厨余垃圾生物合成聚羟基脂肪酸酯研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.03.018

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (3): 110-119.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.03.018

厨余垃圾生物合成聚羟基脂肪酸酯研究进展

李京霖¹, 郑义², 赵丽雅², 王攀²(), 杨鑫玉², 任连海²()

^1.中国中元国际工程有限公司，北京 100089
^2.北京工商大学生态环境学院，北京 100048

收稿日期:2021-11-01 出版日期:2022-03-26 发布日期:2022-03-25
通讯作者: 王攀（1983—），女，教授，研究方向为固体废弃物资源化及能源化，wangpan@th.btbu.edu.cn
任连海1971—），男，教授，研究方向为有机固体废物减量化、资源化和无害化处理技术，renlh@th.btbu.edu.cn
E-mail:wangpan@th.btbu.edu.cn;renlh@th.btbu.edu.cn;wangpan@th.btbu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划“固废资源化”重点专项(2019YFC1906303)

Research progress in biosynthesis of polyhydroxyalkanoates from kitchen waste

LI Jinglin¹, ZHENG Yi², ZHAO Liya², WANG Pan²(), YANG Xinyu², REN Lianhai²()

^1.China IPPR International Engineering Co，Ltd，Beijing 100089，China
^2.School of Ecology and Environment，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China

Received:2021-11-01 Online:2022-03-26 Published:2022-03-25
Contact: WANG Pan, REN Lianhai E-mail:wangpan@th.btbu.edu.cn;renlh@th.btbu.edu.cn;wangpan@th.btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

基于利用厨余垃圾作为合成挥发性脂肪酸（VFAs）的原始基质，既可以增加厨余垃圾资源化利用新途径，又可以降低聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成成本，有利于厨余垃圾合成PHA产业化发展的优势，概述了PHA的应用领域和类型，总结了厨余垃圾合成PHA工艺路线和PHA前体物（VFAs）合成阶段与PHA 合成阶段的内在合成机制，重点汇总了利用厨余垃圾合成VFAs过程和利用VFAs合成PHA过程的重要工艺参数。最后，对厨余垃圾合成PHA 研究方向进行了展望。

关键词: 聚羟基脂肪酸酯, 厨余垃圾, 挥发性脂肪酸, 微生物合成, 可降解塑料

Abstract:

The development of PHA industrialization was promoted through using the kitchen waste as feedstock to produce VFAs. This not only increase a new pathway for kitchen waste resource utilization， but also significantly reducing the cost of PHA products. This paper introduced the application fields and product types of PHA and summarized the technological process of PHA production using the kitchen waste. The mechanisms for the kitchen waste anaerobic acidification and PHA production were also analyzed. Furthermore， the effects of technological factors on the acidification phase of kitchen waste and the PHA enrichment and accumulation phase were discussed systematically. Finally， some outlooks on the development of PHA production from the kitchen waste were provided.

Key words: polyhydroxyalkanoate, kitchen waste, volatile fatty acid, microbial synthesis, degradable plastic

中图分类号:

TQ321

李京霖, 郑义, 赵丽雅, 王攀, 杨鑫玉, 任连海. 厨余垃圾生物合成聚羟基脂肪酸酯研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 110-119.

LI Jinglin, ZHENG Yi, ZHAO Liya, WANG Pan, YANG Xinyu, REN Lianhai. Research progress in biosynthesis of polyhydroxyalkanoates from kitchen waste[J]. China Plastics, 2022, 36(3): 110-119.

