传统塑料的生产伴随着严重的环境问题，包括化石资源的消耗、使用过程中的排放以及产品寿命结束后的影响（Cabernard等人，2021年；Kannan和Vimalkumar，2021年；Akdo?an和Guven，2019年）。尽管监管压力不断增加，研究活动也在增多，但塑料行业仍主要采用线性生产模式。最近的行业报告显示：2023-2024年全球生物基塑料的产能约为200万吨，仅占总塑料产量的不到1%，而欧盟27国+3地区的产能主要集中在生物PE、生物PP和PHA上，且这些产能集中在少数几家工厂（European Bioplastics，2025年；Plastics Europe，2024年）。这些数据表明，循环经济目标与工业实践之间存在明显差距。系统层面的分析表明，仅提高回收率不足以显著减少对化石碳的依赖。因此，需要结合使用回收材料和可再生碳源（包括生物质和工业副产品）来提升塑料行业的循环性（Bachmann等人，2023年）。
基于发酵的生物基单体生产是一种成熟且具有工业应用价值的方法。与聚羟基烷酸酯（PHAs）等细胞内生物聚合物相比，发酵产生的单体在下游聚合和材料设计方面具有更大的灵活性（Chung等人，2015年）。已有的工业实例包括乳酸和乙醇酸，它们通过发酵生产后分别聚合为聚乳酸（PLA）和聚乙醇酸（PGA）（Fahim等人，2019年）。
与传统的石化合成方法相比，基于发酵的生产路线在工艺层面具有多个优势。发酵过程通常在温和的温度和压力下进行，从而降低了能源需求并改善了操作条件（Londo?o-Hernandez等人，2020年；Woodley，2020年）。此外，许多发酵产生的单体具有良好的环境和毒理学特性，可以减少聚合物使用和处置过程中的环境影响（Thakur等人，2021年；Fujita等人，2013年）。尽管如此，基于发酵的单体仍面临一些限制，这些限制影响了它们的工业竞争力。生物基原料通常比化石基原料更昂贵且均匀性较差，可能需要额外的处理或预处理，尤其是在使用残渣或副产品时（Chen等人，2023年）。此外，微生物发酵的动力学受到生物学限制，如代谢能量的可用性、接近平衡的反应条件以及生物质生长与产物形成之间的平衡需求（LaRowe等人，2012年；Carteni等人，2020年）。
工艺集约化也受到微生物对操作条件（如pH值、温度和产品浓度）敏感性的限制。高产物产量可能导致抑制或毒性效应，从而降低生产效率并增加下游分离的复杂性（Chen等人，2023年；Carmona-Gutierrez等人，2012年）。尽管代谢工程和基因工程的进步显著提升了菌株的性能（Becker等人，2018年；Adegboye等人，2021年；Yang等人，2024年），但在实验室规模上的改进并不一定能转化为经济上可行的工业工艺。
戊二酸（GA）是一种线性五碳（C5）二元羧酸，可用作聚合物合成、增塑剂和特种化学品的单体和中间体。目前的工业生产主要依赖于环戊酮的催化氧化，这是一种需要高能耗的操作过程（Lisicki和Orlińska，2018年；Hu等人，2022年）。C5二元羧酸单体的重要性得到了最新研究的证实，这些研究展示了由碳水化合物衍生的高性能生物基聚酰胺的制备（Manker等人，2024年），这扩展了可持续C5构建块的商业应用范围，超出了传统上认为的聚酯应用领域。
多项研究报道了使用经过代谢工程改造的微生物（主要是Corynebacterium glutamicum和Escherichia coli）进行GA的发酵生产。根据菌株和工艺配置的不同，报道的GA产量范围从大约50克/升到超过100克/升不等，产率和生产效率也各不相同（Han等人，2020年；Bi等人，2023年；Sohn等人，2022年；Cha等人，2022年；Kim等人，2019年）。最近的研究进一步扩展了C. glutamicum平台，使其能够生产相关的C5二元羧酸单体，包括用于下一代聚酯和聚酰胺化学的吡酮和吡啶二元羧酸（Aiyar等人，2024年），这证实了C5骨架在生物基聚合物领域中的战略重要性。
本研究基于Rohles等人（2018年）的工作，他们通过系统代谢工程方法开发了一种C. glutamicum菌株（GTA-4）。通过优化5-氨基戊酸途径并增强戊二酸的分泌，作者在使用葡萄糖和糖蜜作为碳源的情况下，实现了60小时内90克/升的GA产量（四舍五入值），产率为0.7摩尔/摩尔，生产速率为1.5克/升·小时。
对新兴生物工艺的早期评估有助于在大规模实施前识别关键的成本驱动因素和性能瓶颈，从而做出明智的决策（Bergerson等人，2019年）。这对于技术成熟度较低（TRL）的技术尤为重要，因为这类技术的数据有限，但对其工艺设计有较大影响（Ullman，2010年；De Weck，2022年）。
已经提出了多种方法来应对早期评估中的不确定性，包括敏感性分析、情景分析和低精度成本估算（Towler & Sinnott，2021年；Lunelli & Morais，2024年；Baaqel等人，2023年）。其中，技术经济分析（TEA）被广泛用于评估新兴技术的经济可行性、成本结构和投资回报（Peters等人，2003年；Towler & Sinnott，2021年）。结合工艺模拟，TEA能够将实验室规模的数据系统地转化为概念性的工业工艺设计，从而在不同工艺配置下估算资本和运营支出（De Tommaso等人，2020年）。
因此，本研究的目的是通过整合实验室规模的发酵数据和试点规模的假设及使用SuperPro Designer的工艺模拟，来评估发酵生产GA的技术经济可行性。分析重点关注规模效应、原料成本敏感性、发酵性能和下游处理策略，旨在识别关键的经济瓶颈，并为未来的工艺优化和放大工作提供指导。
