聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）回收对塑料循环经济至关重要，但其解聚产物乙二醇（EG）因分离能耗高而制约经济性。将EG转化为高附加值乙醇酸（GA）被认为是提升PET化学回收可行性的有效途径。GA是可降解高性能材料聚乙醇酸（PGA）的关键单体，在生物医用和可持续包装领域具有重要应用价值，但现有生物转化体系仍存在效率低、依赖纯EG等问题。本研究通过酶与代谢通路工程构建了高效大肠杆菌催化体系，实现了EG向GA的高效转化，并可直接利用消费后PET酶解液。物料流与技术经济分析表明，该路线可显著提升PET酶法回收的经济性，为废弃PET升级利用提供了可行方案（图1）。
图1. GA 生产的催化路线及设计的生物转化过程
研究围绕在大肠杆菌中建立高效的乙二醇（EG）向乙醇酸（GA）合成体系展开。最初仅过表达耐氧突变酶 fucOMut 可实现EG向GA的部分转化，但中间体乙醛酸（GALD）明显积累，不仅降低GA产率，还对细胞产生毒性。为缓解这一问题，引入并过表达醛脱氢酶 aldA 后，GALD积累显著减少，EG向GA的转化效率得到提升。然而，共培养体系仍受限于中间体跨细胞转运带来的传质阻力。基于此，作者进一步构建了在同一细胞内共表达 fucOMut 和 aldA 的单细胞催化体系，实现了反应通路的细胞内整合，从而进一步改善了代谢平衡并提高了GA生成效率。尽管如此，在优化pH条件下仍观察到GA摩尔收率偏低，提示存在GA被内源代谢消耗的情况。代谢分析表明，GA可被氧化并导入中心代谢通路，因此通过引入 ycdW 构建GA回流模块并优化多顺反子基因排列，有效减少了碳流损失，显著提升了GA产量。随后，通过系统优化底物浓度、细胞负载、反应环境及辅因子供给，并引入NADH氧化酶以强化NAD⁺再生，最终获得高性能菌株GA06，在高EG负载条件下实现了高滴度、高转化率的GA合成。同时，该体系在重复批次反应和长期储存中均表现出良好的稳定性，显示出其在EG向GA规模化生物转化中的应用潜力（图2-3）。
图2. 大肠杆菌中 EG 向 GA 转化的代谢途径、工程菌株构建及其催化性能
图3. 工程菌株 GA06 的催化过程优化及在高浓度 EG 条件下的性能表现
研究评估了工程菌GA06在真实消费后PET水解液中将乙二醇（EG）生物转化为乙醇酸（GA）的应用潜力。经熔融–淬冷预处理和酶法解聚后，PET水解液中主要含有TPA和EG，GA06可直接对其进行转化，在48小时内实现EG向GA的高效转化，转化率与商品EG体系相当，表明TPA对反应无明显抑制作用。进一步在5 L搅拌釜中放大反应，体系仍保持良好的稳定性和转化效率，验证了其放大可行性。生物转化后，TPA可通过酸析几乎定量回收，随后经盐析和减压蒸馏实现GA的有效分离回收。总体而言，该结果表明GA06具备良好的鲁棒性，可实现PET酶法解聚与EG向GA生物升级利用的直接耦合，并支持两种单体在真实PET废弃物体系中的高效回收（图4）。
图4. 消费后 PET 的酶法水解、生物催化转化及 TPA 与 GA 的回收
最后，研究系统评估了PET酶法解聚与乙二醇（EG）生物转化制乙醇酸（GA）一体化工艺的技术可行性与经济性。相比传统路线中EG需经高能耗蒸馏分离的方式，一体化生物催化路线将EG转化为沸点更低、附加值更高的GA，在保持TPA回收效率基本一致的同时，显著降低了分离能耗并提升了产品价值。基于相同PET原料的物料流分析与技术经济分析表明，该路线在GA高转化率下可有效减少液相产物回收成本，并通过副产硫酸钠的闭环利用进一步增强过程可持续性。实验上，工程化大肠杆菌实现了高效EG到GA转化，产率接近理论极限，且可直接利用真实PET水解液生成可回收GA。总体而言，该一体化策略通过降低能耗与实现低值单体的高值升级，显著提升了PET回收的经济性与可持续性，为循环塑料资源化提供了可行路径（图5）。
图5. PET 酶法回收与 EG-to-GA 生物催化升级的工艺路线及其物料流和经济性分析
总体而言，该一体化策略通过降低能耗与实现低值单体的高值升级，显著提升了PET回收的经济性与可持续性，为循环塑料资源化提供了可行路径。