图/表 6

应用行业	具体应用	参考文献
工业	生活用品包装；化妆品容器；食品包装	［3］
药物	蛋白固定载体；药物靶向传递；促进细胞增殖	［4⁃6］
农业	农用地膜；农药、化肥载体	［7］
环保	复合纳米材料；微生物外源营养物质；污水中有机物吸附剂；提升燃料热值	［8］
养殖业	饲料添加剂；控制水体病原菌	［9］
医疗	皮肤缝合替代品；抗菌材料；植入材料（血管支架、软骨组织、神经导管）	［10］

表1 PHA在不同领域的应用

Tab.1 Application of PHA in different fields

图1 利用厨余垃圾产PHA工艺流程

Fig.1 Technological process of PHA production by kitchen waste

图2 厨余垃圾厌氧产酸机理

Fig.2 Mechanism of kitchen waste anaerobic acidification

反应过程	化学方程式
产酸	$C 6 H 12 O 6 → 3 C H 3 C O O H$
	$C 6 H 12 O 6 → 2 C H 3 C H 2 O H + 2 C O 2$
	$C 6 H 12 O 6 + H 2 → 2 C H 3 C H 2 C O O H + 2 H 2 O$
	$C 6 H 12 O 6 → C H 3 C H 2 C H 2 C O O H + 2 H 2 + 2 H 2 O$
产乙酸	$C H 3 C H 2 O H + 2 H 2 O → C H 3 C O O H + 2 H 2$
	$C H 3 C H 2 C O O H + 2 H 2 O → C H 3 C O O H + C O 2 + 3 H 2$
	$C H 3 C H 2 C H 2 C O O H + 2 H 2 O → 2 C H 3 C O O H + C O 2 + 2 H 2$

反应过程	化学方程式
产酸	$C 6 H 12 O 6 → 3 C H 3 C O O H$
	$C 6 H 12 O 6 → 2 C H 3 C H 2 O H + 2 C O 2$
	$C 6 H 12 O 6 + H 2 → 2 C H 3 C H 2 C O O H + 2 H 2 O$
	$C 6 H 12 O 6 → C H 3 C H 2 C H 2 C O O H + 2 H 2 + 2 H 2 O$
产乙酸	$C H 3 C H 2 O H + 2 H 2 O → C H 3 C O O H + 2 H 2$
	$C H 3 C H 2 C O O H + 2 H 2 O → C H 3 C O O H + C O 2 + 3 H 2$
	$C H 3 C H 2 C H 2 C O O H + 2 H 2 O → 2 C H 3 C O O H + C O 2 + 2 H 2$

表2 产酸化学反应过程

Tab.2 Chemical reaction process of acid production

表2 产酸化学反应过程

Tab.2 Chemical reaction process of acid production

图3 PHA合成机理

Fig.3 Mechanism of producing PHA

处理方法	目的	优势	劣势	参考文献
机械预处理	以减小底物的尺寸和聚合度；提供更大的比表面积	有机质易被微生物利用	对合成物产量提升不明显	［33，37］
热预处理	改变反应物物理化学性质；破坏细胞壁和细胞膜的化学键；增加溶解度和脱水性；	缩短厌氧反应时间	易形成类黑精类物质	［38⁃39］
酸/碱预处理	酸改变纤维素和木质素结构；碱增加了蛋白质水解；碱使反应物膨胀，增大比表面积	抑制副产物产生	经济性低；过度降解导致可发酵糖损失	［40⁃41］
臭氧预处理	臭氧自由基与有机底物发生反应；间接产生OH^-使有机化合物降解	消除病原体	发酵糖的损失较高	［41⁃42］
酶预处理	降解纤维素和促进半纤维素溶解的能力；增强水解活性提高可溶性碳水化合物糖	不需要额外的能量不需要化学添加剂	处理成本较高；处理条件严格；处理动力学差	［43⁃44］
超声预处理	产生OH^-破坏细胞壁使有机物释放；释放细菌产生的酶	反应效率高	能耗高	［45］
微波预处理	影响可溶性和悬浮组分的各种尺寸的质量分数的分布，大分子链的极化导致氢键断裂	无能量传输热量损失；环保和节能特性	易形成类黑精类物质	［46］
预发酵处理	促进碳水化合物和蛋白质水解；有机质转化为乳酸进而合成VFAs	利用底物现存微生物；能耗处理成本低	处理效率低于热处理	［47］

表2 提升VFAs产量的预处理条件

Tab.2 Pretreatments to increase VFAs production

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厨余垃圾生物合成聚羟基脂肪酸酯研究进展

Research progress in biosynthesis of polyhydroxyalkanoates from kitchen waste

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