[发明专利]一种高温条件下由木质纤维素生产高浓度乳酸的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及生物基化学品的生物制造和生物炼制领域，具体地说，是以玉米秸秆等木质纤维素为原料，在高温条件下高效生物转化木质纤维素生产高浓度和高光学纯度乳酸的方法。

【背景技术】

乳酸是合成多种化学品的重要中间体，可广泛应用在食品、药品、化妆品、制革、纺织、环保和农业生产中。目前最重要的用途是从L-乳酸生产可以取代聚乙烯和聚丙烯等聚合材料的可降解聚乳酸产品(Polymeric lactic acid，PLA)。这一可降解聚合材料产品已经大量工业化，是替代石油基聚合材料的最为重要的生物材料。随着聚乳酸产品的广泛应用，全球对乳酸的需求量也随之增加。目前，主要通过化学合成和生物发酵两种方法来生产乳酸，但以生物发酵法为主，全球大约90％的乳酸产量来源于生物发酵。发酵生产乳酸的原料可以是葡萄糖、蔗糖、糖蜜和淀粉等，工业上常用可溶性淀粉和糖蜜，但发酵法生产乳酸的成本约有70％米源于原料，因此，使用廉价的原料生产乳酸，可大大降低乳酸的生产成本。

秸秆是粮食生产中的副产物，主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分构成，其中可发酵性的纤维素和半纤维素约占秸秆干重的一半以上。我国的秸秆资源丰富，每年的秸秆产量约为7亿吨，但是由于缺乏合理的利用模式，这些秸秆通常被就地焚烧掉，从而造成了巨大的环境污染和交通安全。因此，利用储量丰富、价格低廉的秸秆原料，采用生物发酵的方法生产乳酸具有广阔的前景。

利用玉米秸秆生产乳酸的工艺主要包括秸秆的预处理、预处理后秸秆的生物脱毒、脱毒后纤维素的酶解与乳酸发酵以及乳酸的分离等。

近年来，利用木质纤维素原料发酵生产乳酸的研究多有报道。Cui等人(Bioresource Technology，2011，102(2)，1831-1836)研究了在37℃下，混合培养Lactobacillus rhamnosus和Lactobacillus brevis在3％固体含量下同步糖化与发酵玉米秸秆生产乳酸，最终得到的乳酸浓度为20g/L左右。Maas等人(AppliedMicrobiology and Biotechnology，2008，78(5)，751-758)在50℃下，在14.8％固体含量下同步糖化与发酵小麦秸秆生产乳酸得到40.7g/L。陈树林等(中国专利公开号CN101935618A)利用短乳杆菌发酵含可利用糖56.9g/L的木质纤维素稀酸水解液，在48h内产生39.1g/L的乳酸。王冬梅等(中国专利公开号CN1908184)利用黑曲霉进行第一次固态发酵64-72小时，发酵液过滤后滤液接种米根酶进行第二次液态发酵12-36小时，经过两次发酵后，每100g干物质可以产生6-12g左右的乳酸。

尽管目前对利用木质纤维素生产乳酸的研究很多，但是由于缺乏能够处理高固体含量木质纤维素进行同步糖化与发酵的生物反应器，大多数研究都是在较低的固体含量下进行，发酵液中的乳酸浓度一般都低于50g/L，从而增加了后续乳酸分离的难度和成本。通常，大宗化学品在发酵液中的浓度低于100g/L，则此生产工艺不具有工业化的前景。此外，纤维素酶的最佳酶解条件是50℃，pH4.8左右，而乳酸发酵菌种的生长温度一般都低于45℃。因此，在常规的利用木质纤维素原料同步糖化与发酵生产乳酸的研究中，采用的温度都低于40℃，使纤维素的酶解效率非常低，从而大大限制了乳酸的生产速率和产率。

【发明内容】

本发明目的在于使用能够处理高固体含量木质纤维素原料进行同步糖化与发酵的生物反应器，在温度高达48℃和固体含量达30％(w/w/)的条件下同步糖化与发酵木质纤维素原料生产高浓度和高光学纯度乳酸的方法。

本发明的构思：一种高温条件下高效生物转化木质纤维素生产高浓度乳酸的方法，具体地说是将发明人所在实验室筛选分离的耐高温的乳酸片球菌Pediococcus acidilactici DQ2，活化之后接种于能够处理高固体含量木质纤维素原料进行同步糖化与发酵的生物反应器中，加入纤维素酶，乳酸片球菌把纤维素酶解生成的可发酵性糖同步转化为乳酸；乳酸片球菌Pediococcusacidilactici DQ2可在48℃，pH5.5的条件下正常生长发酵，该条件与纤维素酶的最佳酶解条件(50℃、pH4.8)非常接近，因此可实现高效的同步糖化与发酵木质纤维素原料生产高浓度乳酸。基于可处理高固体含量木质纤维素原料固步糖化与发酵的生物反应器和耐高温的乳酸片球菌Pediococcusacidilactici DQ2，本发明可以实现在高温下生物转化木质纤维素生产高浓度乳酸。