通过发酵生产 1,3-丙二醇 (PDO) —— 使用 SuperPro Designer® 进行工艺建模和技术经济评估

如标题所示，这是一个介绍SuperPro Designer®工艺模拟软件的文章，所涉及的主题正好也是今年化工设计大赛中所要求的课题，有需要的同学正好可以参考一用。为什么要介绍SuperPro Designer，因为个人喜欢研究各种流程模拟相关的软件和技术，而SuperPro Designer与我们通常使用的模拟软件相比又有些独特点，直接引用官方的介绍是：

SuperPro Designer有助于在广泛的行业(生物技术、制药、精细化工、食品加工、消费品、冶金、水净化、废水处理、空气污染控制等)中集成批量和连续制造过程的建模、评估和优化。在同一工具中结合制造和环境保护的操作模式，使用户可以在设计和优化制造处理工艺的同时实现环境控制。

其中我很关心的便是生物技术、精细化工等方面的技术进展，外加它可以很方便的出一些生产、设计和评估等主题的报告，所以空余时间学习和了解了一番，也在此分享给大家。

原文请点击左下角【阅读原文】浏览。SuperPro Designer软件和案例材料你也可以直接访问  www.intelligen.com 获取。

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1,3-丙二醇通常缩写为 PDO，是一种无色、粘稠的有机化合物。直到最近，所有商用 PDO 都是通过从石油衍生物进行化学合成生产的，采用以下两种工艺之一：基于丙烯醛水合作用的 Degussa 工艺（已出售给杜邦公司）或基于环氧乙烷加氢甲酰化作用的 Shell 工艺。这些工艺存在产量低、温度和压力条件危险、能耗高、消耗不可再生的有毒原料、使用昂贵的催化剂以及产生有毒中间产物等问题。然而，2000 年，杜邦公司和 Genencor 公司开发出了一种利用葡萄糖发酵生产 PDO 的微生物工艺。为实现这一目标，他们通过引入将葡萄糖转化为甘油的酿酒酵母酶和将甘油转化为 PDO 的肺炎克雷伯氏菌酶，设计出一种将葡萄糖转化为 PDO 的大肠杆菌菌株。2006 年，杜邦公司与食品加工公司泰莱（Tate & Lyle）成立了一家合资企业，开始生产这种生物基PDO。该公司还开始利用生物基 PDO 生产 PTT，目前在 PDO 市场上占据主导地位。尽管如此，壳牌仍是 PDO 市场的重要竞争者；此外，壳牌还生产 PTT。PDO 领域还包括一些规模较小的企业，如采用油基工艺的中国公司邹平铭兴化工有限公司和通过甘油发酵生产 PDO 的中国公司 张家港华美生物材料有限公司 [8]。法国 Metabolic Explorer 公司也于 2020 年开始通过甘油发酵生产 PDO。其它的市场参与者主要还有济南海航化工有限公司， Merck KGgA (德国)， Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (日本)， 以及盛虹集团控股有限公司等。

在学术文献中，目前正在研究通过发酵或催化（化学）途径可持续生产 PDO 的各种途径。甘油是一种与 PDO 关系密切的三醇，也是生物柴油生产的副产品。生物柴油生产过程中产生的甘油最终来自植物生物质（植物油），因此用这种材料生产的 PDO 在很大程度上是可再生的。此外，过去几年生物柴油产量的快速增长大大降低了甘油的商业价值，使其成为一种非常廉价的 PDO 生产原料。值得注意的是，迄今为止，在自然界中发现的所有合成 PDO 的代谢途径都涉及甘油的还原。

本案例模型中，PDO 的生物合成依赖于重组大肠杆菌菌株的发酵，该菌株可将葡萄糖转化为 PDO，就像杜邦工艺一样。本案例所示方案可视为杜邦工艺的简化版。该模型的生产目标是每年生产 23,000 吨 PDO。这相当于大约 3 吨/小时。

