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本研究针对CO2/H2发酵过程中缺乏嗜热乙酰菌Thermoanaerobacter kivui动力学模型的现状，开发了首个0D宏观模型。该模型整合了微生物动力学与过程动力学，成功预测了压力、进气组成和气体流速对乙酸产量的影响，为优化连续搅拌釜生物反应器提供了可靠工具，对推动CO2生物转化具有重要意义。
随着全球气候变化问题日益严峻，二氧化碳的减排和资源化利用成为科学研究的热点。在生物制造领域，利用微生物将CO2转化为高附加值化学品被视为一种可持续发展的解决方案。其中，乙酰菌因其能够通过Wood-Ljungdahl通路将CO2和H2转化为乙酸等化学品而备受关注。乙酸作为一种重要的工业原料，广泛应用于食品、化工等领域。然而，在利用嗜热乙酰菌Thermoanaerobacter kivui进行CO2/H2发酵的过程中，缺乏可靠的动力学模型来描述其生长和代谢行为，这严重限制了该过程的优化和放大。
为了解决这一难题，Francesco Regis等研究人员在《Bioresource Technology》上发表了他们的最新研究成果。他们开发了一个创新的零维模型，首次系统地描述了T. kivui在CO2/H2发酵条件下的动力学行为。该模型不仅考虑了微生物的生长和代谢动力学，还整合了气液传质过程，能够准确预测不同操作条件下乙酸的产量。
研究人员采用的主要技术方法包括：基于实验数据的动力学参数拟合、气液两相传质建模、反应器流体动力学模拟以及参数优化算法。他们利用加压连续搅拌釜反应器进行了系统的实验研究，获取了T. kivui在不同压力、气体流速和进气组成条件下的生长和代谢数据。
4.1. T. kivui生长动力学
研究人员通过实验数据拟合，建立了T. kivui的生长动力学模型。结果表明，菌体生长同时受到CO2和H2浓度的限制，且在较高CO2浓度下会出现抑制现象。最佳拟合模型结合了Moser和Luong模型的特性，能够准确描述底物限制和抑制效应。
4.1.2. T. kivui乙酸生产动力学
乙酸生产速率的研究显示，其变化趋势与菌体生长相似，也受到CO2和H2浓度的双重影响。模型预测表明，在适当条件下，乙酸生产率可达到较高水平，但过高的CO2浓度同样会产生抑制作用。
4.1.3. T. kivui甲酸生产动力学
甲酸作为副产物的生成仅在特定条件下出现，主要与培养基中较高的CO2浓度相关。由于实验数据相对有限，甲酸生产动力学的拟合精度相对较低，但仍能反映基本的趋势特征。
4.3. 最优条件研究
通过模型预测和实验验证，研究人员确定了最优操作条件。在10 bar压力、63 mL·min-1气体流速和3:1的H2/CO2比例下，乙酸生产率达到最大值。值得注意的是，在6-15 bar的压力范围内，生产率都能维持在峰值水平的90%以上，这为实际操作提供了较大的灵活性。
该研究的结论部分强调了所开发模型的可靠性和实用性。模型不仅成功再现了实验观察到的主要趋势，还准确预测了压力对乙酸生产的促进作用以及最佳操作条件。特别值得关注的是，模型预测在10 bar压力下，CO2和H2的转化率分别可达70%和50%，这一预测与实验数据吻合良好。
讨论部分进一步分析了模型的创新性和应用价值。与现有的其他乙酰菌模型相比，该研究首次针对嗜热乙酰菌T. kivui建立了完整的动力学框架，并明确考虑了CO2抑制效应。模型的成功开发为相关生物过程的优化和放大提供了重要工具，同时也为理解嗜热乙酰菌的代谢特性提供了新的视角。
这项研究的重要意义在于它填补了嗜热乙酰菌动力学模型的空白，为CO2生物转化技术的进一步发展奠定了坚实基础。所建立的模型框架不仅适用于T. kivui，其方法论也可推广到其他类似的气体发酵系统。随着对气候变化关注度的不断提高，这类能够将温室气体转化为有价值产品的生物技术，必将在未来的可持续制造中发挥越来越重要的作用。
