Synthesis and techno-economic assessment of microbial-based processes for terpenes production
- 作者
- Wenzhao Wu, Christos T. Maravelias
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2018）
- DOI
- 10.1186/s13068-018-1285-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微生物法生产萜烯类化合物的过程设计与技术经济评估，解释萜烯（如柠檬烯，沸点176°C）在30°C发酵后几乎100%进入气相的反直觉现象，并确定关键成本驱动因素。
研究策略
通过气液平衡（VLE）分析揭示萜烯蒸发规律，提出三种工艺配置（基于产品在气相/液相中的分配），采用SuperPro Designer进行过程模拟，并对不同葡萄糖浓度、产率、通气速率（VVM）等参数进行技术经济评估，扩展至12种萜烯及溶剂萃取和纤维素原料等情景。
核心内容
该研究针对微生物法生产萜烯（如柠檬烯）的经济可行性进行了系统分析与技术经济评估。研究首先通过气液平衡（VLE）分析揭示了萜烯在30°C发酵条件下几乎全部进入气相的规律，据此提出了三种基于产品在气液相中分配系数的工艺配置方案，并利用SuperPro Designer对过程进行模拟与经济核算，同时考察了葡萄糖浓度、产率、通气速率（VVM）等关键参数的影响，并将方法拓展至12种萜烯及溶剂萃取和纤维素原料等情景。结果显示，现有实验数据下柠檬烯生产成本高达465 $/kg，远高于市场售价约7 $/kg，经济上不可行；但在14 wt%葡萄糖和0.1 min⁻¹ VVM条件下，盈亏平衡产率需达到约30%。提高底物浓度和产率能显著降低成本，而使用纤维素原料可使糖成本降低53%。该研究首次系统建立了微生物萜烯生产的过程合成与经济评估框架，其提出的VLE模型和基于分配系数的工艺选择准则同样适用于其他不溶性、低密度细胞外化学品（如脂肪酸），可为代谢工程优化提供明确的量化目标。
创新点
首次对微生物萜烯生产进行系统的过程合成与技术经济分析；建立适用于不溶性轻质产品的VLE模型解释蒸发现象；提出基于产品分配系数α的工艺配置选择准则；识别关键成本驱动因素为葡萄糖浓度、产率和VVM。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 甲羟戊酸途径/DXP途径 | — | — | 催化 | 用于生产柠檬烯等萜烯；文中涉及细胞生长反应、产物合成反应和呼吸反应。 |
| Saccharomyces cerevisiae | — | — | — | 催化 | 作为微生物生产萜烯的备选底盘。 |
关键发现
- 三种案例的生产成本分别为465、5.82和2.02 $/kg，而柠檬烯市场售价约7 $/kg
- 当前文献数据下柠檬烯生产经济不可行（465 $/kg vs 7 $/kg）
- 提高葡萄糖浓度和产率可降低成本
- 在14 wt%葡萄糖和0.1 min-1 VVM条件下，柠檬烯盈亏平衡产率约30%
- 12种萜烯中柠檬烯美国市场规模约1.6亿美元/年，是最合理的短期目标
- 溶剂萃取配置（Configuration 4）的生产成本为2.16 $/kg，比非溶剂配置高约7%（VVM=0.01 min-1）或4-6%（VVM=0.1 min-1）
- 使用纤维素原料可使糖成本降低53%
- 各萜烯盈亏平衡产率：柠檬烯30%、β-蒎烯42%、α-蒎烯85%、芳樟醇41%、角鲨烯5.9%、γ-红没药烯1.2%、番茄红素1.9%、α-蛇麻烯4.0%、瓦伦西亚烯4.0%、3-蒈烯4.7%、γ-萜品烯5.9%。
研究结论
基于当前实验数据，微生物法生产柠檬烯经济上不可行，但提高葡萄糖浓度和产率可显著降低成本；柠檬烯是最合理的短期目标；提出的方法适用于其他不溶性、密度低于水的细胞外化学品（如脂肪酸），可为代谢工程研究提供关键参数目标。