甘蔗生物精炼厂中微生物直接生产1,2-丙二醇的技术经济与环境效益研究

本研究针对传统石化法生产1,2-丙二醇(1,2-PDO)的高碳排放问题，通过Aspen Plus?模拟甘蔗生物精炼厂中直接微生物合成路径，对比反应蒸馏(S1-PDO-RD)和液液萃取(S2-PDO-LLE)两种下游工艺。结果表明，优化后的S2-PDO-LLE方案可使1,2-PDO最低售价(MSP)降低19.9%，温室气体(GHG)排放减少48.5%，为生物基化学品产业化提供了重要技术路线。

　　

在全球化工行业向绿色转型的背景下，1,2-丙二醇(1,2-PDO)作为重要的平台化合物，其传统石化生产路线面临碳排放高、依赖不可再生资源的严峻挑战。虽然通过甘油(GLY)、乳酸(LA)等生物基中间体的间接生产法已实现工业化，但存在能耗高、需贵金属催化剂等瓶颈。更值得关注的是，直接微生物转化路径虽理论上更高效，却因菌株性能不足长期停滞在实验室阶段。这项发表在《Biochemical Engineering Journal》的研究，首次系统量化了甘蔗生物精炼厂中直接生产1,2-PDO的技术经济与环境可行性。

研究团队采用Aspen Plus?流程模拟软件构建了300吨/小时甘蔗处理量的集成模型，重点对比了反应蒸馏(S1-PDO-RD)和液液萃取(S2-PDO-LLE)两种下游工艺。通过全因子设计(FFD)模拟27组发酵参数组合，结合代谢通量分析(FBA)确定的生物转化极限，建立了技术性能与可持续性指标的关联模型。样本原料采用含54.4%蔗糖的A糖蜜，关键菌株选用文献报道性能最优的Clostridium thermosaccharolyticum（产率0.27 g_1,2-PDO.g^-1_sugar）。

3.1 质量与能量平衡结果
数据显示S2-PDO-LLE方案总能耗比S1-PDO-RD低1.7倍，主要得益于液液萃取将蒸馏塔数量从4座减至2座。尽管间接生物法通过LA中间体的单位产量更高，但其冷却能耗达181.6-473.6 MJ.kg^-1_1,2-PDO，是直接法的36-90倍，凸显直接路径的能效优势。

3.2 当前技术经济性能
在现有生物转化水平下，S2-PDO-LLE的总设备成本(TEC)为7400万美元，较S1-PDO-RD降低22.9%，主要源于分离系统成本下降62.9%。但两者仍需183-210%的绿色溢价才能与石化法竞争，而间接生物法溢价仅10-58%。值得注意的是，LLE工艺通过减少蒸汽用量使年度化CAPEX降低36.5%，显示出技术升级潜力。

3.3 环境绩效对比
生命周期评估显示，甘蔗种植阶段的化肥使用贡献了最大碳排放。优化后的S2-PDO-LLE方案可实现4.7 kgCO₂eq.kg^-1_1,2-PDO，较石化法降低48.5%，但略高于LA间接路径的2.2倍减排效果。这表明直接路径需进一步提高产率来抵消规模效应劣势。

3.4 未来可行性预测
通过3³全因子设计发现，产物收率对经济性的影响强度是滴度的3.5倍。模拟显示S2-PDO-LLE只需达到80 g.L^-1滴度和0.34 g.g^-1收率即可实现成本平价，而S1-PDO-RD需140 g.L^{-1>的苛刻条件。这种差异凸显LLE技术对生物转化缺陷的补偿作用。}

该研究创新性地证明，直接生物法通过甲基乙二醛通路(理论收率0.42 g.g^-1)的产业化瓶颈主要在于下游分离能耗。研究提出的"液液萃取+菌株改造"协同策略，为突破生物基化学品"死亡谷"提供了明确路径。特别值得注意的是，相比依赖氢解反应的间接法，直接发酵路线不存在收率特异性化学品消耗的固有缺陷，这种"先天优势"使其在长期竞争中更具潜力。未来研究应聚焦CRISPR技术构建耐酸菌株，以及开发原位产物移出系统来克服产物抑制。这项工作不仅为甘蔗产业的多元化转型提供了科学依据，更建立了生物工艺开发与可持续性指标的量化关联模型，对推动绿色制造具有范式意义。