微生物将甘油转化为 PDO

许多细菌菌株都能通过甘油的厌氧或微氧发酵生产 PDO。它们大多属于肠杆菌科，包括克雷伯氏菌（肺炎克雷伯氏菌、氧托卡氏克雷伯氏菌）、枸橼酸杆菌（弗氏枸橼酸杆菌、阿马洛那枸橼酸杆菌、韦克曼枸橼酸杆菌）和肠杆菌（E. agglomerans、E. aerogenes），或者属于梭状芽孢杆菌属（C. butyricum、C. pasteurianum、C. bifermentans、C. saccharobutylicum、C. diolis）。其他 PDO 生产者包括乳酸菌（L. reuteri、L. brevis、L. buchneri）、Hafnia alvei 和 Halanaerobium saccharolyticum 。值得注意的是，许多产生 PDO 的肠杆菌科菌株都具有致病性，这不利于它们的大规模工业应用。

如下图所示，当以甘油为唯一碳源进行厌氧生长时，这些细菌大多通过两条途径进行新陈代谢：一条是氧化途径，另一条是还原途径。在氧化途径中，甘油首先转化为二羟基丙酮（DHA），然后转化为丙酮酸，最后转化为醋酸、乙醇或其他发酵产物；在此过程中会产生还原当量（NADH）。  另一方面，在还原分支中，甘油首先转化为 3-羟基丙醛（HPA），然后转化为 1,3-丙二醇。最后一步是还原反应，需要 NADH；因此，氧化分支产生的还原当量为还原途径提供能量。换句话说，甘油代谢可被视为一种歧化反应 。另外，也可以使用含有甘油和第二碳源（辅助底物）（如葡萄糖）的培养基，这样微生物就会优先使用辅助底物来获得能量和还原力，而将甘油转化为 PDO。

在还原分支中，甘油转化为 HPA 是由甘油脱水酶催化的限速步骤，在肺炎克雷伯氏菌和自由柠檬杆菌等几种菌株中，这种酶需要辅酶 B12（丁酸梭菌的酶是一个明显的例外，因为它不需要辅酶 B12）。因此，在培养基中添加维生素 B12 可能会对生产 PDO 的经济可行性产生负面影响。

PDO 生物合成的产量、滴定度和生产率

实现高产品产量、滴定度和生产率对微生物生产 PDO 的经济性至关重要，事实上，对任何发酵工艺的经济性也至关重要。下表列出了微生物生产 PDO 的这些参数的大量文献汇编，包括每项工作中采用的微生物类型、碳源和发酵模式（间歇式、间歇进料式或连续式）。最佳结果包括野生菌株，如在粗甘油上生长的丁酸梭菌 AKR 102a（93.7 g/L，3.3 g/L/h，0.63 mol/mol）和在纯甘油上生长的肺炎克雷伯菌 KG1（98.7 g/L，3.3 g/L/h，0.51 mol/mol），以及在纯甘油（104.4 g/L，2.6 g/L/h，0.90 mol/mol）上生长的大肠杆菌重组菌株和在粗甘油（82.7 g/L，3.1 g/L/h，0.66 mol/mol）上生长的微生物联合体（C2-2M，来自厌氧活性污泥）。除了大肠杆菌的研究采用了两步间歇式培养策略外，所有这些研究都采用了进料间歇式培养。值得一提的是，据报道，杜邦公司开发的商业 PDO 工艺使用其在葡萄糖上生长的改良重组大肠杆菌菌株，滴度达到 135 克/升，生产率为 3.5 克/升/小时，产率为 0.6 摩尔/摩尔。

鉴于粗甘油比纯（USP）甘油甚至葡萄糖便宜得多，上述粗甘油的结果尤其令人鼓舞。考虑到粗甘油可能含有大量有毒和/或抑制性分子，特别是甲醇、盐类和重金属，这些结果也令人印象深刻[13,16]。无论如何，粗甘油的成分在很大程度上取决于产生粗甘油的生物柴油生产工艺，尤其是用作原料的植物油。这种多变的质量可能会影响发酵型 PDO 的生产。

纯化微生物生产的 PDO

PDO 的回收和纯化对这种化合物的微生物生产是一个重大挑战。发酵液中不仅含有大量杂质，特别是细胞释放的醇和有机酸、培养基成分和裂解细胞的成分，而且 PDO 与水完全混溶，沸点相当高（>200 °C），这使得产品与水的分离相当困难。常用的分离方法包括蒸发、蒸馏、膜过滤和离子交换系统。然而，蒸发和蒸馏等传统热技术需要事先去除大分子，否则随着水分的去除，液体会变得非常粘稠。例如，在杜邦公司的专利工艺中，发酵液首先经过微过滤，将细胞外培养基（含有产品）与细胞分离，然后采用超滤和纳滤去除渗透液中的细胞碎片和大分子。接下来，溶液经过蒸发、离子交换和蒸馏等多个步骤，最终得到有机杂质含量低于 400 ppm 的产品。Saxena 及其同事提出了一种更简单的方法，只需 4 个步骤：微过滤、活性炭、离子交换和真空蒸馏。

