פיתוח תהליכים ביוכימיים יעילים לייצר ביו-מכירים מחומרי פסולת הוא אזור מבטיח בביוטכנולוגיה בת קיימא. biosurfactants הם תרכובות על-פני-אקטיביות המיוצרות על ידי ⁇ , המציע חלופות ידידותיות לסביבה לגולשים כימיים המשמשים בתעשיות החל מרתיעים וקוסמטיקה לחקלאות ונפט. כמו הביקוש העולמי לכימיקלים בר-קיימא, המרה של זרמי פסולת נמוכה לתוך חומרים כימיים בעלי ערך גבוה, ומציגה נמוכה, ירידה של ייצור מעגלי, ונפט.

חשיבות השימוש בחומרי פסולת

ניצול חומרי פסולת כ substrates לייצור ביו-חומרי מסייע להפחית את זיהום הסביבה ולהוסיף ערך לפסולת. זרמי פסולת טיפוסיים כוללים שאריות חקלאיות (למשל, חיטה, משקאות תירס תלולים, שקיות סוכר), עיבוד מזון על ידי מוצרים (למשל, צריכת מזון באופן בו-זמנית) עבור צריכת פחמן, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול תעשייתי (pic) ו- 40% של אלכוהול, צריכת אלכוהול, חלבון צמחי מרפא, צריכת שומן, צריכת שומן, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול נמוכה יותר מצריכת פחמן, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול חנקן (למשל, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול נמוכה יותר חלבון צמחיים, צריכת פחמן (למשל, צריכת פחמן, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול) ודלק נמוך יותר חלבון צמחיים, צריכת אלכוהול, צריכת פחמן, צריכת אלכוהול, צריכת אלכוהול חנקן, צריכת פחמן

(ב) כמה מחקרים תעשייתיים הראו את האפשרות של ייצור ביו-חומרי מבוסס פסולת.לדוגמה, (FLT:0Pseudomonas aeruginosaFLT:1 זנים יצרו rhamnolipids משמן בישול וגליצרול בתשואות דומות לאלה של תת-קרקעית קונבנציונלית.

צעדים מרכזיים בפיתוח תהליכים ביוכימיים

הפיתוח של תהליך ביוכימי עבור ביו-עובדים מבזבזניים כרוך אופטימיזציה שיטתית על פני כמה שלבים.כל צעד חייב להיות מותאם לטיפוס ספציפי של פסולת מזון מזון ולהטרה ביו-עובדה (למשל, גליאולידים, לימפופטידים, phosphoslipids, phosphosphosphoslipids, גולשים פולימריים).

בחירת המיקרואורגניזמים

(ה) זיהוי זנים מיקרוביאליים שיכולים לייצר ביעילות חומרים ביו-חומרים משקעי פסולת היא ההחלטה הקריטית הראשונה.תכונות ראויות לייחס שיעורי המרה גבוהים, סובלנות לעיכובים הקיימים בזרימת פסולת, יציבות גנטית, והיכולת לפטור את מינים ביו-חומריים (Folidus) 6Rolidus) אורגניזמים פופולריים כוללים FLT:0PseudomonasstosFLT3 (Rirdir) 1 (N) ו-Flasti)

(ההתקדמויות בבדיקות גבוהות של הקרנה ומטגנימות) מאיימות את גילוי היצרנים החדשים מדגימות סביבתיות כגון אדמה מחוסמת שמן או משקעים ימיים, יתר על כן, הנדסה גנטית של זנים מבוססים אפשרה לשפר את התשואות, שינוי פרופילים של גלישה, וסובלנות מוגברת לסילוק גבוה או תנאי pH קיצוניים.

אופטימיזציה של תנאי הריסה

פרמטרים של הפרידה משפיעים מאוד על התשואה ביו-חומרית, פריון ואיכות המוצר. משתנים מרכזיים כוללים pH (בדרך כלל 6-8), טמפרטורה (25-37 מעלות צלזיוס), קצב העברת חמצן (aeration and Furiousion), איזון תזונתי (במיוחד יחס פחמן-לניטרוגן). נזלת Nitrogen לעתים קרובות מפעילה overproduction ביולוגית, כמו צמיחה מיקרוביאלית איטית ומטבולית חילוף חומרים משניים לגלישה לגלישה לגלישה לגלישה.

