一种端到端的微生物平台，用于生产100%生物基的长链聚酯：从可再生原料到环保聚合物

《Journal of Bioresources and Bioproducts》：An End-to-End Microbial Platform for 100% Bio-Based Long-Chain Polyester: From Renewable Substrate to Eco-friendly Polymer

本研究首次通过工程毕赤酵母合成100%生物基的1,12-二羧酸，再利用工程大肠杆菌将其还原为1,12-二醇，最终通过无溶剂缩聚反应制备出与石油基聚酯性能相当的生物基聚酯。工艺在5升和50升发酵器中均实现高效转化（1,53 g/(L·h)和1,42 g/(L·h)），并开发出高纯度（>98%）下游纯化技术，为可持续塑料生产提供了可扩展的微生物平台。

　　本研究聚焦于开发一种基于可再生资源的可持续、环保型聚酯生产方法。当前，全球塑料产业高度依赖石油等不可再生资源，这不仅加剧了对化石燃料的消耗，也带来了严重的环境污染问题。随着环保意识的提升和可持续发展目标的推进，生物基材料的开发成为塑料工业转型的重要方向。聚酯作为一种广泛应用的塑料材料，其结构中的酯基（–O–CO–）使其具有一定的可降解性，尤其是长链脂肪族聚酯，因其较高的熔点（>100 °C）和结晶温度，非常适合用于热塑性加工过程。然而，传统方法依赖化学合成，存在能耗高、副产物多、对环境不友好等问题。因此，探索一种通过微生物催化反应实现聚酯材料的生物合成，具有重要的科学和工业意义。

本研究通过两步微生物转化策略，成功实现了从单一植物油衍生的烷烃出发，合成出100%生物基的长链聚酯。具体而言，首先利用工程化的酵母菌株（Candida tropicalis）将植物油衍生的C12烷烃转化为1,12-二羧酸（1,12-diacid），随后通过工程化的大肠杆菌（Escherichia coli）将二羧酸进一步转化为1,12-二醇（1,12-diol）。最终，通过溶剂无的聚酯化反应，将两种生物基单体合成出聚酯材料。这种集成化的生物转化方法不仅实现了高产率和高生产效率，还显著降低了对化石燃料的依赖，为实现循环经济提供了可行的技术路径。

在微生物转化过程中，Candida tropicalis菌株被选为1,12-二羧酸的生产者，因其具有对高浓度烷烃的耐受能力，并能代谢多种疏水性化合物，如n-烷烃、脂肪醇、脂肪醛和脂肪酸。通过基因工程手段，优化了该菌株的ω-氧化路径，使其能够高效地将C12烷烃转化为二羧酸。在5升的分批发酵系统中，该菌株在150克/升的浓度下实现了1.53克/(升·小时)的生产效率，这是目前微生物合成长链二羧酸中最高的产率和效率。为了进一步验证该方法的可行性，研究团队还将其成功放大至50升的中试发酵罐，生产水平达到约145克/升，与5升系统的性能保持高度一致，证明了该工艺的可扩展性和稳定性。

随后，1,12-二羧酸被用于第二阶段的转化过程，通过工程化的E. coli菌株，在其表达的羧酸还原酶（CAR）和其激活酶（磷泛酰化转移酶，PPTase）的协同作用下，将二羧酸转化为1,12-二醇。CAR能够将脂肪酸的羧酸基团转化为醛基，而PPTase则负责激活CAR，提高其催化效率。在5升的发酵系统中，该过程实现了68克/升的1,12-二醇产量，生产效率达到1.42克/(升·小时)，这是目前微生物合成长链二醇中最高的产率和效率。通过优化发酵条件，如控制pH值、调整碳源（葡萄糖、甘油和半乳糖）和持续供料策略，研究人员成功克服了传统方法中常见的低产率和高成本问题。

为了确保最终聚酯产品的纯度和性能，研究团队开发了一套高效的下游纯化流程。对于1,12-二羧酸，采用酸沉淀、乙醇提取、活性炭脱色和重结晶等步骤，最终获得了超过98%纯度的产物。同样地，1,12-二醇的纯化过程包括甲醇提取、反溶剂结晶、活性炭脱色和再次重结晶，确保了最终产物的高纯度和高回收率。这种纯化方法不仅减少了对溶剂的依赖，还降低了生产成本，提高了工艺的环保性。

在聚酯合成过程中，研究人员采用了酯化和缩聚反应相结合的方法。首先，将二羧酸和二醇在190°C下进行酯化反应，随后在200–230°C下进行真空缩聚反应，利用钛（IV）叔丁氧化物作为催化剂和三乙基磷酸作为稳定剂。最终合成的聚酯材料具有与石油基聚酯相似的分子量和热性能，表明其在物理和化学性质上具备与传统塑料材料竞争的能力。通过核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等分析手段，研究人员进一步验证了生物基聚酯的化学结构与石油基聚酯的相似性，证明了该材料的可行性。

为了进一步评估该生物基聚酯的环境可持续性，研究团队还进行了碳同位素分析，确认了其来源为植物油衍生的生物基单体。此外，研究人员提到，未来的全面生命周期评估（LCA）将有助于更深入地分析该工艺对环境的整体影响。根据已有研究，使用生物基原料生产聚酯材料相比传统化石燃料基材料，可以显著降低温室气体排放，减少环境足迹。同时，考虑到当前C12烷烃的生产成本，研究团队还探讨了使用非食品级的可再生原料，如废食用油或藻类油，以进一步提升工艺的可持续性和经济性。

从技术经济角度来看，尽管目前的工艺仍处于实验室和中试阶段，但其成本效益已展现出一定优势。通过优化发酵条件和纯化流程，研究人员估算出生物基聚酯的生产成本比传统石油基聚酯更低，尤其是在使用非食品级原料的情况下。例如，C12烷烃的生产成本在2.45–2.85元/千克之间，而1,12-二羧酸和1,12-二醇的生产成本分别为2.00–2.30元/千克和2.50–3.60元/千克。这些数据表明，该工艺在经济上具备一定的可行性，尤其在规模化生产后，有望进一步降低单位成本。

本研究的创新点在于其集成化的生物转化流程，不仅涵盖了从原料转化到单体合成，还包括最终聚酯的生产。这种全链条的生物制造方法，避免了传统化学合成过程中的复杂步骤和高能耗问题，为塑料工业的绿色转型提供了新的思路。此外，研究团队还提出，未来可以通过改进纯化策略，如膜分离技术或选择性结晶，进一步提高产物的回收率，同时减少对活性炭等辅助材料的依赖，以实现更高效、更环保的生产流程。

总的来说，本研究通过微生物工程手段，成功实现了从植物油衍生的烷烃到100%生物基聚酯的转化，为塑料行业提供了可持续的替代方案。该工艺不仅在产率和效率上达到了较高水平，而且在环境友好性和经济可行性方面也展现出良好前景。然而，为了实现大规模商业化，还需要进一步优化生产流程，降低能耗和成本，并解决可能的副产物处理问题。未来的研究方向可能包括开发更高效的发酵系统、探索更广泛的原料来源以及完善全生命周期评估，以确保该工艺在实际应用中的可行性和可持续性。