PLA：合成生物学为以非粮原料合成乳酸提供探索方向

《生物基材料技术与应用论坛》将探讨生物基材料前沿技术与产品应用，例如PHA、PLA、bio-PBS等生物基塑料和生物基纤维，重点围绕聚乳酸的改性、加工与下游应用（纤维、膜袋、餐饮具、包装材料等）。

TK生物基材料报道：合成生物学在聚乳酸领域主要应用涉及对L-乳酸单体的生产，以及原料利用方面(例如秸秆等原料)的拓展，主要目的为降低成本。

聚乳酸的合成单体为乳酸，乳酸的来源可以有玉米淀粉等淀粉质或秸秆纤维素两种，在发酵生产乳酸及秸秆处理过程中分别会涉及到合成生物学过程(下图中标红部分)。在乳酸单体合成聚乳酸的过程中，往往会首先经过乳酸寡聚，水解生成丙交酯，丙交酯开环聚合生成聚乳酸的过程，丙交酯的合成同样具有较高的壁垒，因不涉及合成生物学过程，此处不展开讨论。

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合成生物学相关的乳酸合成步骤

1、乳酸单体的发酵过程相对较为成熟，通过合成生物学进一步突破空间较小

全球来看，现有乳酸的海外产能基本集中在Corbion-Purac, NatureWorks 手里。Corbion-Purac 现有乳酸产能28万吨/年，配套Total Corbion 7.5万吨/年PLA产能，NatureWorks 现有乳酸产能22万吨1年，配套15万吨/年的聚PLA产能。

海外乳酸-聚乳酸一体化公司是主要形式，国内乳酸主要生产企业为金丹科技，年产能12.8万吨，暂时未有PLA生产，浙江海正现有4.5万吨/年PLA产能，暂时未有乳酸产能。丰原集团现有0.5万吨1年乳酸产能，丰原福泰来有3万吨/年的PLA产能，安徽丰原是目前国内第一家打通产业链一体化的公司。未来的产能规划上，丰原生物规划60万吨/年PLA产能，山东同邦新材料规划30万吨/年乳酸产能，20 万吨/年PLA产能。万华化学丙交酯同样推进至中试实验阶段。（数据来源于招商证券）

在乳酸的发酵生产上，菌株选择可以有乳酸菌，米根霉，酵母，大肠杆菌等。在实际生产过程中，诱导突变与通过合成生物学方法进行菌株的改造均是常见的方案，产量、产率与纯度为可以体现差异化的指标，但通过合成生物学等方法进一步突破的空间不大。

聚乳酸发酵菌种举例

2、通过合成生物学技术探索以秸秆作为原料发酵生产乳酸的新发展方向

合成生物学技术在聚乳酸产业链中未来可以发力探索的点为非粮原料的利用，如秸秆等以追求成本的降低。我国乡村每年有20亿吨秸秆及农林废弃物等生物质资源，秸秆制糖生产PLA是秸秆高效利用中推进较快的项目。

站在PLA产业链角度，秸秆制糖制取PLA的大力推进的前提是全成本端测算低于以淀粉为原料成本。目前难点则在于秸秆等成分相对较为复杂，含有木质素等抑制性物质，去除效率较低，同时其中糖分成分相对复杂。抑制物质的去除可以借助发酵过程，同时可以以合成生物学方式构造糖同化发酵产乳酸的菌种来完成乳酸的生产。

目前有通过秸秆制备乳酸技术储备的公司有凯赛生物，安徽丰原，浙江友诚等。凯赛生物与华东理工大学、瑞典德隆大学合作；安徽丰原与比利时格拉特合作，浙江友诚技术来源为在2017年完成的对德国BluCon Biotech GmbH公司的“第三代乳酸技术”专利技术和研发团队的整体收购。

以凯赛生物技术为例，根据其发表在iotechnology and Bioengineering期刊上的文章，小麦秸秆首先经过酸处理水解半纤维素，进一步在A.resinaeZN1真菌作用下，选择性的将抑制物质转化为二氧化碳、水、呋喃醛(糠醛和HMF)，经过处理的秸秆成本中弱有机酸(乙酸)含量几乎为0，酚醛同样被分解为微量。有颜色的酚类物质在脱色步骤被清除。

