综述：从实验室到工业：短链二醇生物制造的系统性方法

《Biotechnology Advances》：From laboratory to industry: Systematic approaches to the biomanufacturing of short-chain diols

　　

• C2-C6二醇的底盘菌株、代谢途径和原料策略进行了综述。
• "第二羟基形成单元"规则定义了跨二醇的可转移性。
• 评估了二醇生产中的放大瓶颈和工业约束。
• 技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）提供了可行性和可持续性的系统级评估。
• 生物转化和催化升级拓展了二醇的下游价值。

**引言**

短链二醇（C2-C6）是一类双功能多元醇，作为多用途平台化学品广泛应用于众多行业，包括聚酯、聚氨酯、可生物降解塑料、防冻液配方、溶剂以及食品、医药和个人护理领域（Sikazwe等人，2025年）（图1）。

在先进材料快速扩张的推动下，全球二醇市场呈现出高度分层的结构（表1）。例如，乙二醇（EG）作为聚酯制造的核心单体，市场规模超过300-400亿美元（Enjamuri和Darbha，2024年）。1,2-丙二醇（1,2-PDO）广泛用于不饱和聚酯树脂，年产量超过150万吨，市场规模约为4亿美元（Tao等人，2021年）。1,3-丙二醇（1,3-PDO）是聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）的关键前体，市场价值超过14亿美元（Zhu等人，2021年）。类似地，2,3-丁二醇（2,3-BDO）已成为一种广泛使用的平台分子，市场约为2-3亿美元，并具有持续增长潜力（Lee等人，2021年；Tin?co等人，2025年），而1,3-丁二醇（1,3-BDO）作为多种工业化学品的前体，规模约为2-3亿美元（Islam等人，2023b）。1,4-丁二醇（1,4-BDO）是四氢呋喃和γ-丁内酯的关键中间体，市场规模超过120-130亿美元，支持年产超过250万吨的聚酯和工程塑料（Cheng等人，2021年）。更高碳数的二醇，如1,5-戊二醇（1,5-PDO）和1,6-己二醇（1,6-HDO），进一步为高性能材料合成做出贡献，特别是聚酯和聚氨酯，合计市场规模在14-15亿美元范围内（Huang等人，2017a；Huang等人，2017b；Kim等人，2021年）。总体而言，这些趋势凸显了一个多元化和不断扩展的市场格局，其中向可持续和生物基生产路线的转变正成为核心驱动力。

尽管短链二醇非常重要，但其工业生产仍然严重依赖石化路线，支持年产量超过1000万吨（Liu和Lu，2015年；Paul Alphy等人，2022年）。这些传统工艺通常依赖高能耗条件，包括高温高压以及贵金属催化剂，导致大量CO?排放、较高的安全风险，以及对化石资源价格波动的严重依赖（Cen等人，2022a）。在全球碳中和目标的背景下，生物制造作为一种有前景且可持续的替代方案应运而生。与石化合成相比，生物工艺在温和条件下运行，减少了对有毒试剂和苛刻反应条件的依赖（Huang等人，2022年）。这些特点有助于降低碳足迹、减少能耗并提高环境相容性（Mohanty等人，2024年）。例如，基于生物的1,3-PDO生产已显示出与石化路线相比碳排放减少超过60%、能耗节省约30%（Rehfeldt等人，2020年）。此外，生物制造可与农业和生物质利用系统集成，实现从原料种植到材料生产的循环价值链，同时支持可生物降解材料的发展以减轻塑料污染（Sun等人，2022年；Wang等人，2026年）。尽管生物制造的环境和可持续性优势令人信服，但从石化依赖向生物制造的转变不仅仅是原料替代，而是微生物系统的复杂重构。

