and granule formation in haloferax mediterranei. Appl Environ Microbio. 78 (6), 1946-1952 (2012).
  45. Giani, M. Haloferax mediterranei cells as c50 carotenoid factories. Marine Drugs. 19 (2), 100(2021).
  46. Tanvir, R. U., Ahmed, M., Lim, T. T., Li, Y., Hu, Z. Arrested methanogenesis: Principles, practices, and perspectives. Adv Bioener. 7, 1-66 (2022).
  47. Lukitawesa,, Patinvoh, R. J., Millati, R., Sarvari-Horvath, I., Taherzadeh, M. J. Factors influencing volatile fatty acids production from food wastes via anaerobic digestion. Bioengineered. 11 (1), 39-52 (2020).
  48. Cabrera, F., et al. The accumulation of volatile fatty acids and phenols through a ph-controlled fermentation of olive mill solid waste. Sci Total Environ. 657, 1501-1507 (2019).
  49. Koller, M., Obruca, S., Pernicova, I., Braunegg, G. Physiological, kinetic, and process engineering aspects of polyhydroxyalkanoate biosynthesis by extremophiles. Polyhydroxyalkanoates Biosynth Chem Struct Appl. 2013, 1-70 (2018).
  50. Schiraldi, C., De Rosa, M. The production of biocatalysts and biomolecules from extremophiles. Trends Biotech. 20 (12), 515-521 (2002).
  51. Lorantfy, B., Seyer, B., Herwig, C. Stoichiometric and kinetic analysis of extreme halophilic archaea on various substrates in a corrosion resistant bioreactor. New Biotech. 31 (1), 80-89 (2014).
  52. Hezayen, F., Rehm, B., Eberhardt, R., Steinbüchel, A. Polymer production by two newly isolated extremely halophilic archaea: Application of a novel corrosion-resistant bioreactor. Appl Microbio Biotechnol. 54, 319-325 (2000).
  53. Mahler, N., Tschirren, S., Pflügl, S., Herwig, C. Optimized bioreactor setup for scale-up studies of extreme halophilic cultures. Biochem Eng J. 130, 39-46 (2018).
  54. Bondi, C. A., et al. Human and environmental toxicity of sodium lauryl sulfate (sls): Evidence for safe use in household cleaning products. Environ Health Insights. 9, S31765(2015).
  55. Najim, A. A., Ismail, Z. Z., Hummadi, K. K. Biodegradation potential of sodium dodecyl sulphate (sds) by mixed cells in domestic and non-domestic actual wastewaters: Experimental and kinetic studies. Biochem Eng J. 180, 108374(2022).
  56. Zhao, F., Wang, Z., Huang, H. Physical cell disruption technologies for intracellular compound extraction from microorganisms. Processes. 12 (10), 2059(2024).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги