《Sustainable Materials and Technologies》：Upcycling post-consumer household textiles into a biodegradable thermoplastic
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本研究展示了将消费后棉基毛巾（一种重要的家用纺织品废物流）进行生物增值，转化为聚(3-羟基丁酸酯) (P(3HB))——一种可生物降解且具有生物相容性的热塑性塑料。纺织品废料经机械解纤，并通过NaOH/尿素冷冻预处理，使纤维素纤维更易于糖化，糖化通过Celli
本研究展示了将消费后棉基毛巾（一种重要的家用纺织品废物流）进行生物增值，转化为聚(3-羟基丁酸酯) (P(3HB))——一种可生物降解且具有生物相容性的热塑性塑料。纺织品废料经机械解纤，并通过NaOH/尿素冷冻预处理，使纤维素纤维更易于糖化，糖化通过Cellic? CTec3纤维素酶水解实现。所得水解产物葡萄糖浓度为102.3 g/L，用作分批生物反应器培养细菌Burkholderia thailandensis E264的碳源。在初始葡萄糖浓度40 g/L条件下，培养53 h后观察到最大P(3HB)产量为9.17 ± 1.01 g/L，对应总体体积生产率为0.165 g/(L·h)，产物产率为0.218 g/g。所得P(3HB)表现出平均分子量497 kDa、多分散指数2.6，熔融温度和热降解温度分别为170 °C和291 °C，结晶指数为78.8%。重要的是，其拉伸性能（杨氏模量为563 ± 62 MPa，拉伸强度为27 ± 2 MPa）与包括商业产品在内的其他细菌生产的P(3HB)相当。本研究结果表明，将棉基家庭废料升级回收为具有与商业热塑性塑料相匹配性能的增值可持续可生物降解材料是可行的。
消费后棉基家用纺织品升级回收为可生物降解热塑性塑料的研究解读
全球纺织废料危机日益严峻，快时尚产业推动快速消费周期和短寿命服装，加剧了废料产生。欧盟每年约产生580万吨纺织废料，而在西北欧，尽管持续努力改善回收，但只有不到2%的纺织品被回收制成新织物，约50%被降级回收、焚烧或填埋，造成环境负担。家用纺织品（如毛巾、床单等）是棉含量较高的消费后废料流，其中100%纯棉毛巾尤为丰富，且常为浅色或白色，减少了去除染料和整理剂的化学处理需求，因此成为基于糖平台的先进生物技术工艺的理想替代原料。然而，纤维素酶水解效率受预处理影响显著，需要破坏棉纤维的结构和化学屏障。另一方面，聚羟基脂肪酸酯（PHA）是由藻类、植物和细菌产生的生物基塑料，其中聚(3-羟基丁酸酯)（P(3HB)）是研究最广泛的均聚物，具有生物降解性、生物相容性等优点，但生产成本中碳源占生物过程总成本的50%以上，限制了其广泛应用。因此，利用低成本废弃纺织品作为可持续碳源，既能降低PHA成本，又能缓解纺织废料的环境负担。
基于上述背景，本研究旨在建立一条整合机械解纤、NaOH/尿素冷冻预处理、酶解、P(3HB)生产及聚合物薄膜加工的消费后棉基毛巾完整增值路线。研究人员以真实消费后棉毛巾为原料，通过该路线成功生产出P(3HB)，并系统表征了其化学、热、结晶和力学性能。研究结果表明，该路线每克初始棉毛巾可回收约0.146 g P(3HB)，所产P(3HB)性能与商业产品相当，证明了将棉基家庭废料升级回收为高价值可生物降解热塑性塑料的可行性。论文发表在《Sustainable Materials and Technologies》。
关键技术方法方面，研究人员使用了11条消费后毛巾（未注明具体来源，代表典型家用棉纺织品）作为原料。主要方法包括：机械解纤（切割、撕碎、研磨）；比较碱高压灭菌与NaOH/尿素冷冻两种化学预处理，并选用效果更优的NaOH/尿素法放大处理400 g纤维；采用Cellic? CTec3酶解获得葡萄糖102.3 g/L的水解液；以该水解液为碳源，在3 L生物反应器（2 L工作体积）中分批培养细菌Burkholderia thailandensis E264，控制pH 7.0、30 °C、溶解氧30%；通过氯仿索氏提取和乙醇沉淀回收P(3HB)，利用FTIR、GPC、XRD、DSC、TGA等对聚合物进行表征，并热压成膜测试拉伸性能。
研究结果如下：
3.1 原料处理：消费后毛巾的预处理
3.1.1 机械解纤：通过扫描电子显微镜（SEM）观察，机械解纤后纤维从致密缠结变得松散、个体化，增加了酶可及性。化学分析显示解纤纤维纤维素含量为91.3 ± 1.5%。
