Recent advances in lactic acid production by microbial fermentation processes
- 作者
- Mohamed Ali Abdel-Rahman, Yukihiro Tashiro, Kenji Sonomoto
- 单位
- Laboratory of Microbial Technology, Division of Applied Molecular Microbiology and Biomass Chemistry, Department of Bioscience and Biotechnology, Faculty of Agriculture, Graduate School, Kyushu University; Botany and Microbiology Department, Faculty of Science (Boys), Al-Azhar University; Institute of Advanced Study, Kyushu University; Laboratory of Soil Microbiology, Division of Applied Molecular Microbiology and Biomass Chemistry, Department of Bioscience and Biotechnology, Faculty of Agriculture, Graduate School, Kyushu University; Laboratory of Functional Food Design, Department of Functional Metabolic Design, Bio-Architecture Center, Kyushu University
- 杂志
- Biotechnology Advances（2013）
- DOI
- 10.1016/j.biotechadv.2013.04.002
- 所属领域
- 发酵工程/代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
乳酸生产成本高，尤其是底物原料和发酵过程效率低，限制了聚乳酸（PLA）的大规模应用。需要利用廉价底物和优化发酵工艺来降低乳酸生产成本，提高产量和生产率。
研究策略
综述了多种乳酸生产菌株（细菌、真菌、酵母、微藻和蓝藻）的发酵特性与代谢途径，比较了不同替代底物（淀粉质、木质纤维素、农工废弃物、乳制品、甘油、微藻等）和发酵模式（分批、补料分批、重复、连续、高细胞密度发酵等），并总结了提高乳酸浓度、产量和生产率的方法，以及回收工艺的进展。
核心内容
该文系统综述了微生物发酵法生产乳酸的最新研究进展，聚焦于利用廉价底物和优化发酵策略以降低生产成本、提升效率。文中比较了细菌、真菌、酵母、微藻及蓝藻等不同菌株的发酵特性，并评估了淀粉质、木质纤维素、甘油、微藻等替代底物及分批、补料分批、高细胞密度等发酵模式。关键结果包括：Bacillus sp. WL-S20在pH 9.0补料分批发酵中产L-乳酸225 g/L，产率达0.993 g/g；谷氨酸棒杆菌经代谢工程改造后产D-乳酸达120 g/L，光学纯度≥99.9%；酿酒酵母工程菌利用纤维二糖产乳酸约80 g/L，产率0.70 g/g。此外，高细胞密度发酵和膜细胞循环技术可显著提高生产率，如工程谷氨酸棒杆菌在细胞浓度60 g/L时产L-乳酸速率达42.9 g/L/h。这些结果表明，通过菌株筛选改造与发酵过程优化相结合，可有效降低乳酸生产成本，为其在聚乳酸等生物材料领域的规模化应用提供经济可行的技术路径。
创新点
系统总结了近年来利用廉价底物（如甘油、微藻生物质）和高细胞密度发酵（固定化、膜细胞循环）提高乳酸生产效率的进展；比较了不同发酵模式的优缺点；介绍了代谢工程改造菌株以提高光学纯度和产量的案例。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacillus sp. WL-S20 | 同型乳酸发酵（糖酵解） | — | L-乳酸脱氢酶 | 催化 | 在pH 9.0和补料分批条件下产L-乳酸225 g/L，产率0.993 g/g |
| Bacillus coagulans 36D1 | 戊糖磷酸途径 | — | — | 催化 | 可利用戊糖，乳酸产率接近1.0 g/g消耗糖 |
| Corynebacterium glutamicum | 糖酵解（同型乳酸发酵） | ldhA (敲除), 异源D-LDH基因 | D-乳酸脱氢酶（来自Lactobacillus bulgaricus或Lb. delbrueckii） | 催化 | 工程菌产D-乳酸17.9 g/L（光学纯度>99.9%），ΔldhA/pCRB204产D-乳酸120 g/L（30 h） |
| Escherichia coli (工程菌) | 甘油代谢（异型发酵改造为同型） | ldhA, 竞争途径基因敲除 | D-乳酸脱氢酶 | 催化 | 从甘油产D-乳酸32 g/L（分批），补料分批达111.5 g/L |
| Escherichia coli (JLXF5) | PLA生物合成 | propionate CoA-transferase, PHA synthase | 丙酸CoA转移酶、聚羟基脂肪酸合酶 | 催化 | pH-stat补料分批发酵产PLA共聚物20 g/L（含43 wt%聚合物，分子量141,000 Da） |
| Saccharomyces cerevisiae (工程菌) | 纤维二糖利用→乳酸发酵 | β-葡萄糖苷酶基因（来自Aspergillus aculeatus） | β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 从纤维二糖产乳酸约80 g/L，产率0.70 g/g，速率2.8 g/L/h |
| Rhizopus oryzae | 淀粉糖化→L-乳酸发酵 | — | 淀粉酶（天然） | 催化 | 可利用淀粉质原料直接发酵，低营养需求 |
| Nannochlorum sp. 26A4 | 淀粉积累→暗厌氧乳酸发酵 | — | — | 催化 | 从自身淀粉（含量40%）产L-乳酸26 g/L，光学纯度99.8% |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 光合固碳→乳酸分泌 | invertase, glucose/fructose transporter, L-LDH, lactate transporter | 蔗糖酶、糖转运蛋白、L-乳酸脱氢酶、乳酸转运蛋白 | 催化 | 工程菌在胞外积累乳酸600 μM |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 光合固碳→乳酸分泌 | L-LDH基因（来自Bacillus subtilis） | L-乳酸脱氢酶 | 催化 | 工程菌在2周后产乳酸3.2 mM |
| Lactobacillus casei ATCC 393 | 同型乳酸发酵（乳糖/葡萄糖/蔗糖） | — | — | 催化 | 利用酸奶乳清产乳酸25.9 g/L，产率0.9 g/g，生产率0.76 g/L/h |
| Lactobacillus helveticus | 同型乳酸发酵（乳糖） | — | — | 催化 | 连续发酵乳清产乳酸38 g/L，生产率19-22 g/L/h |
关键发现
- Bacillus sp. WL-S20在pH 9.0补料分批发酵中产L-乳酸225 g/L，产率0.993 g/g
- C. glutamicum工程菌产D-乳酸17.9 g/L（光学纯度>99.9%），ΔldhA/pCRB204产D-乳酸120 g/L（光学纯度≥99.9%）
- Lb. paracasei subsp. paracasei CB2121在分批发酵中产乳酸192 g/L（200 g/L葡萄糖）
- E. coli AC-521在补料分批中产乳酸85.8 g/L
- 工程E. coli从甘油产D-乳酸32 g/L（分批）和111.5 g/L（补料分批）
- S. cerevisiae工程菌从纤维二糖产乳酸约80 g/L（产率0.70 g/g，速率2.8 g/L/h）
- Nannochlorum sp. 26A4产L-乳酸26 g/L（光学纯度99.8%，产率70%）
- 工程C. glutamicum在细胞浓度60 g/L时产L-乳酸达42.9 g/L/h（持续360 h以上）。
研究结论
通过利用廉价底物、筛选和改造高性能菌株，以及优化发酵过程（特别是高细胞密度发酵和膜细胞循环），可以显著降低乳酸生产成本并提高生产率，为PLA等应用提供经济可行的乳酸生产途径。