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微生物发酵生产1,3丙二醇的碳减排工艺设计1

微生物发酵生产1,3丙二醇的碳减排工艺设计

摘要

本报告系统研究了微生物发酵生产1,3丙二醇(1,3PDO)的碳减排工艺设计，旨

在响应国家”双碳”战略目标，推动生物基材料产业的绿色低碳转型。报告首先分析了传

统化学合成法生产1,3PDO的高能耗、高排放问题，对比了微生物发酵法的环保优势。

基于克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)和丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)的代谢

途径，设计了整合碳捕集、发酵优化和能源回收的闭环工艺系统。通过生命周期评估

(LCA)模型预测，新工艺可降低碳排放4560%，同时提高产物得率至0.65g/g底物以

上。报告详细阐述了工艺参数优化、反应器设计、下游处理等关键技术环节，并提出了

分阶段实施路线图。经济效益分析表明，尽管初期投资增加约20%，但运营成本可降低

1525%，投资回收期缩短至4.5年。本方案为生物基化学品生产的碳减排提供了可复制

的技术范式，对实现化工行业可持续发展具有重要意义。

引言与背景

1.1研究背景与意义

1,3丙二醇(1,3PDO)作为一种重要的平台化合物，广泛应用于聚酯、聚氨酯、化

妆品和医药等领域。全球市场需求持续增长，预计2025年将达到50万吨规模。传统生

产方法主要依赖环氧乙烷水合法和丙烯醛水合法，属于石油基路线，存在能耗高、污染

重、碳排放量大等问题。随着中国”碳达峰、碳中和”战略的深入推进，《“十四五”生物经

济发展规划》明确提出要发展绿色低碳的生物制造技术。微生物发酵法利用可再生原料

生产1,3PDO，具有条件温和、选择性高、环境友好等优势，符合可持续发展理念。然

而，现有发酵工艺仍存在底物转化率低、发酵周期长、废水处理难等问题，导致整体碳

减排潜力未充分发挥。因此，系统设计微生物发酵生产1,3PDO的碳减排工艺，对推动

生物基材料产业绿色转型、实现化工行业低碳发展具有重要战略意义。

1.2国内外研究现状

国际上，杜邦公司率先开发了以玉米糖为原料的发酵法生产1,3PDO技术，并实

现了工业化应用。欧洲BiobasedIndustriesConsortium(BIC)资助的”PRODIODE”项目

通过基因工程改造菌株，将产物浓度提高到120g/L以上。国内，江南大学、清华大学

等科研机构在菌株选育和发酵工艺优化方面取得显著进展，但整体技术水平与国外仍

有差距。根据中国生物发酵产业协会数据，2022年我国1,3PDO生物法产能约8万吨，

占全球总产能的30%，但单位产品碳排放仍比国际先进水平高1520%。现有研究多集

中在单一环节优化，缺乏全流程碳减排的系统设计。国际能源署(IEA)报告指出，生物

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制造过程的碳减排需要整合原料替代、能效提升和碳捕集等多重策略。因此，本研究将

基于系统工程方法，构建微生物发酵生产1,3PDO的全链条碳减排工艺体系。

1.3研究目标与内容

本研究的总体目标是开发一套具有显著碳减排效果的微生物发酵生产1,3PDO工

艺，实现单位产品碳排放降低50%以上。具体研究内容包括：(1)解析微生物合成

1,3PDO的代谢调控机制，提高碳原子经济性；(2)设计耦合CO捕集与利用的发酵工

艺，实现碳的循环利用；(3)开发高效低能耗的下游分离技术，降低过程能源消耗；(4)

建立工艺全生命周期碳排放评估模型，量化减排效果；(5)进行技术经济分析，验证方

案的可行性和竞争力。通过这些研究，将形成具有自主知识产权的低碳生物制造技术体

系，为行业提供可推广的解决方案。

1.4技术路线与创新点

本研究采用”代谢工程工艺优化系统集成”的技术路线。首先通过合成生物学手段改

造菌株，增强还原途径通量；其次设计新型发酵反应器，整合在线监测与智能控制；最

后开发耦合沼气发酵和碳捕集的能源回收系统。主要创新点包括：(1)构建基于代谢通

量分析的动态调控策略，提高底物转化率；(2)开发膜分离与结晶耦合的下游工艺，降

低能耗30%以上；(3)设计发酵沼气碳捕集的闭环系统，实现碳的近零排放；(4)建立

基于数字孪生的工艺优化平台，实现精准控制。这些创