通过发酵和结晶从甘蔗中可持续生产三乙酸内酯

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Sustainable Triacetic Acid Lactone Production from Sugarcane by Fermentation and Crystallization

　　本研究利用BioSTEAM平台设计、模拟和评估了从甘蔗中可持续生产三乙酸酯内酯（TAL）的生物炼金厂，实验测定并建模了TAL在不同温度下的溶解度，优化了结晶分离工艺，通过TEA和LCA分析了经济可行性和碳强度，提出提高发酵效率和整合甜高粱等工艺改进措施，以降低最低售价至$2.26/kg和碳强度至3.05 kg CO?-eq/kg。

　　TAL，即三乙酸乳酸酯，是一种具有广阔应用前景的生物来源平台化学品。它不仅可以用于生产山梨酸等重要商品化学品，还能作为可回收聚二酮酯塑料等新型材料的原料。这种化合物因其在生物制造中的潜力而受到关注，尤其是在寻求减少对化石资源依赖和提升可持续性方面。目前，TAL和山梨酸的生产几乎完全依赖于化学合成方法，但随着生物技术的发展，生物合成TAL的前景正在变得越来越乐观。研究者们正在探索如何通过代谢工程改造微生物，如酿酒酵母、酵母菌Yarrowia lipolytica、大肠杆菌和Rhodotorula toruloides等，以实现TAL的高效生产。

TAL的生产面临两个主要挑战：发酵过程中的微生物性能不足和从发酵液中分离TAL的难度。发酵微生物的低产率导致了较高的原料获取成本，而TAL在水中的低溶解度又使得分离过程成本高昂。为了克服这些挑战，研究人员提出了多种分离策略，包括活性炭吸附和结晶。其中，结晶被认为是一种更经济的选择，但其应用受限于TAL在发酵过程中低溶解度以及高细胞密度带来的问题。通过实验测定TAL在不同温度下的溶解度，并结合热力学模型，研究人员设计了一种利用结晶法从发酵液中分离TAL的工艺流程。这一流程包括将发酵液加热至足够高的温度以溶解所有TAL，随后通过离心去除不溶性细胞物质，再将液体冷却至1°C进行结晶。第二步离心进一步分离出结晶的TAL和上清液，上清液被送入废水处理系统，而结晶的TAL则被干燥并储存。

在生物合成TAL的背景下，研究者们还关注了其在环境和经济上的可行性。TAL的生产成本和碳足迹是评估其市场竞争力的重要指标。研究显示，在当前技术水平下，TAL的最低产品销售价格（MPSP）在$3.73–5.86·kg?1之间，平均为$4.60·kg?1。这一价格区间表明，TAL作为山梨酸的原料，其成本具有竞争力，特别是在考虑政府激励和消费者对可再生产品的偏好时。此外，TAL的碳强度（CI）为5.31 [2.60–8.71] kg CO?-eq·kg?1，远低于传统化石来源的碳强度，显示出其在环境可持续性方面的优势。

为了进一步降低生产成本和碳足迹，研究团队探索了多种潜在的改进策略。首先，他们分析了理论发酵空间（包括产量、转化率和生产率的组合），以确定如何优化微生物转化过程。其次，研究了操作时间安排和产能扩展策略，例如通过整合甜高粱作为额外的原料来源来增加工厂的年度运行天数。此外，还探讨了分离过程中的改进措施，例如通过控制pH值来减少TAL的环开环脱羧反应，从而减少产品损失。这些策略在模拟中显示出了显著的效果，特别是在提高发酵转化率和TAL浓度方面。例如，如果能够将发酵转化率提高到73%的理论值，并将TAL浓度提升至68.0 g·L?1，同时结合甜高粱的加工，工厂的MPSP可以降低至$2.26·kg?1，而CI则可以降至3.05 [1.91–4.15] kg CO?-eq·kg?1。这些改进不仅有助于提升TAL的经济可行性，还进一步增强了其环境可持续性。

研究还揭示了TAL生产过程中的不确定性及其对经济和环境指标的影响。通过蒙特卡洛模拟和敏感性分析，研究团队确定了哪些参数对MPSP、CI和化石能源消耗（FEC）最为敏感。例如，发酵转化率和TAL浓度的提升对降低生产成本和碳足迹有显著影响。此外，工厂的年度运行时间和产能扩展策略也对经济指标产生了重要影响。研究结果表明，如果能够将工厂的运行时间增加到240天，并将TAL的产能提高到17869吨·年?1，将有助于满足当前和未来对TAL作为多种产品原料的需求。

从更广泛的角度来看，TAL的生产不仅关乎其自身的经济和环境性能，还涉及整个生物精炼厂的设计和运营。研究团队利用BioSTEAM这一开源平台，结合Thermosteam热力学模块，对整个生产流程进行了建模和分析。这种综合方法使得研究人员能够评估不同技术参数和设计策略对生产成本和环境影响的综合影响。通过这种系统性的分析，他们不仅能够识别出关键的改进点，还能制定出具体的研发路径，以推动TAL生产技术的进一步发展。

研究还强调了对微生物共利用葡萄糖和木糖的需求，这将有助于利用更广泛的可再生原料，如玉米秸秆、Miscanthus草和Switchgrass等。这些原料相比第一代生物原料（如甘蔗和甜高粱）可能带来更大的环境效益。此外，设计能够接受多种可再生原料的集成设施，有助于生产多种生物产品和生物能源，从而更好地适应地方性的需求和资源条件。

总体而言，这项研究为TAL的生物生产提供了重要的见解。通过结合技术经济分析和生命周期评估，研究团队展示了如何在不确定性下评估不同生产方案的经济和环境可行性。他们的分析不仅为未来TAL生产技术的研发提供了方向，还为政策制定者和行业利益相关者提供了关于如何支持可持续生物制造的建议。随着生物技术的不断进步和对可再生资源的进一步利用，TAL有望成为一种具有重要市场潜力和环境效益的平台化学品，推动可持续化学制造的发展。