利用木质纤维素生物质生物化学生产生物基对苯二甲酸以促进CO2减排

本研究针对传统石油源对苯二甲酸（TPA）生产过程的高碳排放问题，开发了一种从木质纤维素生物质通过微生物发酵生产生物基TPA的创新生化工艺。研究团队筛选了六种未充分利用的木质纤维素原料，优选高纤维素含量的硬木，经碱预处理去除木质素后酶解获得单糖，利用Phlebia sp.将单糖转化为p-甲苯醛（pTA），再通过Comamonas testosteroni DSM6577氧化侧链成功合成TPA。该低温生化工艺显著降低了能耗，为全生物基聚酯（PET）生产和碳中和目标提供了关键技术路径。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，减少化石燃料依赖和降低碳排放成为科学界和工业界的共同挑战。在化工领域，对苯二甲酸（TPA）作为生产聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的关键前体，传统上完全依赖石油资源，其生产过程涉及高温高压氧化反应，能耗巨大且碳排放强度高。尽管近年来部分生物基PET制品（使用生物基乙二醇）已实现商业化，但完全生物基的TPA生产技术仍存在瓶颈——现有工艺多依赖高热能化学转化过程，未能从根本上解决碳足迹问题。

为突破这一困境，日本神奈川工业大学的研究团队在《Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology》发表了一项创新研究，首次通过全生化途径从木质纤维素生物质成功合成了TPA。该研究不仅为生物基聚酯生产提供了新思路，更展示了生化过程在降低能耗和碳排放方面的巨大潜力。

研究团队采用多技术联用策略：首先采集六种日本未充分利用的木质纤维素原料（硬木、软木、竹材、菌菇渣、稻草和稻壳），通过标准TAPPI方法分析其化学成分；优选高纤维素含量（52.8%）的硬木进行碱预处理（160°C, 2.5 h, 25wt% NaOH）以去除木质素；随后使用纤维素酶（Cellic CTec2）在50°C下酶解预处理物料获得单糖；利用专属微生物Phlebia sp.将单糖转化为p-甲苯醛（pTA），再通过Comamonas testosteroni DSM6577的甲基单加氧酶和脱氢酶系统将pTA氧化为TPA。全过程采用HPLC、HS/GC-MS和LC-MS进行产物定量与鉴定。

化学 compositions of lignocelluloses

通过成分分析发现硬木的综纤维素含量最高（84.0%），木质素含量较低（22.0%），且灰分含量少，是最适合生化转化的原料。软木和竹材虽纤维素含量较高，但软木木质素含量达33.4%，竹材碳水化合物在碱预处理中易溶出，均不如硬木理想。

Pretreatment and enzymatic hydrolysis

碱预处理后硬木的酸不溶性木质素去除率达95.1%，酶解后葡萄糖和木糖的得率分别为84.3%和93.2%，从每公斤硬木可获得约450克葡萄糖，为后续微生物发酵提供了充足底物。

Production of terephthalic acid from hydrolyzate of pretreated hardwood

在碱性预处理硬木水解液（APH培养基）中，Phlebia sp.在26°C培养3周后产生0.50 mM pTA，得率基于消耗糖为0.5%（60 mg/L），显著高于合成培养基。研究发现该菌可同时利用葡萄糖和木糖，但葡萄糖优先被消耗。通过蒸馏纯化将pTA浓度提升至56 mM（6.7 g/L）后，C. testosteroni在8小时内成功将pTA转化为TPA（m/z=165.03），并检测到中间产物p-甲苯酸（pTA）和4-羧基苯甲醇（4-CBAL）。氧化路径经鉴定为pTA→4-CBAL→4-醛基苯甲酸（4-CBA）→TPA，与已知酶促机制一致。

本研究首次实现了从木质纤维素生物质到TPA的全生化生产，证明了低温微生物转化替代高温化学过程的可行性。尽管当前TPA产量较低，但通过菌种改良（如基因编辑提升pTA合成效率）和工艺优化（如同步糖化发酵），该技术有望大幅降低生物基PET的生产能耗和碳排放。该研究为碳中和目标下的绿色化工提供了创新范式，未来在阐明pTA生物合成途径关键酶基因的基础上，可进一步推动全生物基聚酯的产业化应用。