基于木质纤维素连续发酵与细胞循环技术提升乳酸生产的生物经济潜力

《BIOspektrum》：Kontinuierliche Kultivierung auf Basis biogener Roh- und Reststoffe

本文推荐一项针对木质纤维素生物质高效利用的创新研究。为解决传统分批发酵中抑制剂耐受性差、碳分解代谢抑制(CCR)及五碳糖利用效率低等问题，研究人员开展了基于Heyndrickxia coagulans菌株的连续发酵与细胞循环技术研究。结果表明，该技术可稳定运行400小时，实现乳酸产量92 g·L-1、生产率13.6 g·L-1·h-1，并成功克服抑制剂（糠醛、HMF）的负面影响，为生物基塑料平台化学品生产提供了可持续工艺方案。

　　

在全球迈向碳中和的背景下，欧盟新版生物经济战略将循环利用生物资源视为核心目标。木质纤维素作为植物细胞壁的主要成分，因其来源广泛、非粮竞争特性，成为替代化石资源的关键原料。然而，其复杂的多糖-木质素结构及水解产物中抑制剂（如糠醛、羟甲基糠醛）的存在，使得传统分批发酵工艺面临严峻挑战：微生物生长受阻、糖利用效率低，且难以实现连续生产。

为突破这些瓶颈，Linda Schroedter与Joachim Venus团队探索了连续发酵耦合细胞循环技术。该研究以木质纤维素水解液为底物，采用Heyndrickxia coagulans菌株，通过膜过滤模块实现细胞高密度循环，并引入侧流排放（Bleed）维持代谢稳态。

关键技术方法包括：

1. 1.
   以农业残留物（麦秸、废弃木材）为原料的木质纤维素水解液制备；
2. 2.
   集成膜过滤的连续发酵反应器设计，实现细胞回收与底物持续供给；
3. 3.
   动态监测糖消耗（葡萄糖、木糖）及抑制剂降解动力学；
4. 4.
   通过比生长速率（μ）与稀释率调控优化乳酸产率。

木质纤维素的生物经济潜力

通过评估欧盟地区农业林业残留物，明确麦秸（年存量46百万吨）与木材残料（15百万吨）为最具潜力原料。研究强调，需通过高效分馏将木质纤维素解构为纤维素/半纤维素糖组分与木质素，以最大化资源价值。

乳酸作为多功能平台化学品

乳酸可作为聚乳酸（PLA）生物塑料前体，但其发酵过程易受水解液中混合糖（葡萄糖、木糖）与抑制剂干扰。传统分批工艺中，微生物需依次代谢糖类（碳分解代谢抑制），且抑制剂延长停滞期，导致生产率下降。

连续发酵与细胞循环的技术突破

研究显示，采用Heyndrickxia coagulans A166菌株的连续系统可同步利用葡萄糖与木糖，并对糠醛/HMF展现耐受性。在废弃木材水解液中，该工艺实现300小时稳定运行，乳酸产率达92 g·L^-1，转化率91%，且无需预先脱毒处理。

结论与意义

本研究证实连续发酵-细胞循环技术可有效解决木质纤维素生物转化中的关键瓶颈，提升乳酸生产的经济性与可持续性。该策略为生物基化学品工业化提供了技术范式，助力欧盟实现2030气候目标及2050碳中和愿景。