4月12日，凯赛生物（688065.SH）2021年年报业绩说明会在上证路演中心平台举办。

 

说明会上，董事长刘修才表示，公司在系统研究生物废弃物作为生物制造原料的产业化技术，目前用秸秆做乳酸的中试结果证明，这个研究实现产业化无论是技术还是成本都具有可行性。公司认为，这项技术将对保障合成生物大规模产业化原料来源，并且具有竞争力，对于合成生物学产业和碳排放推动都具有里程碑意义。同时，他也表明目前凯赛秸秆乳酸项目的中试研究进展顺利，且正在准备进行产业化示范。

 

近日，凯赛生物、华东理工大学鲍杰课题组、瑞典隆德大学合作在Biotechnology and Bioengineering上在线发表题为“Cyclic L-lactide synthesis from lignocellulose biomass by biorefining with complete inhibitor removal and highly simultaneous sugars assimilation”的论文。

 

课题组以小麦秸秆为原料在干法生物炼制过程平台上生产高发酵指标L-乳酸，经常规纯化后成功合成了复合高分子量聚乳酸聚合要求的高手性度L-丙交酯，从而为木质纤维素原料产业化生产聚乳酸突破了关键的障碍。

 

该研究认为，从纤维素L-乳酸合成高手性度丙交酯的主要障碍，除纤维素L-乳酸相对低下的发酵水平，是乳酸产品中抑制物残余和残糖对其手性纯度和化学纯度的影响。抑制物残余主要是残余在乳酸发酵液中的呋喃醛、有机酸和酚醛残糖（木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等非葡萄糖单糖）。这些残余杂质难以在常规纯化中完全脱除，进而严重阻碍了纤维素L-乳酸的缩聚、解聚成L-丙交酯。

 

该研究中构建了以干酸预处理-生物脱毒-高固含量同步糖化与共发酵为核心的干法生物炼制技术，以及耐高温、高抗逆和开放发酵的乳酸片球菌工程，实现了木质纤维素来源全部抑制物的完全和终极降解，以及全部单糖（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖）以协同速率生成高手性纯度的L-乳酸和D-乳酸，从而突破了抑制物彻底脱除和可发酵单糖完全转化两个关键障碍，首次从纤维素手性L-乳酸合成了高分子量聚乳酸的聚合单体手性L-丙交酯。

 

针对抑制物障碍，使用了一株前期工作筛选到的特异生物脱毒真菌树脂枝胞菌Amorphotheca resinae ZN1，在完整保存发酵糖的前提下，选择性地将呋喃醛（糠醛和5-羟甲基糠醛等）、有机弱酸（乙酸等）和酚醛抑制物（对羟基苯甲醛、香草醛和丁香醛等）完全转化成CO2和H2O，残余少量酚醛在后续纯化中的脱色步骤完全脱除，从而解除了抑制物对于乳酸发酵和乳酸纯度的影响。针对残糖障碍，使用代谢工程构建的乳酸片球菌工程菌Pediococcus acidilactici ZY271进行了高固含量麦秆的同步糖化共发酵，最终将木质纤维素来源的葡萄糖和全部非葡萄糖单糖（木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖）转化为高浓度和高手性度的L-乳酸（129.4 g/L、99.6%）。

 

纤维素L-乳酸的各项可量化技术指标和排放指标与玉米淀粉原料合成L-乳酸的指标基本持平。获得的纤维素L-乳酸经过常规的固液分离、脱色、结晶、酸化和阳离子树脂吸附后，在常规的辛酸亚锡催化下进行了解聚和缩聚反应，成功合成了手性纯度为98.99%的L-丙交酯。

 

之后该研究对合成的L-丙交酯进行了结构和性质的表征，鉴定结果表明，合成的核磁共振氢谱、红外光谱、熔点、元素含量、手性色谱等显示的各项特征均与L-丙交酯标品完全一致。

    

 

 

 

论文链接 

 

https://doi.org/10.1002/bit.28082

 

 

目前，聚乳酸的上游原料来自玉米等农林资源，玉米秸秆如果能制造聚乳酸这，既可替代匮乏的传统粮食资源，又可解决秸秆焚烧的污染问题，使可再生资源得到充分利用。

 

那么为什么玉米秸秆制聚乳酸为什么迟迟没有项目落地，产业化过程中到底有何难处，工艺流程为何？

 

玉米秸秆为什么能够制造聚乳酸？

 

