微生物电合成技术驱动CO2 转化β-法尼烯的工艺建模与经济性评估：生物燃料生产的新范式

本研究针对全球碳减排与可持续航空燃料(SAF)需求，创新性地利用微生物电合成(MES)技术，通过代谢工程改造的Rhodobacter sphaeroides菌株将CO2 高效转化为高附加值萜烯化合物β-法尼烯。研究人员构建了年产5000吨的商业化工艺模型，技术经济评估(TEA)显示其平准化生产成本(LCOP)低至2.94美元/千克，较传统糖基工艺降低40%，为碳负性生物燃料生产提供了兼具环境效益与商业可行性的解决方案。

　　

随着全球能源相关CO₂
排放量预计在2024年达到378亿吨，利用可再生电力将CO₂
转化为燃料和化学品的"电力-to-X"战略备受关注。航空业贡献了全球2.5%的CO₂
排放，各大航空公司正致力于通过可持续航空燃料(SAF)实现净零排放。然而，当前电化学和生物电化学CO₂
转化技术主要局限于C₁
-C₂
化学品生产，且经济可行性面临挑战。针对这一现状，研究人员开展了微生物电合成(MES)技术生产β-法尼烯——一种具有理想燃料特性的高价值萜烯化合物——的系统研究。

研究团队通过代谢工程改造Rhodobacter sphaeroides SM-5菌株，使其表达来自Citrus junos的β-法尼烯合成酶(CJFS)，在双室H型MES反应器中实现了CO₂
到β-法尼烯的转化。实验采用石墨毡电极、Nafion 117质子交换膜，在-1.0 V(vs. Ag/AgCl)电位下进行培养，通过气相色谱(GC-FID)监测到8天培养后β-法尼烯产量达11.96 mg/L，CO₂
转化率为22.3%理论值。基于实验室数据，团队建立了年产5000吨的工艺模型，包含两阶段离心分离和Triton X-114脱乳化纯化步骤，实验验证最终产品纯度可达97.6%。

关键技术方法包括：(1)构建含trc/tac启动子的β-法尼烯合成酶表达载体并电转化R. sphaeroides；(2)双室MES反应器系统操作与电化学表征；(3)β-法尼烯的GC-FID定量分析；(4)基于Aspen Plus的工艺建模与TEA评估；(5)蒙特卡洛模拟不确定性分析。

研究结果显示：

1. 生物电化学生产β-法尼烯
   电化学分析证实工程菌株可通过阴极直接获取电子，β-法尼烯产量与电荷转移量呈正相关。虽然当前转化率仅为理论值的22.3%，但通过优化MEA浓度和抗氧化途径，有望达到75%的理论产率。

2. CO₂
   转化工艺建模
   模型设定70%的CO₂
   转化率和85.5%产物收率，反应遵循15CO₂

• 84H⁺
• 84e^-
  → C₁₅
  H₂₄
• 30H₂
  O的化学计量关系。分离实验证实两阶段离心结合0.5% Triton X-114处理可获得95%以上纯度。

1. 技术经济评估
   LCOP分析显示生产成本为2.94美元/千克，显著低于Amyris糖基工艺的4.9美元/千克。成本结构中电力占54%，固定成本占24%。现金流分析显示项目净现值9025万美元，投资回收期3.11年，内部收益率34.9%。敏感性分析表明电价波动对LCOP影响最大，蒙特卡洛模拟确定95%置信区间为2.495-3.550美元/千克。

该研究首次证实MES技术生产β-法尼烯的商业可行性，其创新性体现在：(1)将CO₂
转化产物谱扩展到C₁₅
萜烯；(2)开发低能耗分离工艺；(3)建立考虑生物-电化学耦合效应的TEA模型。尽管当前MES系统仍存在细胞生长慢、电子传递效率低等限制，但该工作为开发碳负性航空燃料提供了明确的技术路线。未来通过反应器设计优化和菌株代谢工程改进，有望进一步提升转化效率，加速该技术从实验室走向产业化。论文发表于《Journal of CO2 Utilization》，为可再生能源驱动的高值化学品生产提供了重要参考。