超声波辅助碱预处理集成生物精炼技术实现餐厨垃圾联产聚羟基脂肪酸酯与生物能源

针对餐厨垃圾(FW)资源化难题，研究人员开发了超声波辅助碱预处理(UAP)集成生物精炼技术，实现聚羟基脂肪酸酯(PHA)与沼气联产。结果表明，UAP较单独超声预处理(UP)提升有机物溶解率至21.13%，能耗降低66.7%；60% FW水解液可获得48.11% PHA产率，残余物沼气产量达530 mL/g COD，净收益6.81美元/吨，为FW高值化利用提供新范式。

　　

随着全球经济发展，餐厨垃圾(FW)年产量已达10.5亿吨，传统填埋、堆肥处理存在能耗高、二次污染等问题。FW富含碳水化合物(300-600 mg/g)、蛋白质(60-100 mg/g)和脂类(70-300 mg/g)，是开发生物能源和材料的理想原料。聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为石油基塑料替代品备受关注，但现有FW单产物转化模式难以实现经济可行性。印度中央大学 Tamil Nadu分校的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，首次将超声波辅助碱预处理(UAP)与生物精炼结合，同步生产PHA和沼气，实现FW全组分梯级利用。

研究采用UAP(超声波+NaOH)预处理FW，通过测定溶解性化学需氧量(SCOD)评估处理效果；利用Bacillus cereus发酵FW水解液生产PHA；残余固体通过厌氧消化产沼气。技术关键包括：1) 能量输入精确控制(834.8 kJ/kg TS)；2) FW水解液浓度梯度优化(20%-80%)；3) 经济性分析(净现值法)。

【Substrate used】
FW经粉碎后TS浓度调至9.5±0.16 g/L，含丰富有机物为后续转化提供底物。

【SCOD release and COD solubilization】
UAP在834.8 kJ/kg TS能耗下实现21.13% COD溶解率，较UP(2504.3 kJ/kg TS)节能66.7%，归因于超声空化与碱水解协同作用。

【PHA production】
60% FW水解液在96 h培养中获得最大PHA产量(0.2881 g/L)和转化率(0.4811 g/g)，表明中等浓度底物最适菌体积累PHA。

【Biogas production】
UAP残余物沼气产率(530 mL/g COD)显著高于UP组(309 mL/g COD)，证实预处理提升木质纤维素可及性。

【Cost analysis】
UAP净收益达6.81美元/吨，而UP为负值(-3.24美元/吨)，显示组合预处理的经济优势。

该研究创新性地构建了FW→PHA+沼气的双产物路线，UAP技术使能耗降低至传统方法的1/3。48.11%的PHA产率与530 mL/g COD沼气产量的协同实现，标志着FW生物精炼技术迈向工业化应用。研究为发展中国家FW处理提供了兼顾环境效益与经济可行性的解决方案，推动循环生物经济模式落地。微生物群落动态与PHA合成机制等深度研究将成为未来方向。