传统工艺是利用玉米、木薯等作物中的淀粉做生产原料，淀粉经过糖化得到葡萄糖，再经过菌种发酵制成高纯度的乳酸。得到的乳酸通过直接缩聚法或间接缩聚法（即丙交酯开环聚合法），合成聚乳酸，目前工业上运用最多的是间接缩聚法。

 

而玉米秸秆的主要成分为纤维素( 32%～36%) 、半纤维素( 35%～40%) 及木质素( 17%～20%) 。纤维素是由葡萄糖组成的大分子，多糖纤维素和半纤维素可以通过处理得到发酵原料—还原糖类，进而发酵生产乳酸。

 

秸秆生产乳酸的三个步骤

 

秸秆等农业废弃物发酵制备乳酸的主要步骤为：植物纤维原料预处理→植物纤维原料水解→ 菌体消耗糖产乳酸→乳酸结晶纯化。

 

1.预处理

 

自然界存在的天然植物纤维素原料的组成主要为纤维素、半纤维素和木质素，而且其结构非常复杂。因而，受其自身结构和木质素、半纤维素对纤维素的保护作用，一般情况下纤维素的水解和发酵比较困难。预处理的目的就是脱除木质素、半纤维素，降低纤维素的结晶度、增加原料疏松性。

 

预处理的方法主要有：物理法（如机械破碎、高温分解）、化学法（酸处理、碱处理、臭氧法）、生物法（利用微生物分解木质素）和综合法（如二氧化碳爆破法）。对秸秆进行预处理能够有效地促进糖的生成，提高酶水解生成糖的效率；有效降低糖的降解和损失，是玉米秸秆制造乳酸的关键步骤之一。

 

2.木质纤维素原料水解

 

木质纤维素原料一般常用的催化剂为无机酸、 酶。常温常压下进行浓硫酸水解，糖产率较高。而酶水解具有产物比较单一、糖浓度较高等优点，是目前常用的主要水解方法。因木质纤维原料的结构复杂，为了使酶与纤维素能够有效地接触，一般酶水解前都要对木质纤维原料进行预处理。

 

酶反应利用特定的处理酶，将纤维素转化为糖。纤维素酶在温度40℃~60℃ｐＨ 值4~5时效果最佳。有研究者采用离子束诱变选育木聚糖酶高产菌黑曲霉，将生物质的秸秆转化成了可用于工业生产的L-乳酸。纤维物质的糖化率达到了79.5%。

 

浓酸水解则在较低的温度下进行，一般72%硫酸、42%盐酸、77%~83%磷酸溶液都可溶解结晶纤维素，在此溶解过程中纤维素也进行均相水解。浓硫酸水解能把90%左右半纤维素、纤维素转化成可发酵糖，糖的回收率也很高。

 

3.发酵制备乳酸

 

发酵制备乳酸的方法有直接发酵法和同步糖化发酵法。

 

直接发酵法是对木质纤维原料直接进行发酵，不存在酸解、酶解的预处理。直接发酵时的乳酸产量较低，容易生成一些副产物。有研究者的实验表明，直接发酵产量低，如果采用0.3mol/L稀磷酸预处理纤维素废弃物，之后用纤维素酶酶解60h，再把糖化液进行米根霉的发酵，乳酸的转化率能达到20%左右纤维素原料酶解和乳酸发酵同时进行的发酵法为同步糖化发酵法，酶解生成物给发酵提供了碳源，发酵时可消耗掉纤维素分解的五碳糖、六碳糖，能提高整个生产效率。此法虽然对菌种的要求较高，但缩短了生产周期、节约了能源，还提高了菌种的利用率。

 

秸秆生产聚乳酸的难点

 

目前秸秆未得到有效的利用，理想的利用方式是使秸秆中的纤维素及半纤维素转化为可利用的还原糖，进而发酵产酸。不同的酶添加量对秸秆的处理结果不同，酶添加量较低时，对秸秆的水解能力较弱，发酵液中的还原糖含量直接关系到发酵产酸的量，而目前对于秸秆发酵作为碳源的研究尚处于起步阶段，并不能达到令人满意的效果。

 

对此，有研究者指出，秸秆中不溶性糖含量较多，经过纤维素酶的处理，水解才能得到大量的还原糖。而秸秆芯较全秸秆更适合作为发酵碳源的补充剂，但秸秆除壁留芯的过程又增加了生产成本，这是另一个需要面对的难点。