תכנון ניסויים (DoE) מתודולוגיות, כגון מתודולוגיית משטח תגובה (RSM) ורשתות עצביות מלאכותיות, מועסקים באופן נרחב במודל ואופטימיזציה של משתנים מרובים בו זמנית.לדוגמה, מחקר שמניחה את ייצור הגלישה מ-FLT:0Bacillus subtilisFLT:1 באמצעות מולים דיווחו על עלייה כפולה של 2.5 בתשואות לאחר יחס C /N ו- pH, מאפשר התאמה אישית, והתאמה מחדש של ה- pH.

Foaming הוא אתגר מתמשך בתסיסה ביו-רפואית, כמו המוצר העל-אקטיבי גורם קצף מופרז שיכול overflow bioreactors. אסטרטגיות כוללות שימוש סוכנים אנטי-פומביים, עיצוב כורים מבולבלים עם פורצי קצף מכניים, או יישום של משככי-מעצור או פעולה רציפה עם תיקון קצף מבוקר.

הכנה וקידום

חומרי פסולת לעתים רחוקות מגיעים בצורה נגישה ישירות למיקרואורגניזמים.הטיפול נדרש לעתים קרובות כדי לשבור פולימרים מורכבים, לשחרר סוכרים מותסים, ולהסיר תרכובות מעכב.

  • (ב) ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ויקרא, ויקרא, ו[[1924]], [[1924]] ו[[1924]]
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) עיבוד של Hydrothermal עיבוד FLT:1 - כגון פיצוץ קיטור או מיצוי מים חם, אשר יכול במקביל הידרוליזה וסטריליזציה של הזנה.

(הבחירה של טיפול עצמי תלויה בהרכב פסולת והאורגניזם מייצר ביו-חומרי (לדוגמה, הידרוליטיס חומצי של תנור תירס עשוי להכיל פרופורלציה המעכבת את FLT:0BacillusFLT:1: 1) גידול, הדורש ניקוי של צעדים (למשל, overliming, Carbonorption) לפני LT מצד שני, enzyalusFsis של חומצות שומן;2Fidoled לבישול חינם.

עיצוב Scale-Up ו- Reactor

המעבר מטלטל-פלק לטייס וקנה מידה תעשייתית מציג ערבוב, העברה המונית, ומגבלות הסרת חום. תצורה ביולוגי ממלא תפקיד מכריע: כורים מעוררים-נק נפוצים אך עשויים לסבול מלחץ גבוה כי פוגע תאים מיקרוביאליים המשפיעים על איכות המוצר. עיצובים אלטרנטיביים כגון תרימומי אוויר, בועות, כורים ארוזים, וכורים מציעים לה חמצן נמוך יותר ויותר בהעברה אנרגיה נמוכה.

קריטריונים של Scale-up בדרך כלל לשמור על מסה חמצן קבוע העברת coefficient (ראה LT:0 ;kFillo 1:2LearFLT 3,03FLT:4aphFLT:5) או מהירות קצה רציף ללא מעצורים.עבור מרקי צ'אט המכילים bio Effectant, rheology יכול לשנות באופן דרמטי במהלך התסיסה, הגדלת הביקוש להפעלה של כוח.

היבט קריטי נוסף הוא עיבוד למטה הזרם.ביו-עובדים התאוששו לעתים קרובות מרק תסיסה על ידי משקעים, החילוץ המפתור, שבריר קצף, או סינון קרום ממאברינים.נוכחות של זיהומים מבזבזניים (שמנים סובסידיים, חלבונים, הריסות תאים) יכול לסבך גישות משולבות כגון FLT:0inuFalirdirdrephrephrephation המוצר (מפרקים) או שבריריות (RIS) הוכחו) או פשטו בהצלחה)

אתגרים ופתרונות

למרות ההבטחה, כמה מכשולים מעכבים את אימוץ בקנה מידה גדול של ייצור ביו-חומרי מבוסס פסולת.

אפשרויות להזנת Feedstock

פסולת חקלאית ותעשייתית יש טווה עונתית ו אצווה-to-batch variability בתוכן תזונתי, לחות, ורמות מעכב.זה מסבך תהליך שיפור איכות המוצר. Solutions כוללים שילוב של הזנות, פיתוח עצירות מיקרוביאלית חזקה שיכול להסתגל לתאים משתנים, וליישם על קו ליד ריח (NIR) spectrocopyscopys כדי לפקח על המזינים את פרוטוקולים כגון עיבוד חומרים מזינים.

