研究综述：通过小型化装置集成发酵与下游处理提升微生物原料甘油生产1,3-丙二醇的工艺效率
作者与发表信息
本文由 Thomas Kaeding、Julian Daluz、Jürgen Kube 和 An-Ping Zeng 撰写，发表于 Bioprocess and Biosystems Engineering 杂志，文章接收日期为2014年8月3日，接受日期为2014年9月29日。研究主要由汉堡工业大学和Agraferm Technologies AG机构合作完成。
研究背景
1,3-丙二醇（1,3-Propanediol，简称PDO）是一种重要的化学中间体，广泛应用于聚合物生产中，例如PTT（聚对苯二甲酸丙二醇酯）。PDO的工业生产传统上以葡萄糖或淀粉为原料，通过基因改造的大肠杆菌菌株发酵。然而，由于生物柴油副产物粗甘油价格低廉且资源丰富，其作为发酵原料的研究吸引了大量关注。
此前研究已经证明粗甘油发酵制备PDO具有经济性，相关文献涵盖发酵工艺、发酵液下游处理及经济评价。然而，粗甘油中杂质（如盐和脂肪酸）对发酵和下游工艺构成挑战。同时，传统发酵工艺依赖复杂培养基和严格的无菌条件，增加了生产成本。本研究旨在通过小型化装置验证基于粗甘油的PDO生产工艺，优化关键步骤并评估其工业化潜力。
研究目标
本文的主要目标是开发一种从粗甘油到高纯度（99%）PDO的集成生产工艺，覆盖原料处理、非无菌发酵以及高效的下游纯化流程，并验证各步骤之间的相互作用对工艺性能的影响。
实验方法与工艺流程
发酵微生物及培养条件
- 使用从环境样本中分离并鉴定为 Clostridium pasteurianum K1 的野生型菌株。
- 发酵培养基采用最小化配方，避免复杂营养成分（如酵母提取物），以减少下游处理难度。
- 发酵过程在非无菌条件下进行，pH控制剂采用氨水替代氢氧化钠，以减少盐分输入。
甘油脱盐
- 采用电渗析（Electrodialysis）对粗甘油进行预处理，将盐分从初始的3.2%降至0.05%，能耗显著低于热蒸馏。
- 为验证不同来源粗甘油的适用性，研究对比了直接使用与脱盐处理后的甘油对发酵的影响，发现部分粗甘油中的抑制性杂质（如不饱和脂肪酸）难以通过电渗析去除。
发酵过程
- 在1L、200L和1000L发酵规模下验证了非无菌条件下的发酵工艺。
- 应用化学定义培养基并采用氨水调节pH，有效降低了发酵液中的盐分和有机酸副产物。
- 最终PDO浓度达到55 g/L，单位体积时间产率为2.3 g/(L·h)。
下游处理
- 采用超滤技术分离生物质与蛋白质，避免传统离心技术中需添加絮凝剂的步骤，显著减少后续蒸发步骤的起泡问题。
- 蒸发步骤中分阶段浓缩发酵液，将PDO浓度提升至40%，同时通过氨水控制改善有机酸的分离效率。
- 两步精馏最终获得纯度超过99%的PDO。
流程模拟
- 使用Aspen Plus对工艺中的热力学平衡和能耗进行模拟，验证实验结果并估算关键步骤的分离效率。
主要结果
发酵性能
- 在非无菌条件下实现了与无菌发酵相当的PDO产率和最终浓度，同时简化了设备需求并降低了生产成本。
- 使用氨水作为pH调节剂不仅降低了原料成本，还改善了下游有机酸的分离效果。
下游工艺优化
- 超滤技术有效分离蛋白质和细胞残留，蒸发过程泡沫形成减少，工艺稳定性提高。
- 电渗析显著降低甘油中的盐分输入，但对于脂肪酸等非盐类抑制物的去除能力有限。
- 两步精馏成功分离PDO与残留盐、未转化甘油和其他杂质。
整体工艺性能
- 工艺整体收率达到0.41 g PDO/g粗甘油，能耗分析表明蒸发步骤为主要耗能环节。
- 使用粗甘油代替传统糖类原料，每生产1吨PDO所需粗甘油约为3吨。
研究意义与展望
- 本研究通过非传统策略（如非无菌发酵、氨水pH控制、甘油脱盐）显著优化了PDO的生产工艺，验证了低成本、高效的技术路线。
- 提出的集成工艺强调了单元操作间的相互作用，提供了一种综合优化的思路，适用于其他生物生产系统的开发。
- 在工业化层面，这种工艺可降低投资和运营成本，提升可再生资源在化学品生产中的利用效率，具有广泛的应用潜力。
研究亮点
- 新型菌株与非无菌条件的结合：降低了设备和能源需求，同时实现了高效PDO生产。
- 创新性的下游处理：通过超滤和氨水优化蒸发与精馏步骤，解决了传统工艺中的盐分和起泡问题。
- 综合优化方法：首次系统性探讨了原料预处理、发酵和下游步骤间的协同效应，为类似工艺开发提供了参考模型。
本文为生物基PDO生产的进一步优化与工业化应用奠定了基础，也为绿色化学工业的发展提供了新的技术途径。