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混合菌群中聚羟基脂肪酸酯生物生产成本优化策略：有机负荷率、污泥停留时间与生物量提取的协同调控
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年08月21日 来源：Journal of Industrial and Engineering Chemistry 6
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本研究针对混合菌群(MMC)生产聚羟基脂肪酸酯(PHA)成本过高问题，创新性地整合优化了有机负荷率(OLR)、污泥停留时间(SRT)和生物量提取策略。通过对比传统饥饿期提取(Conventional BW)与饱食期提取(FeBW)策略，发现SRT为0.8天时采用FeBW可消除积累阶段，使PHA粗品盈亏平衡价格降至1.88�/kg，为生物塑料产业化提供了经济可行的解决方案。
在全球塑料污染危机日益严峻的背景下，生物可降解塑料的研发成为解决环境问题的关键突破口。聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates, PHA)作为完全生物基的绿色材料，虽具有与传统石油基塑料相似的性能，但高昂的生产成本始终制约其产业化进程。特别在混合微生物培养(Mixed Microbial Cultures, MMC)体系中，如何平衡培养效率与经济可行性成为学界亟待破解的难题。
这项发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》的研究创新性地提出三阶段优化方案：通过精准调控有机负荷率(Organic Loading Rate, OLR)、污泥停留时间(Solids Retention Time, SRT)和生物量提取策略，实现了PHA生产成本的大幅降低。研究团队采用平行对照实验设计，设置两组2L序批式反应器(SBR)，分别采用传统饥饿期生物量提取(Conventional BW)和新型饱食期提取(Feast-phase BW, FeBW)策略。通过300天的持续监测，系统分析了不同OLR(100-200 Cmmol·L-1·d-1)和SRT(0.7-2.6天)条件下的代谢动力学特征，并采用气相色谱等检测手段定量PHA积累过程。特别值得注意的是，研究创新性地将经济评估模型与生物工艺参数直接关联，为产业化提供了双重保障。
在方法学层面，研究主要采用：1）双反应器平行对照系统，分别实施Conventional BW和FeBW策略；2）动态监测VFA消耗、PHA积累及氨氮利用的代谢动力学；3）高通量测序分析微生物群落演变；4）建立包含设备折旧、能源消耗等要素的全生命周期成本模型。
【选择反应器性能】结果显示，提高OLR至200 Cmmol·L-1·d-1使活性生物量(XA)浓度提升54%，但特异性PHA产率(qPHA)降低33%。SRT缩短至0.8天时，FeBW策略下的PHA含量仍保持41.7wt%，且积累阶段未能进一步提升含量，这为简化工艺流程提供了实验依据。
【积累实验验证】在SRT=0.8天时，FeBW策略的PHA生产率(0.86 g·L-1·d-1)与传统两段式工艺相当，但HV单体含量降至23.5Cmol%，表明操作参数显著影响聚合物组成。
【经济评估突破】成本模型显示，FeBW策略在SRT=0.8天时实现最低盈亏平衡价格(1.88�/kg)，较传统工艺降低40%。关键突破在于省去积累反应器，使设备投资减少56%，同时原料消耗降低48%。
这项研究的创新价值体现在三个方面：首先，首次证实极短SRT条件下单段FeBW工艺的可行性，颠覆了传统三阶段生产的认知框架；其次，建立了工艺参数-经济成本的量化关联模型，为产业化决策提供精准指南；最后，提出的整合优化策略可直接应用于废水处理厂，实现"以废治废"的循环经济模式。正如作者Maria A.M. Reis团队强调的，该成果不仅解决了PHA生产的成本瓶颈，更开创了生物工艺优化与经济评估协同创新的研究范式，为其他高附加值生物产品的开发提供了重要借鉴。
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