迄今为止，如DuPont生产的1,3-PDO和Genomatica公司生产的1,4-BDO等生物基二醇的商业化，已证明了从石化到生物生产路线转变的工业可行性（Burgard等人，2016年；Nakamura和Whited，2003年）。然而，短链二醇的大规模微生物生产仍面临若干相互关联的挑战。首先，构建稳健且安全的细胞工厂仍是主要瓶颈。天然高产菌株如肺炎克雷伯菌可能存在致病风险，而常用模式宿主往往需要广泛的途径重构、辅因子平衡和耐受性工程才能实现高效生产（Vollenweider和Lacroix，2004年）。其次，工艺放大能力和原料适应性仍不足以支持广泛的工业实施。高产物浓度、有毒中间体如3-羟基丙醛（3-HPA）和甲基乙二醛（MG）、氧化还原不平衡、氧气传递限制、底物变异性以及下游分离负担等因素共同降低了工艺稳健性和经济竞争力（Meng等人，2022年；Panda等人，2023年；Zhou等人，2023年）。第三，短链二醇生物制造的工业价值不应仅从发酵性能来评估，还应综合考虑技术经济可行性、环境可持续性、产物回收以及向高价值化学品和功能材料的下游升级，以支持综合生物精炼厂和循环生物经济模式（Rosenboom等人，2022年）。

本综述从实验室构建到工业应用，系统总结了短链二醇微生物生产的最新进展。从实验室研究角度，首先讨论三个方面：(i) 底盘菌株与途径选择，从遗传可操纵性、固有代谢能力和途径相容性等方面比较模式与非模式微生物；(ii) 生产性能的系统改进，重点关注酶工程、通量调控、辅因子工程和耐受性工程方面的进展；(iii) 原料多元化与可持续性，分析从糖基底物向低成本原料如粗甘油、木质纤维素生物质和C1化合物的转变。为进一步促进实验室进展向工业应用的转化，随后从实验室到工业的界面考察四个方面：(i) 放大过程中的关键挑战，包括氧气传递、原料变异性、工艺控制、下游分离和生物安全；(ii) C2-C6二醇途径间工程干预的可转移性，通过将第二羟基形成单元守恒规则与工艺级证据相结合，评估结构、性能和工艺的可转移性；(iii) TEA/LCA在评估工业可行性中的作用，包括原料分配、转化性能、下游回收、热集成以及碳和水足迹；(iv) 短链二醇作为平台分子在生物转化和催化升级中的下游应用。最后，从上游、中游和下游角度讨论了短链二醇生物制造向综合生物精炼厂和循环生物经济面临的关键挑战，旨在弥合实验室构建与工业应用之间的差距。

对特定产品感兴趣的读者——如1,2-PDO（Tao等人，2021年）、1,3-PDO（Zhu等人，2022年；Zhu等人，2021年）、2,3-BDO（Lee等人，2021年；Tin?co等人，2021年）、1,4-BDO（Burgard等人，2016年）——可参考近期的产品专题综述。寻求更广泛生物基二醇覆盖的读者，请参考先前关于微生物二醇生产及相关代谢工程策略的综述（Cen等人，2022a；Zeng和Sabra，2011年；Zhang等人，2017年）。值得注意的是，Liu等人通过提出一种跨二醇工程平台——即结合氧化与还原羟基形成的"通用途径"——进一步细化了短链二醇的研究范围（Liu等人，2022年）。基于该概念，他们总结了1,3-PDO、1,4-BDO和1,3-BDO的生物制造，并以1,3-PDO为代表讨论了下游加工，涵盖蒸馏、萃取、吸附、电渗析、盐析和基于离子液体的分离（Liu等人，2024c）。推荐对代表性二醇生物制造及从发酵液中回收1,3-PDO感兴趣的读者参考该综述。本综述评估了特定工程干预在C2-C6二醇间的结构、性能和工艺可转移性，为开发特定二醇的研究者提供了一个框架，用以判断来自其他二醇的证据是否支持直接复用、是否需要针对特定产物优化，或是否不足以证明转移的合理性。