Inhibition and Contamination

שפכים עשויים להכיל תרכובות רעילות (למשל, פנוליטיות, מתכות כבדות) המעכבות צמיחה מיקרוביאלית וסינתזה ביולוגית-חומרית (הנדסה גנטית) כדי לבטא אנזים מסלקטיביים (למשל, oxidoreduces, מערכות פלסמה כבדה של מתכת) היא אסטרטגיה אחת.

עלויות עיבוד Downstream

התאוששות וטיהור יכולים לקחת בחשבון 60-80% מסך עלויות הייצור הכוללות עבור ביו-עובדים. עבור יישומים בעלי ערך נמוך כמו ביו-remediation או התאוששות שמן מוגברת, טוהר גבוה אינו תמיד נדרש, כך שההכנות הגולמיות יכולות להיות מקובלות.עבור ציונים קוסמטיים או תרופות, סינון, chromatography, או גבישי עשוי להיות נחוץ.

Inhibition ו- Foam Management

בעוד ריכוז ביו-חומרי מצטבר, הוא יכול לעכב צמיחה מיקרוביאלית נוספת או אפילו תאים של lyse. פד-batch או תסיסה מתמשכת עם ISPR יכול לשמור על ריכוז המוצר מתחת לסף מעכבים. Foam, בעוד בעייתי, ניתן גם לרתום: שבריר קצף מחלימה באופן פעיל את הגולש מן הקצף, ביעילות השגת תסיסה והפרדה ראשונית בו זמנית.

יישומים של שפכים-Derived Biosurfactants

ביו-עובדים המיוצרים מחומרי פסולת יש יישומים מגוונים על פני תעשיות.הביודידות שלהם, רעילות נמוכה ויעילות בטמפרטורות קיצוניות, pH, וסליניות נותנים להם יתרונות על גולשים סינתטיים בתחומים רבים.

המונחים: bioremediation

ביו-ניתוחים יכולים לשפר את הזמינות הביולוגית של אבקות הידרופוביות כגון שמן גולמי, הידרופחמימנים ארומטיים פוליציקליים (PAHs), ומפוזרים כלור.הם להפחית מתח בין-גזעי, המאפשרים משקעים וגישה מיקרוביאלית. ניסויים שדה באמצעות rhamnolipids משמן בישול הוכיחו שיפור של שמן מזוהמים וחול ימי, למשל, בהשוואה ל- 30% מ"ג'ל-75', בהשוואה ל-'מ-'מ-'מ-'ל-'ל-'.

התאוששות נפט מוגברת (EOR)

בתעשיית הנפט, שחזור שמן מיקרוביאלי-נאמד (MEOR) משתמש ב- biosurfactants כדי לגייס שמן לכוד ממאגרים.זריקת מיקרואורגניזמים המיוצרים על ידי ביו-חומרים או ניסוחים ביו-חומריים גולמיים יכולה להפחית את לחץ capillary ולשפר את היעילות הגורפת של טייסי שדה בסין וארצות הברית הראו התאוששות נפט של 10–25% באמצעות חומרים ביולוגיים שמקורם מתחת ל-כאלה זולים כמו ממולאסמות.

קוסמטיקה וטיפול אישי

גולשים טבעיים יותר ויותר מעדיפים בנוסחאות לטיפול בעור, שמפו וניקוי מוצרים. Sophorolipids ו rhamnolipids כבר ממושווקים כמו מרכיבים עבור נוסחאות קלות, biodegradable. Using פסולת-derived Feedstocks (למשל, שמן בישול לייצור soolipid) עם ביקוש צרכני עבור מיקור חוץ אירופי (US) דרישות רעילות (US) אבל דרישות מזיקות לחלוטין (FDA) הם דרישות רעילות).

עיבוד מזון וחקלאות

כמניפסט, ייצוב וסוכני מיקרוביאלי, ביו-ניתוחים יש יישומים במזימות מזון, מוצרי מאפייה, וציפוי אכילה. Surfactin from FLT:0Bacillus subtilisFLT:1 מציג פעילות אנטי-פטריה חזקה, מה שהופך אותו מועמד לשליטה ביולוגית בחקלאות.

