厌氧发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）的研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.10.007

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (10): 36-42.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.10.007

厌氧发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）的研究进展

林炳荣()

龙岩市水发环境集团有限公司，福建龙岩 364000

收稿日期:2024-01-18 出版日期:2024-10-26 发布日期:2024-10-21
作者简介:林炳荣（1973-），男，工程师，研究方向为微生物发酵工程与环境治理，13599338866@163.com

Research progress in synthesis of polyhydroxyalkanoates using anaerobic fermentation broth as substrate

LIN Bingrong()

Longyan Shuifa Environmental Group Co，Ltd，Longyan 364000，China

Received:2024-01-18 Online:2024-10-26 Published:2024-10-21

摘要/Abstract

摘要：

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一种微生物细胞内合成的高分子生物聚酯，因可以替代石油基原料制备可降解生物塑料，受到广泛关注。但目前PHA的合成成本较高限制了其大规模生产应用，开发利用低成本碳源合成PHA的技术是降低成本的有效方法之一。有机废弃物厌氧发酵液富含挥发性脂肪酸，是合成PHA的良好底物，利用厌氧发酵液合成PHA不但可以实现废物资源化利用，还可以得到PHA产物替代传统石油基塑料原料，同时降低PHA的生产成本。本文以低成本碳源合成PHA作为降低生产成本的重要方向，主要讨论了有机废弃物厌氧发酵机制，并重点介绍了污泥和餐厨垃圾厌氧发酵液合成PHA的相关研究及其影响因素。最后对以厌氧发酵液为底物合成PHA的未来研究方向进行了展望。

关键词: 聚羟基脂肪酸酯, 可降解塑料, 厌氧发酵, 挥发性脂肪酸, 低成本, 微生物合成

Abstract:

Polyhydroxyalkanoates （PHAs） are a type of high molecular⁃weight bio⁃polyesters synthesized within microbial cells and have attracted widespread attention due to their potential to replace traditional petroleum⁃based raw materials for the preparation of biodegradable thermoplastics. However， the high cost of PHAs currently limits their large⁃scale production and applications. Developing a technology to synthesize PHAs using low⁃cost carbon sources is one of the most effective ways to reduce their costs. The anaerobic fermentation liquor obtained from organic waste is rich in volatile fatty acids and can serve as an excellent substrate for the synthesis of PHAs. Utilizing anaerobic fermentation liquor for the synthesis of PHAs not only can obtain the resourceful utilization of waste but also can produce PHAs to replace traditional petroleum⁃based thermoplastic materials. Meanwhile， the production cost of PHAs can be reduced. Taking the synthesis of PHAs derived from low⁃cost carbon sources as an important direction for reducing production costs， this paper mainly discussed the mechanism of organic waste anaerobic fermentation and focused on the research progress and influencing factors related to the synthesis of PHAs from the anaerobic fermentation liquor of sludge and kitchen waste. Finally， the paper gave an outlook on future research directions for synthesizing PHAs using anaerobic fermentation liquor as a substrate.

Key words: polyhydroxyalkanoate, degradable plastic, anaerobic fermentation, volatile fatty acid, low cost, microbial synthesis

中图分类号:

TQ323.4

林炳荣. 厌氧发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(10): 36-42.

LIN Bingrong. Research progress in synthesis of polyhydroxyalkanoates using anaerobic fermentation broth as substrate[J]. China Plastics, 2024, 38(10): 36-42.

图/表 5

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PHA单体名称	碳原子数	熔点 /°C	玻璃化转变温度 /°C	力学性能	主要应用领域
聚氧负离子丁酸酯（PHB）	4	175~180	-5	较脆，高强度	包装材料、农业
聚氧负离子戊酸酯（PHV）	5	80~100	-20	较柔韧	医疗用品、缓释系统
聚氧负离子己酸酯（PHH）	6	150~155	2~10	柔韧性较好	塑料制品、薄膜
聚氧负离子十二烷酸酯（PHD）	12	130~135	-60	良好的延展性	纺织业、3D打印
3⁃羟基丁酸⁃3⁃羟基己酸共聚酯［P（3HB⁃3HHx）］	4 & 6	60~180（根据共聚比变化）	-5~10 （根据共聚比变化）	可调范围广	定制塑料、复合材料
3⁃羟基丁酸⁃4⁃羟基丁酸共聚酯［P（3HB⁃4HB）］	4 & 4	40~60	-20~-5	柔韧性较好	高端包装、医疗设备