3.1.2 化学预处理：碱高压灭菌和NaOH/尿素冷冻的固体回收率分别为86.7%和91.1%，纤维素含量均超过95%。SEM显示NaOH/尿素处理后纤维排列更开放、更分散，有利于后续酶解。
3.2 原料准备：从消费后毛巾回收糖
3.2.1 优化研究：在30和100 g/L两种固体装载量下酶解72 h，未进行化学预处理的对照组水解率仅为24.6%～31.1%。碱高压灭菌和NaOH/尿素冷冻预处理均使水解率超过81%，其中NaOH/尿素在30 g/L下水解率达100.7 ± 1.6%，在100 g/L下达93.2 ± 0.9%，均优于碱高压灭菌。NaOH/尿素预处理在100 g/L下获得最高葡萄糖浓度100.0 ± 0.9 g/L，总产率0.87 g葡萄糖/g废料。
3.2.2 制备发酵用纺织废料水解液：放大至400 g纤维，冷冻时间延长至20 h，最终水解液葡萄糖浓度为102.3 g/L，水解率97.5%，总产率0.89 g/g。水解液中未检出糠醛、5-羟甲基糠醛（5-HMF）或短链有机酸等抑制化合物，适合直接用于细菌培养。
3.3 以纺织废料水解液生产P(3HB)：在分批生物反应器培养中，B. thailandensis E264首先经历约42 h的生长阶段，随后在氮限制条件下积累聚合物。53 h时细胞干重（CDW）达15.89 ± 0.21 g/L，P(3HB)含量为58 ± 6 wt%，滴度为9.17 ± 1.01 g/L。最大比生长速率为0.042 h?1，最大比产物生成速率为0.058 g/(g·h)，体积生产率为0.165 g/(L·h)。与文献报道相比，该水解液批次获得了较高的聚合物滴度，但生产率仍低于高细胞密度补料分批系统。
3.4 PHA提取与表征
3.4.1 P(3HB)纯度：氯仿索氏提取效率达98%，元素分析显示C=56.24 wt%、H=7.47 wt%、N=0.01 wt%，与理论值接近，表明聚合物纯度较高。
3.4.2 化学结构：FTIR光谱显示1722 cm?1处酯羰基（C=O）伸缩振动峰以及CH?、CH?、C–O–C等特征吸收带，确认回收聚合物为P(3HB)。
3.4.3 分子质量分布：凝胶渗透色谱（GPC）测得重均分子量（Mw）为497 kDa，多分散指数（PDI）为2.6，处于文献报道的细菌P(3HB)范围内，与商业级别P(3HB)相当。
3.4.4 结晶性：X射线衍射（XRD）显示典型α型P(3HB)正交晶体结构，结晶指数为78.8%，高于部分商业产品。
3.4.5 热性能：差示扫描量热仪（DSC）测得熔点（T
m）为170 °C，热重分析（TGA）测得最大热降解温度为291 °C，加工窗口（降解温度与熔点之差）约120 °C，热稳定性良好，适合熔融加工。
3.5 P(3HB)薄膜
3.5.1 形貌：通过热压成型（170 °C，2 min）获得连续、自支撑的薄膜，SEM显示薄膜截面致密无孔，表面光滑均匀。热压后结晶指数升至89%，表明加工过程促进了结晶有序化。
3.5.2 力学性能：拉伸测试显示薄膜杨氏模量为563.3 ± 62.3 MPa，拉伸强度为26.7 ± 2.1 MPa，断裂伸长率为14.6 ± 2.6%。该力学性能优于许多纯P(3HB)薄膜，且较常规P(3HB)具有更高的延展性，介于柔性聚烯烃薄膜与刚性工程热塑性塑料之间。
讨论部分，研究人员将本研究结果与文献对比，指出使用更高的初始碳源浓度（40 g/L葡萄糖）使生物量和聚合物滴度较先前以桉树皮水解液（20 g/L葡萄糖）的研究提高近一倍，而细胞内聚合物含量相当。与使用废食用油相比，本研究的培养时间更短，P(3HB)滴度更高。但体积生产率仍低于高细胞密度补料分批系统，需通过补料分批操作、营养物添加优化及生命周期评估进一步强化。此外，氯仿提取虽效率高但存在环境负担，可考虑酶法提取等更绿色替代方案。
研究结论翻译：本研究探索了一条完整的棉基消费后纺织品增值路线，整合了机械解纤、碱预处理、酶解和微生物生物聚合物合成。通过将富棉废纺织品升级回收为P(3HB)，该方法兼顾了环境效益与经济效益。基于整体过程性能，该技术路线每克初始棉毛巾可回收约0.146 g P(3HB)。此外，所产P(3HB)的分子、热学和结构性质与文献报道的其他细菌及商业P(3HB)等级相当，热压薄膜的力学性能处于P(3HB)材料范围内，且与许多纯P(3HB)薄膜相比延展性显著改善。总之，这些发现证明了将家用棉基纺织品升级回收为性能与已有P(3HB)材料相当的可生物降解热塑性塑料的可行性，强化了纺织废料作为生产高