**章节摘要**

**短链二醇生产的底盘菌株**

天然微生物生产者提供了短链二醇生物合成的代谢库，既提供前体途径，也提供关键催化酶。例如，K. pneumoniae和丁酸梭菌在厌氧条件下天然将甘油转化为1,3-PDO，而其他微生物具有内源性途径，可从糖或替代底物形成C2-C4二醇。随着合成生物学的快速发展，这些天然能力已被系统性地改造和利用。

**短链二醇的生物合成途径**

引入异源生物合成途径是开发高性能二醇生产菌株的核心策略（图2）。这些途径从改造的天然途径到针对不同碳链长度量身定制的全合成设计不等。除另有说明外，本节讨论的途径主要基于一代生物精炼原料，而使用二代和三代原料的生物合成路线将在第5节中进一步讨论。

**代谢工程中的调控优化**

合理的代谢工程和系统生物学对于开发可持续且具有经济竞争力的细胞工厂至关重要。鉴于底盘菌株的固有局限性——包括产率次优、生产力低、底物适应性差和遗传可操纵性不足——构建短链二醇细胞工厂的主流策略集中在增强关键酶活性、重新分配代谢通量、优化氧化还原平衡以及菌株耐受性工程等方面。

**碳原料的多元化与可持续利用**

目前，来自粮食作物的碳源（如葡萄糖——一代生物精炼，1G）仍是短链二醇细胞工厂的主要底物。然而，由于食品与燃料之间的竞争，它们面临伦理和资源限制（An等人，2021年；Zhang等人，2022a）（图4A）。为确保生物经济的可持续发展，行业正加速向以非粮生物质为核心的二代（2G）生物制造转变。

**弥合实验室性能与工业可行性之间的差距**

基于生物的1,3-PDO在工业中的成功应用为微生物二醇生产提供了极具说服力的概念验证。在此基础上，已开发出多种短链二醇细胞工厂，而合成生物学进展进一步将产品范围扩展至非天然二醇，如1,4-BDO和1,5-PDO（表5）。尽管取得了这些令人鼓舞的成就，大多数短链二醇细胞工厂仍处于工业化初期阶段。

**C2-C6二醇途径间工程策略的可转移性**

在代表性C2-C6二醇生物合成途径中，第二个羟基通常通过NAD(P)H依赖的羟基醛或羟基酮中间体羰基还原来形成。在此基础上，提出了第二羟基形成单元守恒规则。此处，第二羟基形成单元被定义为包含直接羟基羰基前体以及负责其形成和还原的反应的反应基团。该反应基团的保守性……

**短链二醇生物制造的TEA与LCA**

短链二醇生物制造从实验室规模的菌株工程向工业实施过渡，需要超越发酵性能本身的评估，因为工业可行性最终由全流程经济性和环境可持续性决定（图7）。因此，TEA和LCA越来越多地被应用于生物基化学品、生物基塑料和综合生物精炼厂，以识别关键的经济和环境约束（Cortes-Pe?a等人……

**短链二醇中的设计化学品与功能材料**

短链二醇的微生物生产正从实验室规模的途径构建向工业实施迈进。在高产菌株、非天然生物合成途径和工艺控制策略的推动下，短链二醇越来越被认可为连接可再生碳资源与聚合物制造、化学品升级和先进材料设计的平台分子。传统应用已在结论部分进行了总结……

**结论与未来展望**

本综述系统总结了C2-C6短链二醇生物制造的最新进展，涵盖途径构建、原料利用、发酵放大、下游回收和产品升级。比较分析确定，第二羟基形成反应基团的保守性——由直接前体的羰基化学和羟基-羰基拓扑结构定义——是结构可转移性的生化基础。性能……

**利益冲突声明**

作者未报告任何潜在的利益冲突。

**致谢**

本研究得到了江苏大学基础研究计划（由江苏省合成生物学研究中心支持）（BK20233003）、江苏省高校创新研究团队项目（JUSRP202413001）和中央高校基本科研业务费（JUSRP202504026）的资助。

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