利用木薯加工废弃物和丙酸高效生产可控3-羟基戊酸含量的聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)：丙酸投料优化与动力学分析

本研究针对石油基塑料替代品聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)(PHBV)生产中3-羟基戊酸(3HV)含量控制难题，利用木薯加工废弃物(木薯渣与废水)和丙酸(HPr)为原料，通过优化Paracoccus sp. KKU01的脉冲与连续恒速投料策略，实现最高84.8 g/L生物量、33.9 g/L PHBV产量及45.0% 3HV含量(w/w)，并建立3HV含量调控方程，为可定制化生物塑料生产提供新方案。

　　

在全球塑料污染危机与"双碳"目标背景下，寻找石油基塑料的绿色替代品成为迫切需求。聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为微生物合成的天然聚酯，因其完全生物可降解性备受关注。其中，聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)(PHBV)通过引入3-羟基戊酸(3HV)单体，可显著改善聚3-羟基丁酸(PHB)的脆性、高结晶度(50-80%)及接近降解温度的熔融温度(180°C)等缺陷。然而现有PHBV生产面临双重挑战：一是传统纯碳源导致成本高昂，二是3HV含量难以精确控制——含量低于15 mol%时材料仍显脆性，超过40 mol%又会导致结晶过慢影响加工。更棘手的是，文献报道的PHBV产量普遍低于30 g/L，且缺乏有效的3HV调控策略。

针对这些瓶颈，泰国孔敬大学的研究团队创新性地选择木薯加工废弃物——富含淀粉的木薯渣(CP)和木薯加工废水(CPW)作为低成本碳源，搭配可生成3HV前体的丙酸(HPr)，利用自主分离的高效菌株Paracoccus sp. KKU01（保藏号MT491243）开展研究。这项发表于《Industrial Crops and Products》的工作通过优化投料策略，不仅实现了33.9 g/L的高PHBV产量，更建立了3HV含量的精准调控方程，为生物塑料的工业化应用扫除关键障碍。

研究采用三项核心技术：1) 木薯废弃物酶解工艺：组合α-淀粉酶(120 U/mL)、糖化酶(1200 U/mL)和纤维素酶(250 FPU/mL)将废弃物转化为含糖550 g/L的水解液；2) 两级补料发酵系统：先以脉冲补料促进菌体生长(OD₆₀₀=0.5)，后切换连续恒速补料(0.6-1.2 g-HPr/h)调控3HV合成；3) 多模型动力学分析：采用Logistic模型拟合菌体生长(μ_m=0.17-0.21 h^-1)，改进Luedeking-Piret模型描述PHBV合成(α=0.146-0.881 g/g)，Gompertz模型预测3HV积累(R_m=0.69-1.03 g/L·h)。

脉冲补料揭示HPr毒性阈值
当采用脉冲补料使HPr浓度瞬间达6 g/L时，培养液pH骤降至4.0，导致溶解氧(DO)从20%飙升至50%，菌体生长停滞。尽管最终获得30.7 g/L PHBV，但3HV合成因HPr快速耗尽而中断，证实脉冲补料不利于3HV均匀掺入。透射电镜(TEM)显示12小时即出现PHB颗粒，36小时补料后颗粒数量显著增加，验证了氮限制触发PHA积累的机制。

连续补料实现3HV精准调控
将HPr改为连续补料后，系统稳定性显著改善。在0.6 g/h速率下，PHBV产量达31.8 g/L，3HV含量12.0%(w/w)；提升至0.9 g/h时，3HV含量翻倍至21.7%，且HPr完全消耗无残留。但速率达1.2 g/h时，残余HPr积累至20 g/L，抑制菌体生长使生物量降至55.5 g/L。核磁共振(¹H-NMR)谱图在0.89 ppm和1.62 ppm处的特征峰证实成功合成HB-HV共聚物，差示扫描量热法(DSC)检测到双熔融峰(T_m1=142.3°C, T_m2=162.6°C)，符合PHBV的异构化特征。

建立3HV含量预测模型
通过量化3HV产量与HPr消耗的线性关系(R²>0.99)，研究者发现3HV产率在0.9 g/h时最优。据此建立指数方程"3HV含量(%)=2.81exp(2.31×补料速率)"，经验证可准确预测：设定30% 3HV目标时，实际获得27.1±7.2%，偏差仅9.7%。

这项研究的意义在于：首次实现利用农业废弃物规模化生产PHBV，最高产量33.9 g/L达行业领先水平；建立的补料速率-3HV含量模型，突破了传统试错法调控材料性能的局限；提出的两级发酵策略，为其他微生物合成共聚物提供普适性方案。特别是将3HV含量可控范围拓展至12-45%(w/w)，覆盖了包装材料(需15-20 mol%)到医用材料(需30-40 mol%)的不同需求，为生物塑料的定制化生产奠定基础。木薯废弃物的大规模应用更将显著降低生产成本，推动PHBV替代传统塑料的进程。