去除抑制物质后的混合物主要成分为糖，使用工程化乳酸菌菌株 P. acidilactici ZY271 将行使将多种糖转化为L乳酸的过程，通过合成生物学过程改造后的P. acidilactici ZY271具备高度糖同化功能，可以将木糖、阿拉伯糖、甘露糖与半乳糖等均有效同化为L-乳酸，混合纯糖与秸秆处理过程的L乳酸转化情况相似。

纯糖与混合糖的乳酸菌菌株P. acidilactici ZY271作用过程

在秸秆转化为乳酸的全流程图中，100公斤干小麦秸秆可以生产61.4公斤L乳酸钙，对应50.7公斤L乳酸。小麦秸秆中多糖(纤维素、木聚糖、甘露聚糖、阿拉伯聚糖、半乳糖聚糖)的总L乳酸产量为理论值的69.9%，即1kg 小麦秸中的糖类可产生0.70kgL乳酸，实际L-乳酸生成量和理论L-乳酸生成量计算得出的L-乳酸产率为86.5%。并以此为原料合成的L-丙交酯手性纯度可以达到99.0%。项目整体在推进中试实验。

从秸秆到L乳酸的转化过程

根据相关专利《一种共发酵葡萄糖和木糖生产L-乳酸的乳酸片球菌构建方法》，P. acidilactici ZY271菌株在P.acidilactici TY112的基础上构建：

• 1)将携带木糖异构酶(xylA)和木酮糖激酶(xylB)的表达质粒重组带菌P.acidilactici TY112中得到P.acidilactici TY112(pMG36e-PldhD_xyIAB_ 2911)， 其可利用木糖进行生长和L-乳酸生产，但同时产生了大量副产物乙酸。

• 2) 通过同源重组敲除P.acidilactici TY112基因组上的磷酸转酮酶基因pkt，以阻断PK路径从而减少副产物乙酸生成，得到的工程菌株P.acidilactici TY112-Opkt,3)通过同源重组将异源的转酮醇酶基因(tkt)和转醛醇酶基因(tal)整合至步骤2 )中敲除的pkt基因位点处,使菌株通过PP路径代谢木糖,得到的工程菌株为P acidilactici TY112-△pk:(tkt_tal)。

• 4)在步骤3得到的菌株基础上，将步骤1中的xyIAB表达框整合至乙酸激酶ackA2位点处，同时将ackA2进行插入失活，得到工程菌株P. acidilactici TY112-△pk:(tkt_tal)-△ackA2:xylAB.5)适应性进化加快木糖代谢：将步骤4得到的工程菌株，在木糖为唯一碳源的培养基中进行适应性进化以提高木糖代谢能力。经过66次的连续转接(共驯化66天)，得到的木糖发酵性能稳定的驯化菌株命名为P.acidilactici ZY271。整体的代谢路径改造过程如下:

由P.acidilactici TY112到P.acidilactici ZY271合成生物学改造过程

由此可见，通过合成生物学技术改造的菌株提高以秸秆为原料发酵生产L乳酸的糖利用率至关重要。同样合成生物学技术在PLA可降解塑料应用端能够提供的更大推动动能也体现在非粮原料的利用方面。

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孙东平，南京理工大学教授	细菌纤维素微生物调控合成、杂化及其应用
姜岷，南京工业大学教授	利用人工双菌共培养体系生物法制备丁二酸
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【主题 2】生物基/可降解塑料 【主持人】李玉兰，广东省塑协降解塑料专委会秘书长
叶新建，安徽恒鑫环保新材料有限公司董事、首席技术官	PLA改性在餐饮具领域的应用技术
厦门长塑实业有限公司	双向拉伸聚乳酸薄膜（BOPLA）制备及其应用
山东兰典生物科技股份有限公司	生物发酵法转化合成生物基PBS及其应用
边新超，中国科学院长春应用化学研究所研究员	聚乳酸领域的工艺开发及高值化应用
许羊，博远资本新材料赛道投资人，原碧桂园创投副总裁	双碳战略下，生物基材料的投资逻辑