Согласно Министерству сельского хозяйства США, от 30% до 40% продуктов питания в стране выбрасывается. Это миллиарды фунтов отходов, которые гниют на свалках и выделяют парниковые газы, такие как метан и углекислый газ.
Пластик также накапливается по всему миру, и разлагающиеся бутылки и пакеты вызывают растущие опасения по поводу попадания микропластика в наши источники воды и в наши организмы.
Представьте, если бы даже часть наших пищевых отходов можно было превратить в биоразлагаемый пластик — решение двух проблем и оздоровление нашей планеты в долгосрочной перспективе.
Команда из Университета Бингемтона проводит новаторские исследования по этой идее. Недавно они опубликовали статью в журнале Bioresource Technology, в которой представлены фундаментальные выводы для любой компании, заинтересованной в масштабировании процесса.
Исследования в Университете Бингемтона
Tianzheng Liu, который осенью получит докторскую степень, возглавил проект при поддержке преподавателей профессора Sha Jin и заслуженного профессора SUNY и заведующего кафедрой Кайминга Е из Колледжа инженерии и прикладных наук Томаса Дж. Уотсона при Департаменте биомедицинской инженерии.
«Быстрая публикация говорит о важности этого исследования», — сказала Джин. «Рецензенты отметили, что «рукопись демонстрирует значительную научную ценность, новизну и экологическую значимость».
Джин впервые заинтересовалась пищевыми отходами в 2022 году и начала изучать этот вопрос.
«Мы можем использовать пищевые отходы в качестве ресурса для преобразования их в столь многие промышленные продукты, и биоразлагаемые полимеры — лишь один из них, — сказала она. — Мы стремимся не только повысить ценность пищевых отходов, но и снизить стоимость производства этого экологически чистого полимера. Есть и другие варианты, например, производство биотоплива и биохимикатов».
Производство биоразлагаемого пластика
Текущее производство биоразлагаемого пластика может быть дорогостоящим, поскольку оно основано на очищенных сахарных субстратах и чистых культурах микроорганизмов. В рамках этого исследования команда из Бингемтона скармливала бактериям Cupriavidus necator молочную кислоту, полученную путём ферментации пищевых отходов (которые служили необходимым источником углерода), и дополнительный сульфат аммония (в качестве источника азота).
Бактерии синтезируют пластик на основе полигидроксиалканоата (PHA) в качестве средства хранения углерода и энергии. Около 90% PHA, который производят бактерии, можно собрать и превратить в биоразлагаемую упаковку и другие продукты.
Опыт Лю в биомедицине
Перед тем как присоединиться к этому проекту, опыт Лю в области биомедицины был сосредоточен на исследованиях стволовых клеток, поэтому поиск правильных элементов в нужных пропорциях для успеха оказался «полным испытаний».
«Биоконверсия пищевых отходов в органические кислоты была относительно простой. Культивирование бактерий, производящих пластик, было сложным, потому что вначале у меня не было опыта работы с бактериальной ферментацией для производства биополимера», — сказал он. «На каждом шагу я чувствовал, что что-то не так, как я ожидал».
Джин благодарна компании Sodexo и столовой Университета Бингемтона за то, что они предоставили пищевые отходы, использованные для экспериментов.
«Я поговорила с сотрудником университета, отвечающим за устойчивое развитие, и узнала, что SUNY не допускает захоронения пищевых отходов на свалках — это политика, — сказала она. — Каждый кампус должен решить эту проблему. В Бингемтоне столовые раздают испорченные продукты фермерам для кормления скота. Я подумала, что, возможно, мы могли бы попробовать напрямую преобразовать эти пищевые отходы в биоразлагаемый пластик. В исследовательских публикациях было мало информации о возможности реализации этой идеи, поэтому мы почувствовали, что, возможно, это пробел, над которым мы могли бы поработать».
Команда из Бингемтона ответила на несколько вопросов, критически важных для процесса превращения пищи в пластик. Например, пищевые отходы можно хранить не менее одной недели без каких-либо неблагоприятных последствий для процесса биоконверсии, что обеспечивает гибкость при сборе в промышленных масштабах.
Команда также определила, зависит ли биоконверсия от какого-либо конкретного типа пищи и как обращаться с различными видами отходов, которые получает центр сбора.
«Мы обнаружили, что процесс очень надёжен, пока мы смешиваем разные виды пищи в одном и том же соотношении», — сказала Джин. «Мы контролируем температуру и pH во время ферментации, и эти условия способствуют росту бактерий, производящих органические кислоты».
Она даже планирует использовать твёрдый остаток, оставшийся после процесса ферментации. Он похож на пасту, и команда разрабатывает его в органическое удобрение в качестве более совершенной альтернативы стандартной химической смеси.
На следующем этапе Джин хотела бы расширить процесс, чтобы убедиться, что он продолжает работать должным образом при расширении производства пластика. Это означает поиск дополнительного грантового финансирования или объединение с промышленным партнёром.
Предоставлено Университетом Бингемтона.