PHA单体名称	碳原子数	熔点 /°C	玻璃化转变温度 /°C	力学性能	主要应用领域
聚氧负离子丁酸酯（PHB）	4	175~180	-5	较脆，高强度	包装材料、农业
聚氧负离子戊酸酯（PHV）	5	80~100	-20	较柔韧	医疗用品、缓释系统
聚氧负离子己酸酯（PHH）	6	150~155	2~10	柔韧性较好	塑料制品、薄膜
聚氧负离子十二烷酸酯（PHD）	12	130~135	-60	良好的延展性	纺织业、3D打印
3⁃羟基丁酸⁃3⁃羟基己酸共聚酯［P（3HB⁃3HHx）］	4 & 6	60~180（根据共聚比变化）	-5~10 （根据共聚比变化）	可调范围广	定制塑料、复合材料
3⁃羟基丁酸⁃4⁃羟基丁酸共聚酯［P（3HB⁃4HB）］	4 & 4	40~60	-20~-5	柔韧性较好	高端包装、医疗设备

碳源类型	过程描述	优势	挑战
餐厨废油	收集餐厨废油等，经过脱杂、脱水处理后用作碳源。	高碳含量，易于生物利用，减少环境污染。	杂质多，须精细处理以确保发酵效率。
粗甘油	生物柴油生产副产物，通过蒸馏等方法提纯后使用。	成本低，量大，可持续性高。	纯度不一，可能含有抑制微生物生长的物质。
木质素	来自木质纤维素的预处理，如蒸汽爆破或化学处理后释放单糖。	丰富的天然资源，可促进资源循环利用。	预处理过程复杂，转化率和成本控制是关键。
食品废弃物	包括果渣、淀粉等，通过发酵酸化转化为可发酵糖。	多样化的碳源，促进废物再利用。	组成复杂，需要适当的预处理和转化技术。
活性污泥	污水处理副产物，调整碳氮比后用于PHA合成。	含有高含量的有机物和微生物，可直接用于PHA合成。	微生物群落复杂，需要精细控制发酵条件。

碳源类型	过程描述	优势	挑战
餐厨废油	收集餐厨废油等，经过脱杂、脱水处理后用作碳源。	高碳含量，易于生物利用，减少环境污染。	杂质多，须精细处理以确保发酵效率。
粗甘油	生物柴油生产副产物，通过蒸馏等方法提纯后使用。	成本低，量大，可持续性高。	纯度不一，可能含有抑制微生物生长的物质。
木质素	来自木质纤维素的预处理，如蒸汽爆破或化学处理后释放单糖。	丰富的天然资源，可促进资源循环利用。	预处理过程复杂，转化率和成本控制是关键。
食品废弃物	包括果渣、淀粉等，通过发酵酸化转化为可发酵糖。	多样化的碳源，促进废物再利用。	组成复杂，需要适当的预处理和转化技术。
活性污泥	污水处理副产物，调整碳氮比后用于PHA合成。	含有高含量的有机物和微生物，可直接用于PHA合成。	微生物群落复杂，需要精细控制发酵条件。

影响因素	厌氧发酵产酸过程的影响	影响原因
pH值	发酵液pH值通过影响微生物胞内酶的活性以及改变细胞膜的选择透过性来影响发酵过程。产酸菌适应范围广，但pH差异会导致产酸种类和含量变化。	高pH值有利于提高VFAs产量，抑制产甲烷菌活性。
发酵温度	发酵温度影响微生物的代谢活动。中温条件（30~40 ℃）常用，高温加快有机物分解，增加VFAs产量。	过高的温度可能会增加运行成本，一般不采用高温进行发酵。
微生物组成	不同的微生物组成会导致有机物厌氧发酵产生的VFAs在产量和种类上存在差异。	微生物的代谢途径不同，改变微生物组成可影响VFAs的种类和产量。
碳氮比	碳氮比影响微生物的生长代谢和功能菌群分布。提高碳氮比有利于提高VFAs产量。	碳氮比较高时，可能改变VFAs中不同酸的比例。
预处理	预处理方法如热碱预处理、超声波处理、湿法氧化等，提高有机物的增溶效率。	预处理可以提高水解酸化速率，从而影响VFAs的含量及种类分布。
底物类型	不同的底物有机物种类对水解酸化速率有较大影响。	底物的化学结构和组成直接影响厌氧发酵产酸的效率和产物组成。
发酵固体浓度	固体浓度是厌氧发酵过程中的重要控制因素，影响整个体系的运行稳定性。	高固体浓度下VFAs浓度高，但产率和酸化程度可能较低。

厌氧发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）的研究进展

Research progress in synthesis of polyhydroxyalkanoates using anaerobic fermentation broth as substrate

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