从城市污水处理厂污泥中提取的可持续蛋白质制备绿色粘合剂，以及通过添加大豆蛋白进行改性的潜在优化方法

《Journal of Environmental Management》：Production of green adhesives from sustainable proteins derived from municipal wastewater treatment plant sludges and potential enhancements from soy protein amending

基于废水处理污泥的蛋白质生物胶粘剂开发及其在木质纤维板中的应用研究。采用碱处理法使污泥中的蛋白质变性形成胶粘剂，通过 lap 剪切试验和纤维板力学性能测试评估其粘接性能。结果显示污泥胶粘剂单 lap 剪切强度达 700-1200 kPa，添加少量大豆蛋白后强度提升至 2500 kPa，纤维板抗弯模量 187 MPa，抗 rupture 模量 5.6 MPa，内结合强度 39.6 kPa。该技术有效利用污泥资源，降低环境负担，替代传统石油基胶粘剂。

　　近年来，木材基复合材料在使用含甲醛的传统树脂胶粘剂时引发了越来越多的关注。随着企业对环保意识的增强以及对化石燃料的高需求，新一代的胶粘剂正从富含蛋白质的天然可再生生物质资源中开发出来。本研究通过蛋白质变性技术，将污水处理厂的活性污泥和生物固体转化为生物胶粘剂。三种城市来源的生物质原料——包括活性污泥、生物固体和脱水生物固体——被用于通过现有蛋白质的碱性变性来制造胶粘剂。所制备的胶粘剂的机械性能通过搭接剪切测试进行了评估。此外，还使用这些配方胶粘剂制造了纤维板材料，以分析其作为结合材料的实际应用价值。研究发现，活性污泥胶粘剂在搭接剪切测试中表现出显著的粘结强度，每种活性污泥原料制成的胶粘剂强度接近700–1200 kPa，这表明其作为蛋白质基胶粘剂的潜力。通过添加少量大豆蛋白，活性污泥胶粘剂配方接近2500 kPa，进一步说明了这种胶粘剂对作物资源的环境负担减少。所制备的纤维板在弯曲机械性能方面也表现出与大豆基胶粘剂相当的特性，平均弹性模量为187 MPa，平均抗弯强度为5.6 MPa，平均内结合强度为39.6 kPa。尽管粘结强度受到变性剂浓度以及样品位置的影响，但所制备的纤维板仍具有进一步应用的潜力。

胶粘剂在木材加工中的重要性不言而喻，尤其是用于制造复合木材材料和胶合木材部件时，强大的粘结性能是关键因素。目前，寻找可行的不含甲醛的胶粘剂来源已成为行业的重要课题。随着社会对可持续发展和环保的日益重视，对具有较小碳足迹的原料需求也在增加。蛋白质、木质素和多糖作为强大的生物聚合物，曾被广泛研究并用于木材胶粘剂的生产，直到20世纪中叶。然而，由于石油产品在粘结性能、防水性和耐热性方面的优越表现，它们迅速取代了原本以蛋白质为基础的胶粘剂。至今，石油基胶粘剂仍主导着胶粘剂市场，以其卓越的性能特性而闻名。因此，寻找可持续的天然生物聚合物，以期替代合成石油化学品，成为当前胶粘剂行业研究的重点之一，旨在深入了解生物聚合物胶粘剂的复杂特性，从而实现其商业化生产。

蛋白质基胶粘剂在纤维板行业中具有应用潜力，作为木材复合材料的粘合剂。木材基板材由于其中等密度和适中的机械性能，被广泛应用于室内外建筑领域。据统计，大约57%的木材基板材是基于纤维板的，而且这一比例正在以每年2–5%的速度持续增长。因此，纤维板行业正在寻求一种替代甲醛基粘合剂的环保型粘合剂，以减少甲醛排放并提升自身的可持续性水平。

生物基胶粘剂因其可生物降解、生物相容、无毒和可持续的特性，成为一种理想的替代方案。2022年，胶粘剂市场价值达到674.8亿美元，预计到2030年，其复合年增长率将达到6.0%，而当前的年增长率约为4.8%。到2030年，全球胶粘剂和密封剂市场预计将达到每年1073亿美元的规模。环境政策和可持续加工方式显著推动了胶粘剂行业向生物基替代品的发展，同时也大幅降低了胶粘剂生产的净成本和环境影响。

为了减少植物和动物来源的蛋白质废弃物的处理压力，这些蛋白质通常通过变性处理转化为胶粘剂。目前，每年大约产生700万公吨的生物固体，这需要污水处理厂支付高昂的运输和处理费用。处理成本范围为每公吨30至60美元，占污水处理厂运营成本的约50%。将生物固体作为肥料的使用受到了公众的反对，主要是由于其气味问题，以及对可能用于未来农田的植被的影响。过量的使用还可能导致营养物质流失，造成局部水体富营养化。因此，减少生物固体的土地应用，采用其蛋白质制作胶粘剂，是一种可持续的解决方案。通过利用生物固体，可以减少对食品资源的需求，从而降低胶粘剂配方的净成本。

大多数蛋白质具有相似的氨基酸序列，因此在当前使用的商业蛋白质原料中，它们通常表现出类似的特性。由于这些蛋白质主要来源于微生物，因此活性污泥和生物固体中的蛋白质可能具有与商业蛋白质原料相似的特性，可用于生产一种可行的可持续蛋白质基胶粘剂。研究指出，用于胶粘剂配方的商业蛋白质原料在混合前通常保持15%至60%的水分含量。相比之下，活性污泥在混合前需要的干燥程度较低，其水分含量范围为95%至98%和70%至85%。因此，活性污泥作为原料具有较大的优势，因为它不需要复杂的干燥步骤，从而降低了处理成本。

