用于合成聚酰胺单体的绿色工艺：利用经过基因改造的谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）进行精准发酵，并提取纯化的5-氨基戊酸（5AVA）和腐胺

《RSC Sustainability》：Green initiatives for the synthesis of polyamide monomers: precision fermentation using engineered Corynebacterium glutamicum and extraction of purified 5-aminovaleric acid (5AVA) and putrescine

平台化学品5-氨基戊酸和腐胺的微生物合成及优化

　　本研究围绕微生物生产平台化学品——5-氨基戊酸（5AVA）和腐胺（putrescine）的工艺优化和绿色回收展开，旨在为生物基聚酰胺的可持续合成提供一种环保且高效的解决方案。传统上，这些化合物主要通过石油化工路线合成，该过程涉及多个步骤、有害中间体和高能耗，对环境造成较大负担。而通过基因工程改造的微生物菌株，可以利用可再生碳源如生物质废弃物中的葡萄糖和木糖，实现对5AVA和腐胺的生物合成，从而推动绿色化学的发展，减少对化石燃料的依赖，降低聚酰胺生产过程中的环境影响。

5-氨基戊酸是一种含有氨基和羧基的线性ω-氨基酸，可被环化为戊内酰胺，后者是生物基尼龙5的单体。它也是多种C5衍生物如戊二酸、5-羟基戊酸和1,5-戊二醇的前体。在自然界中，5-氨基戊酸是假单胞菌（Pseudomonas putida）AMV途径中的一个代谢中间体，也可通过赖氨酸降解或腐胺氧化产生。通过工程化改造，如大肠杆菌（Escherichia coli）和谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）等菌株，可以实现从可再生碳源中高效合成5-氨基戊酸，成为一种可持续的替代方案。

腐胺作为一种C4类的聚胺，参与DNA/RNA稳定和细胞增殖等重要生物过程，同时也是尼龙-4,6的重要单体。它还可以作为精胺和亚精胺的前体，这两种多胺在细胞代谢中发挥关键作用。随着对生物基材料需求的增加，腐胺市场预计将在2033年达到7.154亿美元。因此，探索其微生物合成方法具有重要的经济和环境意义。

本研究中，采用基因工程改造的谷氨酸棒杆菌菌株AVA Xyl和PUT Xyl，在CGXII合成培养基中进行高效合成5-氨基戊酸和腐胺。初始的单因素优化实验通过调整培养基中的关键成分——葡萄糖、硫酸铵、MOPS和尿素，分别获得了4.1 ± 0.21 g/L的5-氨基戊酸和0.41 ± 0.01 g/L的腐胺。通过多次子培养和发酵优化，腐胺的产量提升至1.82 ± 0.39 g/L。进一步使用中心复合设计（CCD）进行统计优化，使5-氨基戊酸和腐胺的产量分别达到6.0 ± 0.54 g/L和6.44 ± 0.33 g/L，显著优于初始结果。腐胺通过受控蒸发浓缩至14.3 ± 0.6 g/L，而5-氨基戊酸则通过Dowex 50W-X8离子交换树脂进行高效回收，回收率达到84 ± 2%。整个过程减少了有毒试剂的使用，并采用基于水的、低能耗的下游处理方法，体现了绿色加工策略的潜力。

研究进一步强调了培养基成分和发酵参数的优化在生物制造中的重要性。单因素优化方法虽能识别主要影响因素，但未能揭示变量间的相互作用。因此，采用中心复合设计（CCD）作为响应面法（RSM）的工具，可以更全面地建模变量间的非线性关系，从而提高优化效率。通过CCD设计，研究确定了最优的培养基成分组合，包括硫酸铵、MOPS、葡萄糖和木糖的浓度，这些变量在不同水平下的组合对5-氨基戊酸和腐胺的产量产生了显著影响。通过分析数据，可以识别出哪些变量在不同条件下对产物的生成具有最大促进作用，哪些变量之间的相互作用最为关键。

在5-氨基戊酸的回收过程中，研究采用Dowex 50W-X8阳离子交换树脂，通过调整pH值和接触时间，实现了高效吸附和选择性洗脱。5-氨基戊酸是一种两性离子化合物，其在低pH下具有较强的阳离子形式，因此能够与树脂形成较强的静电相互作用。通过实验发现，在pH 4.5时，吸附效率最高，达到约96%。接触时间优化至50分钟，能够有效提升吸附效果。在洗脱过程中，使用1 N NaOH溶液，可在高pH条件下恢复树脂中结合的5-氨基戊酸，其回收率高达84%。此外，该树脂经过五次循环使用后，回收率仍保持在77.5 ± 1.78%，表明其具有一定的重复使用潜力。

对于腐胺的回收，研究采用受控蒸发法，通过调整温度和压力，实现对腐胺的有效浓缩。初步蒸发在35–40°C和340 mbar压力下进行，将培养液的体积减少约65%，腐胺浓度提升至11.2 ± 0.87 g/L。随后，进一步升高温度至65–70°C并降低压力至20 mbar，使腐胺浓度最终达到14.32 ± 0.61 g/L。该过程通过精确控制蒸发条件，避免了腐胺的挥发损失，同时提高了回收效率。腐胺的纯度和回收率通过高效液相色谱（HPLC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行分析，结果表明其纯度较高，且能够通过该方法高效回收。

研究还探讨了下游回收过程对绿色化学原则的符合性。5-氨基戊酸由于其极性较强，适合采用离子交换色谱法进行纯化，而腐胺由于其极性较低且具有一定的挥发性，更适合通过受控蒸发进行浓缩。这些方法减少了溶剂的使用和能源消耗，符合绿色分离的宗旨。此外，研究中采用的树脂和蒸发技术均具有工业可扩展性，为大规模生产提供了可行的路径。

从经济和环境角度来看，研究还进行了初步的技术经济分析（TEA），评估了生产过程中原料和下游处理成本。根据最佳实验结果，每生产1千克5-氨基戊酸需要约6.7千克的糖，而每生产1千克腐胺需要约7.8千克的糖。考虑到工业规模下，木糖和葡萄糖的成本通常低于实验室使用的分析级化学品，因此该过程在实际应用中具备良好的经济潜力。通过优化培养基成分和发酵条件，不仅可以提高产物的产量和纯度，还能显著降低生产成本。同时，利用生物质废弃物中的C5和C6糖进行共代谢，为第二代生物精炼厂提供了重要的技术支持。

此外，研究还强调了对联合国可持续发展目标（SDGs）的贡献，特别是SDG-12（负责任的消费和生产）和SDG-7（负担得起的清洁能源）。通过减少对化石燃料的依赖，采用可再生资源和低能耗工艺，本研究不仅有助于实现绿色化学目标，还推动了生物基材料产业的发展，为循环经济和塑料废弃物的减少提供了新的思路。

总的来说，本研究通过系统优化微生物发酵条件和培养基配方，实现了5-氨基戊酸和腐胺的高效生产，并开发了绿色、环保的下游回收技术。这些成果不仅为生物基聚酰胺的生产提供了新的工艺路径，也为实现可持续的工业生产模式提供了理论支持和实践依据。未来，随着更多可再生资源的开发和生物技术的进步，这种基于微生物的绿色生产方式有望成为传统石化工艺的重要替代方案，为全球范围内的环保和可持续发展做出贡献。