也有人考虑过简单的液-液萃取，但 PDO 对水的高亲和力使得这种技术不切实际。反应液萃取法也取得了一定的成功，这种方法是先将 PDO 转化为疏水性更强的分子，然后用有机溶剂萃取，最后再还原为 PDO。不过，更有前途的技术似乎是盐析萃取，即在 PDO 溶液中加入盐，然后加入亲水性溶剂（如甲醇或乙醇）来萃取 PDO。一种相关的技术是加入糖而不是盐（或与盐一起加入），被命名为 "糖化萃取"，也产生了有趣的结果。

无论如何，重要的是要记住，所追求的纯度完全取决于产品的预期用途（如防冻剂与化妆品配方）。

过程描述

整个过程的流程图较大，细节请打开案例文件后查看。本示例的模型大致基于杜邦泰莱生物制品公司的工艺，该工艺在两项专利中有所描述：一项涉及 PDO 的生物合成，另一项涉及其纯化。在这种模式中，PDO 的生物合成依赖于重组大肠杆菌菌株的发酵，这种菌株可以将葡萄糖转化为 PDO，就像杜邦公司的工艺一样。这种细菌发酵以进料批处理模式进行。这里提出的纯化策略包括微滤、超滤、混合床离子交换层析、蒸发步骤和两个蒸馏装置。这一下游方案可视为杜邦工艺的简化版，杜邦工艺建议增加一个过滤步骤（超滤后进行纳滤）；五个离子交换层析；四个蒸馏步骤；以及蒸馏步骤之间的一个氢化步骤。此外，该模型的生产目标是每年生产 23,000 吨 PDO。这相当于大约 3 公吨/小时。

为便于报告和分析，该过程分为四个部分： 物料准备，发酵，澄清，净化。

物料准备

该工艺需要三种主要的培养基化合物：葡萄糖（主要碳源）；氨（作为氮源和调节 pH 值）；以及 "盐"，即微生物生长和培养基缓冲所需的矿物质和其他培养基成分的混合物。需要强调的是，鉴于 PDO 是一种商品化学品，用于生产 PDO 的培养基应简单而廉价。

葡萄糖、氨和盐这三种主要培养基化合物分别在混合罐（BT-101 用于氨，BT-102 用于葡萄糖和盐）中与水混合，以获得适当的储备溶液：葡萄糖 50%（重量比）、NH3 30%（重量比）和盐溶液（19.8 克/升）。此外，葡萄糖溶液和盐溶液在使用前都必须进行灭菌；为此，两种溶液都使用了热力灭菌器（ST-101）。然后，这三种溶液分别储存在一个单独的储罐（HT-101、HT-102 和 HT-103）中，并通过分流程序（大流量，4 路分流）与发酵部的四个发酵程序相连接：FSP-101 用于 NH3；FSP-102 用于葡萄糖；FSP-103 用于盐溶液。

发酵部分

发酵部分包括微生物生长和 PDO 合成。假定大肠杆菌在 37 °C、40 小时的进料批处理（FR-201）中进行厌氧培养，以生产 PDO。假设每小时生产 3吨 PDO。这相当于年产量约 23,000 吨，考虑到全球 PDO 市场目前已超过 140,000 吨，且年均复合增长率约为 10%，这是一个合理的目标。生产 PDO 使用的是一个 919 立方米的发酵罐。之所以能使用这么大的发酵罐，完全是因为 PDO 的微生物生产是厌氧的；否则，氧气的输送就会成为问题。不过，为了为如此大型的发酵罐生产足够数量的接种物，需要所谓的 "种子列车"。它由一系列体积不断增大的小型发酵罐组成。在本工艺中，采用了由三个种子发酵罐（SFR-201（734 升）、SFR-202（7.64 立方米）和 SFR-203（76.7 立方米））组成的种子发酵罐组。种子发酵罐中的微生物生长为好氧生长，在 37 °C、30 小时的批量模式下进行。给发酵罐供料的培养基制备分流器的规格见表 2。

