[发明专利]一种利用木质纤维素发酵生产L‑乳酸的方法

说明书

技术领域

本发明属于发酵技术领域，具体是一种利用木质纤维素发酵生产L-乳酸的方法。

背景技术

乳酸，有两种立体异构体，即L-(+)乳酸和D-(-)乳酸。L-乳酸作为一种重要的生物化工原料，在食品、医药、保健、现代农业和日用化工等领域中得到广泛使用。近年来，随着对生物新材料的深入研究，生物基聚合物尤其是以L-乳酸为单体聚合形成的聚乳酸备受关注。聚乳酸作为可生物降解材料，是最有发展前途的环保型生物塑料，有潜力解决石化塑料带来的“白色污染”问题。

乳酸的生产方法有化学法和微生物发酵法，其中化学法以石油为原料合成，历史较为悠久，但化学法直接合成的乳酸为DL-乳酸，且所用的原料一般具有毒性，不符合绿色化学要求，因此受到限制。生物发酵可以通过选择不同的菌种辅以基因工程的方法更专一性地生产L-乳酸或者D-乳酸，且具有生产条件温和、环境安全、副产物少和产物光学纯度高等特点，因此发酵法得以最为广泛的用于L-乳酸的生产。

目前工业发酵生产L-乳酸基本使用粮食基淀粉原料，将淀粉糖化降解为葡萄糖再发酵得到L-乳酸。然而，粮食原料的使用在两方面上限制了聚乳酸生物塑料产业的发展。首先，由于原料成本较高而推高了聚乳酸价格，使之不能与石化塑料在市场上竞争。其次，用粮食原料大量生产生物塑料存在与人争粮的问题，也限制了其发展潜力。

因此，利用木质纤维原料，特别是农业废弃秸秆，发酵生产L-乳酸便成为突破生物塑料产业发展的关键技术。解决这一技术不仅可以变废为宝，增加农民收入，而且可以减少秸秆焚烧引起的大气污染。农作物秸秆的基本组成为木质纤维素，其中含量丰富的纤维素和半纤维素经纤维素酶酶解生成葡萄糖和木糖，而葡萄糖和木糖均可被发酵生成L-乳酸。但是，由于存在各种技术难点，目前直接利用木质纤维素发酵生产乳酸的方法较少，还没有实现工业化生产。

CN 101736042 A公开了一种生产L-乳酸的方法：将农作物秸秆粉碎后，采用酸、碱预处理，再利用纤维素酶酶解得到的糖化液，通过米根霉发酵生产L-乳酸。其预处理方法容易造成环境污染，而且发酵前需要对发酵液进行中和，且酶解与发酵不同步进行，工艺复杂。米根霉发酵温度32℃-34℃，易被杂菌污染，发酵前需对发酵液进行灭菌。CN 102174600 A公开了一种连续发酵生产 L- 乳酸的方法， CN 102134581 A 公开了一种乳酸菌发酵方法，均是将农作物废弃物或者植物秸秆经过酸、碱预处理，用乳酸菌在40℃下进行连续发酵或同步糖化发酵，专利虽然通过优化工艺缩短了发酵周期，但酸碱预处理仍然有污染环境和后期工艺复杂的问题。同时，发酵温度与最适纤维素酶酶解温度（48℃-50℃）不一致，从而在同步糖化过程中存在酶解效率偏低的问题。

因此，利用木质纤维素生产L-乳酸的方法还存在预处理有环境污染、发酵周期长和生产成本高等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用木质纤维素发酵生产L-乳酸的方法，该方法工艺简洁、发酵周期短、乳酸光学纯度高、易于提纯、整个生产过程无污染，便于产业化。

本发明采用的技术方案是：一种利用木质纤维素发酵生产L-乳酸的方法，包括以下步骤：

（1）凝结芽孢杆菌发酵种子培养：将凝结芽孢杆菌接种于培养基平板，置于45℃-55℃恒温培养箱中培养12 h -24h，将长好的凝结芽孢杆菌接到液体培养基中，培养条件为温度45℃-55℃，转速150rpm-250rpm，培养时间12 h -24h，通气速率 1vvm；

（2）农作物秸秆或能源植物预处理：将农作物秸秆或能源植物粗粉碎至5mm左右，与自来水混合，搅拌均匀后加入到蒸汽爆破罐中，通饱和蒸汽加热到180℃-210℃，维持2 min -30min，泄压，收集蒸汽爆破后的物料，烘干备用；

（3）同步糖化发酵产L-乳酸：在发酵罐中加入发酵培养基成分，加入步骤（1）培养的凝结芽孢杆菌发酵种子液和步骤（2）中经过蒸汽爆破预处理后的农作物秸秆或能源植物，每克预处理底物添加20FPU的纤维素酶，然后在45℃-55℃，100rpm-200rpm转速条件下糖化发酵48 h -72h，发酵过程中利用氢氧化钙调节pH，定时取样测定发酵液中乳酸浓度。

步骤（1）中使用的液体培养基组成为：葡萄糖 20g/L，酵母粉10 g/L，氯化钠 2 g/L，磷酸二氢钾 2 g/L，七水合硫酸镁0.2 g/L，一水合硫酸锰0.05 g/L，七水合硫酸亚铁0.01 g/L。

步骤（2）中使用的农作物秸秆包括玉米秸秆、油菜秸秆等，能源植物包括芒草。