乳酸是一種多用途的綠色平臺化合物，以乳酸為單體合成的聚乳酸塑料被認(rèn)為是石化塑料的最佳替代品之一。聚乳酸的大量需求導(dǎo)致降低乳酸發(fā)酵成本迫在眉睫，利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乳酸成為目前的研究熱點。然而，受限于乳酸生產(chǎn)菌種，以木質(zhì)纖維素為底物進行乳酸發(fā)酵時，通常分為多個獨立的的操作單元（如原料預(yù)處理、半纖維素水解液脫毒與發(fā)酵、纖維素酶解、纖維素水解液發(fā)酵）導(dǎo)致發(fā)酵效率不高，影響了木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的工業(yè)化進程。
    近日，過程工程研究所萬印華研究員的團隊分離得到一株高溫乳酸生產(chǎn)菌Bacillus coagulans IPE22。該菌株能夠利用葡萄糖、木糖和阿拉伯糖同型發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，并且對木質(zhì)纖維素水解液中多種發(fā)酵抑制物具有的耐受性。針對B. coagulans IPE22特點，建立了以小麥秸稈為底物的高溫發(fā)酵集成工藝：小麥秸稈經(jīng)稀酸預(yù)處理后，無需固液分離和脫毒步驟，直接進行同步糖化共發(fā)酵生產(chǎn)乳酸（圖1）。該工藝節(jié)省了設(shè)備投入和能耗，顯著降低了生產(chǎn)成本，為木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化乳酸研究提供了一種新策略。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Bioresource Technology（2014, 158: 396-399）。以此為基礎(chǔ), 進一步利用自主研發(fā)的動態(tài)旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器（圖2）開展了基于膜耦合技術(shù)的重復(fù)批次發(fā)酵研究，利用小麥秸稈水解液中混合糖（葡萄糖、木糖和阿拉伯糖）52℃發(fā)酵生產(chǎn)乳酸（圖3）。通過重復(fù)批次培養(yǎng)，發(fā)酵體系可以獲得高濃度細(xì)胞，B. coagulans IPE22實現(xiàn)了對葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的同步利用，生產(chǎn)強度是批次發(fā)酵的2.33倍。同時，由于發(fā)酵過程為開放式操作，培養(yǎng)基和設(shè)備無需滅菌，可進一步降低生產(chǎn)成本。該方法易于工藝放大，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景, 部分研究結(jié)果發(fā)表在Bioresource Technology（2014, 163: 160-166）。
    相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院創(chuàng)新團隊國際合作伙伴計劃和生化工程國家重點實驗室資助。