物流	FSP-101	FSP-102	FSP-103
S1: Medium to FR-201	90.01%	98.002%	98.002%
S2: Medium to SFR-203	9.00%	1.800%	1.800%
S3: Medium to SFR-202	0.90%	0.180%	0.180%
S4: Medium to SFR-201	0.09%	0.018%	0.018%

请注意，给盐溶液供料的 FSP-101 的分料规格遵循 10 倍膨胀系数，而给葡萄糖和氨水供料的 FSP-102 和 FSP-103 的规格则不同。事实上，FSP-102 和 FSP-103 向主发酵罐提供了更大的份额，这是因为该发酵罐是以进料批次模式运行的，因此葡萄糖和氨水被持续引入反应器。

本节还包括种子发酵罐通气所需的单元程序。首先，环境空气通过空气过滤器（AF-205）进行消毒；其次，消毒空气通过压缩机将压力提高 2 巴（G-201）；最后，通过三向流量分配程序（FSP-201）以 1 VVM（每分钟容器体积）的速度将气流送入三个种子发酵罐。

还需注意的是，曝气程序被设置为连续模式。

发酵罐中发生的基本生物转化是通过简单的批量化学反应模拟的。其中，种子发酵罐中微生物的生长是通过以下反应来描述的：

100 葡萄糖 + 5.5 NH3 + 66.9 O2 + 2 盐 → 42 生物质 + 71.7 CO2 +60.6 H2O

其中化学计量系数以质量为基础。另一方面，主发酵罐中的分批进料过程用以下反应描述：

100 葡萄糖 + 3.8 NH3 + 1 盐 → 27.5 生物质 + 7.5 CO2 + 19.8 H2O + 50 PDO

其中的化学计量系数也是基于质量的。请注意，由于 PDO 的合成是在厌氧条件下进行的，因此主发酵反应不包括氧气。此外，发酵反应的程度设定为反应限制组成（本例中为葡萄糖）的 99%。所有这些假设导致在主要发酵程序结束时，PDO 滴定度为 139 克/升的发酵液约为 735 立方米，即每批约 102 吨PDO。发酵结束后，发酵液被转移到一个缓冲罐 (HT-201)，该罐将上游分支（由培养基制备和发酵组成）与下游分支（由澄清和纯化组成）分开。

澄清部分

首先，必须将微生物细胞从含有 PDO 的细胞外培养基中分离出来；这种分离可以通过离心或微过滤完成。在本例中，我们选择了横流微过滤（P-25/ MF-301）。在该程序的主要操作（名为 "浓缩"）中，生物质的截留系数 (RC) 为 0.99，浓缩因子（进料/回流）为 2。此外，还规定了 7 小时的过滤时间和 25 L∙m-2∙h-1 的滤液通量。在 "浓缩 "操作之后，微滤程序中还增加了一个 CIP 操作，持续时间为 1 小时。此外，微滤程序被设置为每批次执行 3 次；在 SuperPro Designer 中，这相当于为该程序指定了每批次 3 个周期。

这种微过滤程序会产生两股物流：滤液（含有大部分 PDO）和回流液（含有大部分生物质）。不过，回流液中仍有相当高浓度的 PDO。为了尽量减少产品损失，回流液用水稀释（至干细胞重量的 85 克/升），然后进行第二次微过滤（P-28/MF-302），与第一次微过滤非常相似（包括每批次进行 3 次）。

然后将第一和第二道微过滤工序的滤液流合并到一个罐中 (P-29/HT-302)，并通过一个横流超滤步骤 (P-30/UF-301)进一步净化。该步骤可去除残留的生物质以及液体中可能存在的蛋白质和细胞碎片。在名为 "浓缩 "的主要操作中，生物质的 RC 值为 1.0，混合物的浓缩因子为 5。该操作的持续时间设定为 11 小时，滤液通量设定为 30 L∙m-2∙h-1 。与微滤程序一样，在浓缩操作之后，超滤程序中还包括一个持续时间为 1 小时的 CIP 操作。此外，超滤程序还设置为每批次多次循环（本例中为两次）。