对活性污泥和生物固体中蛋白质的变性处理涉及针对蛋白质的三级和四级结构，以期展开其随机卷曲，从而暴露蛋白质的亲水部分，使其能够与基材或填料结合。添加强碱可以提高蛋白质的pH值，使其超过等电点。这种碱性环境中的离子能够干扰蛋白质中的氢键和偶极-偶极键，从而影响蛋白质链的整体形状。这一过程使得蛋白质能够更有效地形成胶粘剂，提高其粘结性能。

本研究提出了一种简单的胶粘剂配方工艺，绕过了蛋白质提取步骤，从而减少进一步的活性污泥处理。相信通过利用这种废料，可以制备出具有显著韧性和强度的蛋白质基胶粘剂，实现可持续制造并减少对石油化学品的需求。本研究探讨了活性污泥转化为木材胶粘剂的潜力，这一过程通常用于商业大豆蛋白基胶粘剂的配方。然而，在本研究中，蛋白质原料几乎不产生成本，而大豆蛋白作为一种食品资源，其需求较高，导致较高的原料成本。通过绕过蛋白质提取方法，可以减少剩余活性污泥的处理成本和配方工艺的复杂性。

研究还探讨了活性污泥来源位置、变性时间以及浓度变化对胶粘剂配方的影响，为胶粘剂的配方、运输和应用提供了重要线索。通过机械测试和蛋白质分析，观察了废料转化为胶粘剂的过程。为了进一步验证胶粘剂的适用性，还通过弯曲测试和内结合测试对复合材料进行了测试。因此，本研究的主要目标是评估活性污泥是否可以作为大豆蛋白的替代品，以生产可能具有商业价值的胶粘剂。为此，仅使用活性污泥制成的胶粘剂以及活性污泥与大豆蛋白的组合配方都被制备并进行了评估。

本研究使用的材料包括脱脂大豆粉（含51%蛋白质），从纽约的My Spice Sage公司购买。活性污泥和生物固体则从路易斯安那州的East Municipal Wastewater Treatment Plant获取。用于蛋白质变性的氢氧化钠则从Flinn Scientific, Inc.公司购买。用于制作纤维板的桦木板条从Graham Field Health Products, Inc.公司批量购买。金属夹具从Horusdy Professional Tools, Inc.公司购买，而铝板则被切割和加工。这些材料的选取旨在确保胶粘剂配方的有效性和纤维板的性能。

在营养和蛋白质分析方面，研究对不同生物质活性污泥样品的粗蛋白、脂肪和灰分含量进行了分析，并将结果汇总在表1中。研究结果显示，进一步的污水处理过程对活性污泥的蛋白质组成影响不大，因为各项数值之间的差异较小，表明活性污泥的蛋白质含量变化范围仅为1.7%。这表明，无论是在曝气池、厌氧消化池还是过滤压机等污水处理厂的不同处理阶段，活性污泥的蛋白质含量保持相对稳定，因此具有较高的利用价值。这一发现为活性污泥作为蛋白质基胶粘剂原料的可行性提供了支持，同时也为后续研究提供了基础数据。

通过使用活性污泥作为原料，可以避免传统的蛋白质提取步骤，从而减少处理成本和对环境的影响。这一过程不仅简化了胶粘剂的制备流程，还提高了其可持续性。活性污泥中的蛋白质含量较高，且不需要复杂的预处理，因此在实际应用中具有显著优势。研究还发现，活性污泥中的蛋白质在变性处理后能够形成较强的粘结力，从而满足纤维板制造的需求。这一特性使得活性污泥成为一种具有潜力的环保型胶粘剂原料。

在结论部分，研究指出，来自污水处理厂的蛋白质含量较高的原始活性污泥样品在无需蛋白质提取和交联的情况下，能够形成强粘结力。这些原始原料展示了作为蛋白质基胶粘剂行业新型、可持续和不含甲醛来源的潜力。通过将活性污泥转化为工业原料，可以避免土地应用，从而减少污染，实现废物到资源的转化。活性污泥中的高蛋白含量不仅有助于提高胶粘剂的性能，还能够降低生产成本，为可持续制造提供支持。

此外，本研究的作者们表示，他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系。研究的成果得到了Louisiana Board of Regents Research and Development – Industrial Ties Research Subprogram（LEQSF (2022-2025)-RD-B-06）以及Louisiana Energy Institute在University of Louisiana的支持下得以实现。同时，研究团队也对参与Undergraduate Research Apprentice Program的成员表示感谢，特别是Zoe Perez、Molly Key LeDoux、Joelle Chauhan和Brennan Migues，他们在项目中的奉献和坚持为研究提供了重要支持。这些成员的努力不仅推动了研究的进展，还为未来的可持续发展研究奠定了基础。

本研究的成果表明，活性污泥作为一种废料，具有成为可持续蛋白质基胶粘剂原料的潜力。通过利用活性污泥中的蛋白质，可以减少对食品资源的需求，同时降低胶粘剂生产的成本和环境影响。这一研究为木材行业提供了一种环保的替代方案，有助于减少甲醛排放，提高产品的可持续性。此外，研究还展示了活性污泥在不同处理阶段和不同变性条件下的应用潜力，为未来的工业化应用提供了重要参考。通过进一步的研究和优化，活性污泥有望成为一种可行的、具有商业价值的胶粘剂原料，为可持续发展和环境保护做出贡献。