青岛能源所实现100%光学纯D-乳酸的生物合成

   D-乳酸是一种基本有机化工原料,是合成多种手性物质的前体。光学纯度大于98%的D-乳酸在医药、农药、化工等方面具有广泛应用。以高光学纯D-乳酸为原料聚合而成的聚乳酸材料能够替代普通化工产品聚合而成的塑料、纤维制品,应用在医用骨内固定物、香烟过滤头、纺织用高级纤维等高端消费领域,同时也是3D打印技术的主要原材料。据估算,全球聚乳酸市场的年复合增长率为20.9%,到2020年,全球聚乳酸消费市场将达51.6亿美元,市场空间巨大。

  D-乳酸可通过化学合成法和微生物发酵法获得。化学合成法存在环境污染、成本昂贵、光学纯度较低等问题,难以满足应用要求。在生物工程领域,微生物合成光学纯D-乳酸有着广泛关注。近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物基材料组群赵广研究组成功利用克雷伯氏菌实现100%光学纯D-乳酸的合成,产量和转化率等指标均处于国际先进水平。

  克雷伯氏菌具有可利用碳源广、生长迅速等优点,是1,3-丙二醇等产品的主要生产菌株,在以往研究中较少有关注该菌在乳酸合成方面的潜力。赵广研究组在前期研究中发现克雷伯氏菌可以利用甘油大量合成D-乳酸,进而以其生产光学纯D-乳酸为目标展开了深入研究。经系统的代谢改造和调控、发酵条件优化,首次实现了100%光学纯D-乳酸的生物合成。研究发现,工程克雷伯氏菌不仅可以利用常用碳源葡萄糖和纯甘油,还能够高效利用生物柴油副产物甘油、生物质热解回收甘油等粗甘油,以及木糖、阿拉伯糖等五碳糖;在阻断或抑制1,3-丙二醇、2,3-丁二醇等副产物的合成后,D-乳酸合成效率大幅度提升;可以在有氧条件下发酵生产,有效规避乳酸合成必须严格厌氧发酵的缺点。目前,该研究已成功完成了500L发酵罐的放大试验,工程克雷伯氏菌的光学纯D-乳酸产量达到150g/L,底物转化率0.91g/g,生产效率大于3g/L/h。该研究建立了利用不同来源的廉价底物生产高光学纯D-乳酸的生物合成技术,可有效降低生产成本,应用潜力巨大,为D-乳酸发酵技术的产业化应用奠定了基础。

  相关研究成果发表在Bioresource Technology、Microbial Cell Factories上,并已申请发明专利4项。 该研究得到了中科院率先行动“百人计划”、山东省自然科学基金、山东省博士后专项资金等的资助。

关键字:乳酸
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