净化部分

澄清后的溶液被收集到储罐 (P-31/HT-401) 中，然后转入混合床离子交换程序 (P-32/INX-401)，以去除溶液中的离子种类。该过程与两个设备单元（塔）的工作不同步；这种调度安排在 SuperPro Designer 中被称为 "交错模式"。此外，还为离子交换过程分配了四个操作：一个 "加载 "操作、两个 "再生 "操作和一个 "清洗 "操作。在模拟 "加载 "操作时，指定树脂的结合能力为 100 克/升（以离子质量计），氨（以铵离子形式）和盐的结合率分别估计为 98% 和 95%。每个塔的负载时间为 2 小时，然后用烧碱（NaOH 4%）和硫酸（H2SO4 4%）再生，再用水冲洗，这样每个塔的循环时间为 3.5 小时。最后，将该程序设置为独立于主流程循环，循环时间为 2 小时。

离开离子交换层析的去离子溶液主要含有水、PDO 和葡萄糖，被收集到一个储罐（P-33/HT-402）中，然后进入多效蒸发器，去除大部分（99%）水分。该程序被设置为连续模式。然后，浓缩（富含 PDO）液流被储存在一个储罐（P-37/HT-403）中，之后，溶液被蒸馏两次，以获得所需的产品纯度。第一次蒸馏过程（P-38/C-401）在 PDO 的沸点（189° C）下进行，以将 PDO 和水与葡萄糖及其他重溶质分离；98% 的 PDO 和 99.5% 的水被分离出来。

水最终进入蒸馏物。这种蒸馏物储存在另一个储罐（P-39/HT-404）中，然后进行新的蒸馏程序（P-40/C-402），蒸馏温度低于 PDO 的沸点，但高于水的沸点，这样 99.5% 的水会进入蒸馏物，而 99% 的 PDO 会留在底部。两种蒸馏都以连续模式进行。因此，第二次蒸馏的底流含有纯度为 99.97% 的 PDO 产品。

流程调度和消除瓶颈

该工艺的总批次时间约为 190.3 小时（约 8 天）。这是从特定批次的开始（即发酵培养基的制备）到特定批次的结束（纯产品的生成）所耗费的时间。然而，批次周期时间仅为 24 小时，因为该过程中的单个程序比整个批次时间短得多，而且在该过程的某些部分使用了多个（交错的）设备。

可视化流程计划的最佳方法是设备占用图 (EOC)，这在软件中非常容易获得——一键生成。

下图显示了该流程的 20 个连续批次。EOC 是一种宝贵的工具，可用于识别调度瓶颈（占用时间最长的设备项目），并进行适当的调整，以缩短工艺批次部分的周期时间，从而提高产量。例如，图中显示，在该流程的发酵部分，生产发酵罐（FR-201 和 FR-201b）的流程时间最长，约为 2 天，且连续批次之间的间隔最小。因此，它们是发酵工段目前的瓶颈。从图表中还可以清楚地看出，以错开的方式操作两个主发酵罐（在 SuperPro 中被称为错开模式）可以使工厂每天启动一个批次。还需注意的是，EOC 中发酵罐下方所示的这一流程的下游部分很少有空闲时间，或根本没有空闲时间；换句话说，下游设备是连续运行的。

软件还提供业务甘特图（MS Project 风格），这为我们提供了流程时间表的另一种视图。它与基于资源的 EOC 不同，它是基于任务的。该图显示一个或多个批次的详细调度信息——单批 PDO 生产的运营甘特图。

当然，软件还提供了基于项目评估与分析的各种内置报告，均可一键导出，如下图所示：

为大家导出几个报告作为预览，可以大概看到其内容还是很详实的。

物料平衡报告：

经济评估报告：

现金流分析报告：

分项成本报告：

限于篇幅不再一一列举。

总结

利用基因工程细菌通过葡萄糖发酵生产 1,3-丙二醇，是以生物为基础制造商品有机化学品的一个成功实例。这一工艺在很大程度上取代了传统的石油化工工艺，同时大大减少了产品的碳足迹。此外，目前的 SuperPro Designer 模型证实了发酵法生产 PDO 的经济可行性，表明年产量约为 23,000 吨、产品售价为 2.0 美元/公斤的工厂的毛利率为 6.9%，投资回报率为 13.3%，投资回收期为 7.5 年。这样的工厂需要约 5,500 万美元的资本投资，每年的运营成本约为 4,300 万美元。鉴于 55% 的运营成本来自原材料，尤其是葡萄糖，未来可以通过用木质纤维素水解产生的糖类替代葡萄糖，甚至将碳源改为生物柴油生产产生的甘油，从而节省成本。

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