基于Monod与多尺度动力学模型的Cerbera odollam油发酵生产聚羟基脂肪酸酯的建模研究

为解决化石基塑料的环境问题及PHA生产成本高的瓶颈，研究人员通过整合Monod模型与多尺度动力学模型（Triple First-Order），系统解析了Pseudomonas resinovorans利用Cerbera odollam油合成中链长度PHA（如P(3HB-co-3HHx-co-3HO-co-3HD-co-3HDD-co-3HTD)）的动力学机制，揭示了氮源调控与多阶段代谢的关键作用，为低成本生物塑料生产提供了理论框架。

　　

随着全球对化石基塑料污染的日益关注，生物可降解材料聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates, PHA）因其环境友好性和可再生特性成为研究热点。然而，PHA的商业化面临高昂生产成本和复杂发酵调控的挑战，尤其是中链长度PHA（Medium-chain-length PHA, MCL-PHA）的合成动力学数据匮乏，导致生产过程依赖经验性探索。非食用植物油如Cerbera odollam油因其高碳含量和低成本成为理想原料，但如何通过微生物高效转化仍缺乏系统性研究。

为解决这一问题，马来西亚的研究团队以Pseudomonas resinovorans DSM 21078为模型菌株，结合前期实验数据，开发了两种创新动力学模型：一是整合Andrews、Haldane和Logistic抑制动力学的改良Monod模型，首次引入氮源调控因子以解析尿素酶活性和替代氮源的影响；二是基于多阶段代谢假设的Triple First-Order（TFO）多尺度动力学模型，首次将PHA生物合成分解为快速生产、慢速生产和降解三种动态模式。

研究采用的关键技术包括：基于MATLAB?的模型参数优化、双底物Monod方程与抑制动力学耦合分析，以及多尺度动力学模型的适应性验证。实验数据来自前期优化的摇瓶培养体系，涵盖细胞生长、PHA积累、底物消耗等动态过程。

Model assumptions and kinetics
研究假设生物量由活性细胞（X）和PHA（P）组成，通过Monod方程描述碳氮底物限制下的细胞生长，并引入Haldane抑制项量化高浓度底物的毒性效应。氮调控因子首次纳入模型，揭示了尿素水解对发酵效率的显著影响。

Model calibration
模型参数通过实验数据拟合，成功预测了细胞生长与PHA合成的非线性关系。模拟结果显示，Cerbera odollam油中的饱和脂肪酸通过de novo脂肪酸合成途径驱动快速PHA积累，而迟滞期细胞则主导慢速生产阶段。

Conclusion
研究证实，多尺度动力学模型能更精准捕捉PHA合成的复杂动态，尤其是快速生产模式与脂肪酸代谢的关联。氮源调控的引入显著提升了模型预测能力，为工业级发酵工艺优化提供了新思路。

该研究发表于《Bioresource Technology》，其意义在于：首次建立了适用于植物油基MCL-PHA生产的通用动力学框架，突破了传统模型对多阶段代谢描述的局限性；提出的氮源调控机制为低成本氮源利用提供了理论依据，有望推动生物塑料规模化生产的成本降低。