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塑料作为现代社会不可或缺的材料，其生产长期依赖石油资源，并因难以降解而造成严重的环境污染。开发源自可再生资源、性能可与石油基塑料相当的生物基聚酯，是实现可持续材料替代的关键方向。

韩国Soon Ho Jang与Jung-Oh Ahn团队近期在Journal of Bioresources and Bioproducts发表研究，题为“An End-to-End Microbial Platform for 100% Bio-Based Long-Chain Polyester: From Renewable Substrate to Eco-friendly Polymer”，首次构建了一个端到端的微生物平台，从植物油衍生烷烃出发，经双菌系统连续合成 1,12-二酸与 1,12-二醇，最终制备出 100% 生物基长链聚酯，实现了从可再生原料到高性能聚合物的全链条生物制造。

传统长链二元酸和二元醇的化学合成往往依赖石油基原料，过程复杂且污染严重，而先前的生物法多仅能生产单一类型的单体，难以形成“从原料到塑料”的完整闭环。本研究以植物油脂经加氢脱氧所得的 C12 烷烃为原料，通过热带假丝酵母（Candida tropicalis）和大肠杆菌（Escherichia coli）的两步生物转化过程实现关键单体合成。

图 | 塑料单体生产路径对比

在第一步中，研究团队利用工程化的 C. tropicalis 通过增强的 ω-氧化代谢途径，将植物来源的 C12 烷烃高效氧化为 1,12-十二烷二酸（1,12-二酸）。研究团队发现，与脂肪酸相比，正十二烷底物毒性显著更低，这使他们能够采用间歇补料策略，在避免毒性抑制的同时维持高底物浓度，从而驱动高效转化。在 5 升发酵罐中，1,12-二酸产量达 150 g/L，生产强度为1.53 g/(L·h)，转化效率约 96%，并在 50 升中试系统中维持 145 g/L 的高产水平，验证了工艺的可放大性与稳定性。

第二步中，研究团队构建了表达羧酸还原酶（CAR）及其激活酶磷酸泛酰巯基乙胺转移酶（Sfp）的工程化大肠杆菌，用于将 1,12-二酸还原为 1,12-二醇。团队通过系统优化碳源组合，采用葡萄糖、半乳糖与甘油混合培养体系，在批式发酵条件下获得高细胞密度与高效酶表达。该体系在 5 升反应器中实现了 68 g/L 的 1,12-二醇产量，基于投料二酸与产出二醇的摩尔质量核算，转化效率接近 100%，生产强度达 1.42 g/(L·h)，创造了微生物体系下长链 α,ω-二醇合成的新纪录。在 50 升规模验证中仍保持约 80% 的生产效率，显示出良好的工艺鲁棒性。

获得高纯度单体是聚酯合成的前提。团队开发了高效下游纯化流程，对 1,12-二酸采用酸沉淀、乙醇提取与活性炭脱色结合重结晶的方法，使纯度达 96.9%；对 1,12-二醇则建立了甲醇萃取与水诱导结晶相结合的多步流程，最终得到纯度超过 99%、回收率达 89% 的白色粉末。

图 | 生物基 C12 1,12-二醇的下游纯化流程

利用上述高纯度生物基单体，研究团队通过无溶剂熔融缩聚成功合成了目标聚酯。核磁共振（NMR）、红外光谱（FTIR）及差示扫描量热（DSC）分析表明，所制备的生物基聚酯在化学结构、分子量分布和热性能上均与石油基对照聚酯高度一致。其分子量约 16,510，熔点约 70.7℃，与石油基聚酯（Mw = 15,610，Tm = 72.9℃）几乎无差异。放射性碳分析进一步证实该聚酯完全来源于生物碳，实现了真正意义上的 100% 生物基材料。

在经济与可持续性方面，团队对工艺的成本潜力进行了初步评估。以椰子油为原料经催化加氢脱氧制备 C12 烷烃，结合两步发酵与结晶工艺，1,12-二酸与 1,12-二醇的综合成本估算约为 6.95-8.75 美元/kg，显著低于石油基对照产品（>10美元/kg）。未来若采用废弃油脂或藻类油等非粮脂源，经济性与碳减排效益将进一步提升。相关文献表明，采用绿色氢气与废油制备生物烃燃料的全生命周期碳排放可低至 0.3 kg CO₂ 当量/kg，而生物基聚酯体系的整体碳足迹可较石油路线降低 50% 以上。

该研究的意义不仅在于实现了高性能生物基聚酯的合成，更在于提出了一个可扩展的技术范式。通过模块化设计的双菌体系，研究团队打通了“从可再生碳源到聚合物”的完整生物制造路径，为合成生物学驱动的材料创新提供了清晰蓝图。这一平台整合了高效酶反应、发酵过程优化与绿色化学聚合，为工业级可持续塑料生产奠定了基础。未来，随着酶催化效率的提升、底物来源的多元化及分离工艺的进一步简化，这一体系有望在可降解塑料及功能高分子材料领域展现更广泛应用潜力。

参考链接：

1. Park, J., et al. (2025). An End-to-End Microbial Platform for 100% Bio-Based Long-Chain Polyester: From Renewable Substrate to Eco-friendly Polymer. Journal of Bioresources and Bioproducts.