随着全球人口的持续增长，预计到2040年，全球能源需求将增加约28%。这一趋势促使能源结构向可再生能源方向转变，因为传统化石燃料资源，尤其是原油，正逐渐减少。在此背景下，化学工业正逐步转向使用可再生原料来生产生物基化学品，以降低对石油的依赖并推动环保型制造实践的发展。生物基化学品，如生物柴油、2,3-丁二醇（2,3-BD）、1,3-丙二醇、丙二醇和生物乙醇等，因其广泛的应用领域，例如制药、印刷、化妆品和防冻液，而受到越来越多的关注。其中，2,3-BD作为多种工业重要化合物的中间体，例如甲基乙基酮、γ-丁内酯和1,3-丁二烯，具有重要的应用价值。然而，2,3-BD的大规模生产面临主要挑战，特别是在发酵液（FB）中高效、可持续地回收该化合物。
传统的化学合成方法不仅耗能，而且会产生大量的环境污染物，因此，转向微生物发酵工艺成为一种更环保的选择。然而，由于2,3-BD具有较高的沸点（179–183 °C）和良好的水溶性，以及在发酵液中相对较低的浓度（通常为8–12 wt%），使得其下游分离和纯化过程既困难又昂贵。因此，开发一种高效且可持续的回收技术对于推动生物基化学品的工业应用至关重要。目前，已有多项技术被研究用于从发酵液中分离2,3-BD，包括糖析法、反应和溶剂萃取、盐析萃取、蒸馏和膜分离等。然而，这些方法在能耗、操作复杂性和可扩展性方面存在一定的局限，从而限制了它们在工业层面的实际应用。
液液萃取作为一种替代方案，因其较低的能耗和相对简便的操作流程而受到关注。在多种溶剂中，丁醇（BuOH）表现出了优异的萃取性能，能够实现较高的分配系数（D>1）以促进2,3-BD向有机相转移。进一步引入无机盐，如盐析法，能够进一步提升分配系数并减少溶剂与水的混溶性，从而形成一种称为水相双液萃取（ATPE）的技术。这种技术结合了盐析和溶剂萃取的优点，使得分离过程更加高效且经济。虽然ATPE已被广泛应用于蛋白质和天然产物的分离，但在回收如2,3-BD等大宗化学品方面仍处于探索阶段。
为了解决上述问题，本研究提出了一种集成的水相双液萃取–蒸馏（IATPED）方法。该方法首先通过ATPE将2,3-BD萃取至有机相，随后通过蒸馏回收溶剂并浓缩目标产物。此过程的优势在于能够实现溶剂的循环利用，从而降低整体的能耗和环境影响。此前已有研究尝试使用不同的ATPE系统，如硫酸铵/异丙醇、乙醇/磷酸二氢钾（K₂HPO₄）和丁醇/氯化钠（NaCl）等，这些系统均能实现较高的分配系数和萃取率。然而，为了进一步提升回收效率，本研究对多种有机溶剂与无机盐的组合进行了系统性筛选，并最终确定了丁醇与磷酸二氢钾（K₂HPO₄）的组合为最有效的ATPE系统。
在实验设计方面，采用中心组合设计–响应面法（CCD–RSM）对萃取过程的关键参数进行了优化，包括盐浓度（10–40% w/v）、溶剂浓度（10–50% v/v）和温度（20–60 °C）。实验结果表明，盐浓度、溶剂浓度和温度均对萃取率（Y）有显著影响，其中溶剂浓度的影响最大（F值为5694.40），其次是盐浓度（F值为4601.56）和温度（F值为422.44）。优化后的条件为30%（w/v）的K₂HPO₄、30%（v/v）的BuOH和40 °C，这使得萃取率达到89.60%，超过了理论预测值。此外，该系统还表现出较高的分配系数（D=8.13），说明其在分离过程中具有良好的选择性和效率。
在工艺放大方面，实验在10 L的液液萃取系统（LLU10）和蒸馏装置（Model 9600）上进行，以验证其在工业规模上的可行性。实验结果表明，在两个连续的循环中，2,3-BD的回收率达到98.49%，且纯度达到99%以上。同时，通过甲醇辅助结晶的方法，K₂HPO₄的回收率也达到了98%，显著减少了废弃物的产生。这些结果表明，IATPED方法不仅能够实现高效的2,3-BD回收，还能有效回收溶剂和盐，从而提升整个工艺的资源利用效率和环境友好性。
为了进一步验证工艺的绿色特性，本研究计算了关键的绿色指标，包括过程质量强度（PMI）、E因子和总能耗。结果显示，PMI为28.8，E因子为27.8，总能耗为2.1 kWh/kg 2,3-BD。这些指标表明，该工艺在减少材料消耗和废弃物生成方面表现出色，具备良好的环境兼容性和操作效率。此外，该工艺还能够在较低的能耗下实现高回收率，符合当前对绿色制造的迫切需求。
在发酵方面，采用菌株*Bacillus licheniformis*进行2,3-BD的生物合成。实验表明，在优化条件下，发酵液中2,3-BD的浓度达到76.5 g/L，显示出该菌株的高产能力。然而，该浓度略低于被认为具有经济可行性的80 g/L阈值。因此，进一步的改进措施，如菌株工程、工艺优化或代谢通量调控，可能有助于提高2,3-BD的产量，从而增强该工艺的工业竞争力。
为了确保回收的2,3-BD的结构和纯度，本研究还采用核磁共振（NMR）技术进行分析。通过¹³C和¹H NMR谱图，确认了2,3-BD的结构特征，同时评估了其纯度。结果表明，回收的2,3-BD纯度达到99%以上，满足工业应用的标准。此外，NMR分析还能够区分2,3-BD的立体异构体，从而确保其在实际应用中的性能一致性。
综上所述，本研究开发的IATPED方法在可持续性和效率方面表现出色，能够有效回收发酵液中的2,3-BD，同时实现溶剂和盐的循环利用。该方法不仅降低了能耗和环境影响，还为工业规模的生物基化学品生产提供了一种可行的解决方案。未来的研究可以进一步优化发酵条件以提高2,3-BD的产量，并探索该方法在其他生物基化学品回收中的应用潜力。
