Scalable production and simplified purification of bio-based dodecanedioic acid from renewable plant oil
本研究展示了一种利用工程化热带念珠菌（*Candida tropicalis*）将可再生月桂酸甲酯转化为高纯度十二碳二酸的可扩展中试规模生物工艺，并结合了一种简化的乙酸结晶方法，从而消除了复杂的纯化步骤并降低了对环境的影响。
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那些手感如丝般顺滑却拥有钢铁般强韧的塑料，通常是由一种被称为十二烷二酸（dodecanedioic acid）的特定化学构建模块制成的。这种分子由十二个碳原子组成的长链组成，并在两端各有一个羧基，作为制造高性能工程塑料（如尼龙 6.12）的关键连接体。这些材料因其卓越的耐水性和耐热性而备受青睐，是汽车零部件、燃油管路和耐用纺织品的理想选择。然而，几十年来，世界一直依赖一种危险且污染环境的方法来制造这种化学构建模块。传统工艺从石油开始，在极端高温和高压下，利用重金属催化剂来强制改变其化学结构。这种方法带来了巨大的风险，包括发生灾难性爆炸的可能性，并将必需材料的供应与波动的化石燃料价格挂钩。随着工业界和消费者日益寻求更安全、更清洁的替代方案，科学家们转向了自然界的自身机制：微生物。通过对酵母进行基因工程改造，使其能够执行通常需要严苛工业条件的化学转化，研究人员希望利用可再生的植物油来生产这些至关重要的材料，从而将一个危险的化学过程转变为可持续的生物过程。
在最近的一项研究中，来自韩国生物生物技术研究院和乐天化学有限公司（Lotte Chemical Co. Ltd.）的研究团队成功展示了一种生产这种关键化学物质的方法，该方法采用生物路径，既具有可扩展性，又比目前的工业标准更清洁。他们专注于一种特定的酵母——热带酿酒酵母（Candida tropicalis），这种酵母天生具有分解脂肪和油脂的能力。团队的目标是重新设计这种酵母的代谢途径，使其在分解脂肪以获取能量的过程中，在特定点停止并释放出所需的化学构建模块。为此，他们引入了来自另一种微生物——山曲酵母（Wickerhamomyces sorbophila）的基因，该基因作为一种高效酶，可以加速化学转化中的特定步骤。这种改造使得酵母能够直接将月桂酸甲酯（一种源自椰子油的脂肪酯）转化为十二烷二酸，而不会卡在通常会减缓生产速度的有毒中间步骤中。
研究人员首先在了一个五升的小型实验罐中测试了这种工程化酵母，其产生的化学物质浓度达到了每升液体 102 克。受到这一结果的鼓舞，他们将该工艺规模扩大到了一个巨大的 300 升试点发酵罐，这个尺寸更接近于真实的工厂规模。令人瞩目的是，大型系统表现得甚至更好，浓度达到了每升 105 克。这种从小实验室罐体到大型工业级容器的成功跨越，证明了该生物工艺足以应对大规模生产的复杂性，且不会损失效率。团队还优化了喂养策略，通过以稳定的速率添加椰子油衍生物，以保持酵母的健康和生产力，确保化学物质不会在罐内堆积到有毒水平。
当酵母完成其工作后，团队面临着将化学物质从水性混合物中分离出来的挑战，这一步骤往往占据了此类产品制造成本的一半。传统方法涉及使用强硫酸使化学物质从溶液中析出，这会产生大量难以且昂贵处理的盐类废水。研究人员开发了一种更简单、更直接的方法，使用醋酸（一种在醋中常见的常见成分）进行处理。通过使用醋酸调节液体的酸度并进行加热，他们能够溶解粗制的化学物质，然后通过冷却使其形成纯净的晶体。这种方法避开了需要大量清洗和脱色的步骤，完全消除了无机盐废物的产生。最终产物的纯度达到了 99.4%，且外观明亮洁净，达到或超过了目前市面上由化石燃料制成的商业版本质量。
为了证明这种生物基化学物质确实已准备好投入现实世界，研究人员利用它合成了一款尼龙 6.12。他们将这种纯化的植物衍生化学物质与另一种组分结合以制造塑料聚合物，并测试了其物理性能，以观察其与标准商业尼龙的对比情况。这种新材料的熔点为 216 摄氏度，并展现出了极佳的耐用性和耐热性，其表现几乎与目前市场上最好的产品完全一致。这项工作证明，利用可再生资源通过一种更安全、更清洁且具备大规模制造能力的工艺来制造高性能工程塑料是完全可能的。通过将基因工程与简化的纯化策略相结合，该研究提供了一个用可持续生物过程取代危险石化工艺的实用蓝图，为绿色化学的未来提供了一条可行的路径。
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