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为解决聚羟基脂肪酸酯（PHA）生产经济可行性问题，研究人员开展从废动物脂肪生产聚（3 - 羟基丁酸酯 - 共 - 3 - 羟基己酸酯）[P (3HB - co - 3HHx)] 的研究。构建低结构动力学模型，能准确预测相关指标，有助于优化工艺、减少实验成本。
在当今材料领域，传统化石基塑料带来的环境问题日益严峻，聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为完全可生物降解的生物聚合物，成为了替代传统塑料的热门选择。其中，聚（3 - 羟基丁酸酯 - 共 - 3 - 羟基己酸酯）[P (3HB - co - 3HHx)] 因具有优异的机械性能，如较高的拉伸强度和柔韧性，备受关注。然而，PHA 的大规模应用面临着经济可行性的挑战，主要原因在于其生产成本较高。为了降低成本，研究人员将目光投向了低成本的碳源，废动物脂肪便是其中之一。但利用废动物脂肪生产 P (3HB - co - 3HHx) 存在诸多难题，比如直接利用脂肪时面临高熔点和工艺复杂的问题，而且目前可扩展的喂养策略也十分有限。在这样的背景下，开展从废动物脂肪高效生产 P (3HB - co - 3HHx) 的研究就显得尤为重要。
来自国外的研究人员针对上述问题展开了深入研究。他们以重组菌株 Cupriavidus necator Re2058/pCB113 为研究对象，通过一系列高细胞密度补料分批发酵实验，开发并验证了一种低结构动力学模型。研究结果显示，该模型能够准确预测生物量、聚合物浓度和 3 - 羟基己酸酯含量。这一成果意义重大，它为 P (3HB - co - 3HHx) 的生产工艺优化提供了有力支持，有助于减少实验工作量，提高从废动物脂肪生产 PHA 的技术和经济可行性，推动生物塑料产业的发展。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上。
研究人员开展研究时用到的主要关键技术方法如下：首先进行了补料分批发酵实验，使用 6.6 - L 生物反应器，在不同的碳（废动物脂肪）和氮（尿素）喂养策略下进行发酵培养。其次，采用了多种分析方法，用于测定细胞干重（CDW）、PHA 含量、PHA 单体组成以及残留细胞干重（RCDW）等指标。最后，构建低结构动力学模型，通过对实验数据的分析和拟合，确定模型参数，并进行模型验证。
下面详细介绍研究结果：
- 模型开发：研究人员构建的模型结构综合考虑了细胞外物质和细胞内代谢物的质量平衡，并且对相关代谢途径进行了简化。模型中假设底物（废动物脂肪）分为可用部分（Sa）和不可用部分（Sna），尿素被细胞外脲酶分解，反应器为两相系统等。基于这些假设，推导出一系列模型方程，包括总质量平衡、各物质的质量平衡等。模型共有 31 个参数，其中 4 个参数基于理论值固定，剩余 27 个参数通过实验数据进行估计。
- 参数识别与模型验证：采用随机优化算法 —— 分子启发式并行回火（MIPT）算法进行参数识别，通过最小化目标函数来确定参数值。目标函数结合了五个测量变量的归一化均方误差（MSE），包括残留生物量、总 PHA 浓度、聚合物中 3HHx 摩尔分数、氨和尿素。经过初始估计、敏感性分析和重新优化三个步骤，确定了 13 个敏感参数。模型验证使用了独立的实验数据，结果表明，重新优化敏感参数后，模型对生物量、PHA 浓度和 3HHx 摩尔分数的预测效果显著提高。
- 结果分析与讨论：对不同数据集获得的参数进行分析发现，一些参数的变化与底物供应和聚合物积累相关。例如，当底物供应较高时，细胞用于维持的底物增加，微生物积累的聚合物也更多；底物较少时，PHA 的解聚速率更高。此外，模型在预测氨和尿素时准确性较低，这可能与实验测量的不稳定性有关。通过模型验证可知，重新优化敏感参数后，模型能够很好地描述 P (3HB - co - 3HHx) 生产过程中主要变量的动态行为。
研究结论和讨论部分指出，该低结构动力学模型成功描述了从废动物脂肪通过 β - 氧化生产 PHA 的过程，对生物量、PHA 浓度和组成的预测效果良好。尽管模型在实际应用中存在一些局限性，如需要特定的软件和人员、准确的初始条件以及合适的硬件基础设施，且底物特性的变化需要重新优化参数，但它仍然为优化基于脂肪底物的生物工艺开发提供了有价值的工具，有助于减少实验工作量，提高 PHA 生产的效率和经济效益。未来，该模型可用于离线优化，确定最佳的尿素和废动物脂肪喂养策略，还可为开发软传感器提供基础，实现对关键过程变量的实时估计和精确控制。