ניקיון ביתי ותעשייתי

חומרי ניקוי ירוקים ו degreasers הם עוד שוק פוטנציאלי גדול.נוסחאות המכילות sophorolipids להראות ביצועים דומים לתקני אלכוהול קונבנציונליים, עם יכולת ביולוגית טובה יותר. לחץ רגולטורי כדי להפחית את פוספטים ולאylphenol ethoxylates הוא מניע עניין במנקה מבוססת biofluant-baseds. כמה חברות אירופיות השיקה מוצרי ניקוי מסחריים באמצעות rhamnolipol מ שפכים.

פרספקטיבה עתידית

התחום נע במהירות, מונע על ידי התקדמות בביולוגיה סינתטית, אוטומציה, עקרונות כלכלה מעגלית.

הנדסה גנטית ומטבולית

(ה) CRISPR-Cas9 וכלים אחרים של מדיטציה גנטית מאפשרים הנדסה מדויקת של מסלולים ביו-סינתזה. חוקרים פועלים כדי לאחד את האופיונים בייצור ביו-חומרי לאורגניזמים שאינם אמפוגניים, חזקים כמו FLT:0Bacillus subtilisFLT:1 או FLT:2Yarrowia LipoticaFLT3alple, דרך לנטרל את ה-rites, לפשטניחות תאים ספציפיים.

תהליך העצמתיות והאוטומציה

מיקרוביורוטיפים אוטומטיים ולמידה של מכונה הם מאיצים את אופטימיזציה של תנאי תסיסה וביצועי זנים. Lab-on-chip פלטפורמות יכול להפעיל מאות ניסויים מקבילים עם כרכים מינימליים של מדיה. תאומים דיגיטליים של ביולוגיים, משולבים עם חיישנים בזמן אמת (למשל, עבור pH, מתמוסס חמצן, צפיפות אופטית), לאפשר שליטה חיזוי וזיהוי לקוי, צמצום הסיכון בקנה מידה גבוה.

שילוב עם biorefineries וכלכלה מעגלית

ייצור משותף של biosurfactants לצד מוצרי ביו-מוצרים אחרים (למשל, ביותנומול, חלבון תאי יחיד, חומצות אורגניות) יכול לשפר את כלכלת התהליך הכוללת.לדוגמה, מוצרי שיתוף עשירי חלבון מתסיסה יכולים להימכר כמזון מזון בעלי חיים.שימוש בשפכים מתעשיות אחרות (למשל, גליקול גס מביוזל, wy מלעשות גבינה) הדוקה עם לולאות של האיחוד האירופי.

מסגרות רגולטוריות צריכות גם להתאים.בעוד שסוכנות הגנת הסביבה של ארה"ב (EPA) וסוכנות הכימיקלים האירופית (ECHA) אישרו כמה ביו-עובדים לשימוש מסחרי, תהליך הרישום לזנים חדשים ומוצרים נותר יקר וזמני ריכוז.

הערכה כלכלית והערכה לחיים

כדי להתחרות עם גולשים זעירים (בדרך כלל במחיר של 1–3 / ק"ג), עלויות ייצור ביו-חומריות חייבות ליפול מתחת 5 / ק"ג.שימוש בפסולת ושיקום יעיל יכול להשיג עלויות בטווח של 2-4 / ק"ג (LCA) מאשר כי חומרים ביולוגיים המבוססים על פסולת יש ירידה משמעותית בפוטנציאל ההתחממות הגלובלית ומחיקת משאבים מאובנים בהשוואה למקבילים, לדוגמה, כך שנפט ל- 60% ליטרל שומן יחסית לצריכת פחמן.

התחרותיות הכלכלית העתידית תהיה תלויה בשיפורים נוספים בתשואות (התמריצים > 100 גרם/L עבור גליגליקלידים), זמן התוססת מופחת, ושיטות טיהור בעלות נמוכה.שותפות בין האקדמיה והתעשייה הן חיוניות לתהליכי פיילוט ולאמת אותם בקנה מידה רלוונטי.

לסיכום, פיתוח תהליכים ביוכימי לייצור ביו-עובדים מחומרי פסולת מייצג שדה בוגר אך מתפתח.באמצעות בחירה זהירה של מיקרואורגניזמים, אופטימיזציה של תנאי תסיסה, טיפול חדשני, ואסטרטגיות בקנה מידה סאונד, זרמי פסולת יכולים להפוך לרכיבים יקרים וידידותיים לסביבה.