综述：生物基琥珀酸的潜力：生产途径、原料与工业前景

本综述系统探讨了生物基琥珀酸（SA）作为关键平台化学品的可持续生产路径。文章深入分析了微生物发酵途径（如还原性TCA循环、氧化性TCA循环和乙醛酸分流途径）、基因工程策略（包括CRISPR/Cas介导的基因组编辑和代谢通量优化）及廉价原料（如木质纤维素生物质）的利用，同时评估了下游处理技术（如电渗析和结晶）的经济性与环境影响。综述强调通过代谢工程和工艺创新克服生产限制（如NADH/NAD+平衡和CO2固定），推动SA在生物塑料、制药和食品工业的应用，替代石油基同类产品。

　　

生物基琥珀酸的重要性

琥珀酸（Succinic Acid, SA）是一种四碳二羧酸，作为平台化学品在食品、生物塑料和制药行业中具有广泛应用。传统石油化工生产方法依赖马来酸酐的催化加氢，存在高能耗、温室气体排放及不可再生资源依赖问题。随着可持续发展需求增加，生物基SA生产通过微生物发酵利用可再生原料（如木质纤维素生物质），实现CO₂固定和更低的环境毒性，成为石油基替代品的重要选择。

石油化工生产流程

石油基SA生产主要通过n-丁烷部分氧化生成马来酸酐，再经氢化反应得到琥珀酸酐，最终水解纯化。该过程需高温高压条件，成本较高（约2,554欧元/吨），且碳足迹显著。相比之下，生物技术生产可降低60%以上温室气体排放，成本仅为1,045欧元/吨。

市场需求与潜力

全球SA市场需求预计以年复合增长率27.4%增长，2025年达18亿美元。生物基SA因其低污染、低能耗和可持续性，被美国能源部列为12大可再生平台化学品之一。欧盟政策推动可再生能源应用，要求成员国2020年可再生能源占比达20%，并征收碳税，进一步促进生物基化学品发展。

生物学生产途径

微生物生产SA主要通过三条代谢途径：

1. 1.

   还原性TCA循环（rTCA）：在厌氧条件下，磷酸烯醇丙酮酸（PEP）经PEP羧化酶（PPC）或PEP羧激酶（PCK）固定CO₂生成草酰乙酸，后续通过苹果酸脱氢酶（MDH）、延胡索酸酶（FUM）和延胡索酸还原酶（FRD）转化为SA。

2. 2.

   氧化性TCA循环（oTCA）：需氧条件下，SA作为中间体易被琥珀酸脱氢酶（SDH）转化为延胡索酸，需通过基因敲除抑制SDH以积累SA。

3. 3.

   乙醛酸分流途径（GAC）：绕过CO₂释放步骤，以苹果酸为前体，无需NADH消耗，提高原子经济性。

微生物生产菌株

常用生产菌株包括：

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  Actinobacillus succinogenes：分离自反刍动物瘤胃，能利用多种碳源（葡萄糖、木糖等），耐受高SA浓度，但需中性pH和复杂氮源。

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  Escherichia coli：通过代谢工程改造（如删除乳酸脱氢酶ldhA和酒精脱氢酶adhE），增强SA通量，但需平衡NADH/NAD⁺比例。

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  酵母菌株（如Yarrowia lipolytica）：耐酸性强，简化下游处理，但产量较低。

影响生产的因素

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  碳源：葡萄糖为最常用碳源，廉价原料如油棕空果束、鸭粪水解液可降低成本。

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  氮源：有机氮源（如酵母提取物）比无机氮源更有效，玉米浆与花生粕组合可提高产量。

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  中和剂：MgCO₃优于NaOH或Ca(OH)₂，因提供Mg²⁺辅因子和CO₂，避免细胞絮凝。

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  pH：中性pH（6.8-7.5）最适生产，酸性pH导致副产物积累。

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  CO₂源：高CO₂分压促进羧化反应，碳酸酐酶（CA）和 bicarbonate 转运蛋白（如SbtA）增强细胞内CO₂固定。

工程菌株优化策略

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  碳通量重定向：敲除竞争途径基因（如ackA、pflB），减少乙酸、甲酸等副产物。

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  NADH/NAD⁺平衡：过表达甲酸脱氢酶（fdh）或利用山梨醇等还原性碳源，提高NADH供应。

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  CO₂固定增强：引入外源碳酸酐酶或bicarbonate转运蛋白，提高PCK和PPC酶效率。

原料创新与可持续性

木质纤维素生物质（如水稻秸、小麦秸）占农业废弃物大部分，通过酸/碱预处理和酶水解释放可发酵糖。整合生物精炼模型，协同生产高值化学品（如SA），符合循环生物经济原则，减少废弃物和排放。

下游处理技术

下游处理占生产成本40-50%，涉及：

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  澄清阶段：离心和超滤去除细胞碎片。

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  初级回收：蒸发、电渗析或反应萃取分离SA。

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  纯化：结晶和干燥获得高纯度SA，膜技术（如纳滤）和纳米粒子增强膜可减少污染和提高效率。

应用领域

SA衍生物广泛用于：

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  工业：生产1,4-丁二醇（BDO）、四氢呋喃（THF）、可生物降解聚合物（如聚丁二酸丁二醇酯PBS）。

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  食品：作为酸度调节剂、风味增强剂。

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  制药：合成抗生素、维生素和氨基酸。

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  农业：作为饲料添加剂和植物生长促进剂。

技术经济与生命周期评估

生物基SA生产可减少46%非可再生能源消耗和50%温室气体排放。技术经济分析显示投资回报率12.8%，回收期7.2年。低pH酵母发酵和直接结晶法具有最低环境影响，但原料选择（如果渣）可能导致全球变暖潜能较高。

生产限制与挑战

主要挑战包括：

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  下游处理成本高：副产物复杂，纯化能耗大。

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  原料变异性：木质纤维素预处理难度大，酶成本占30%。

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  菌株稳定性：基因修饰菌株在长期发酵中可能失活。

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  市场竞争：需持续改进生产率和产品质量以对抗石油基产品。

未来展望

通过代谢组学指导菌株改进、结合高级建模和优化策略，开发耐酸菌株和高效发酵工艺，是提升生物基SA经济可行性的关键。整合廉价原料和创新下游技术，将推动SA作为可持续平台化学品在全球市场的应用。