经过干酸预处理的麦秸秆的快速流化以及由此实现的连续生物转化过程，用于生产L-乳酸

《Bioresource Technology》：Fast fluidization of dry acid pretreated wheat straw and consequent continuous bioconversions for l-lactic acid production

基于干酸预处理的小麦秸秆连续生物精炼工艺，通过快速高温流体化技术实现固体含量＞50%的秸秆浆液稳定泵送，结合连续酶解、生物解毒及发酵模块，在26.7小时停留时间下获得143.1 g/L L-乳酸，产率0.79 g/g，纯度达99.3%。该工艺实现零废水排放，液体流畅度较传统湿法预处理提升2个数量级，为高固体负荷生物精炼提供新范式。

　　

陶涵 | 王娅 | 张斌 | 鲍杰

华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，中国上海梅龙路130号，200237

摘要

适用于通过泵和管道运输的流体形式木质纤维素生物质的物料流动，是实现工业规模连续生物精炼过程的前提条件。本研究开发了一种连续生产L-乳酸的工艺：首先将热预处理后的小麦秸秆固体在适中温度下快速流化成均匀且可运输的浆料，随后进行连续糖化、生物脱毒和发酵。最终的多阶段连续发酵将所有来自小麦秸秆的糖转化为143.1 ± 0.9克/升的L-乳酸，转化速率为1.79 ± 0.01克/升/小时，产率为0.79 ± 0.01克/克总糖，手性纯度为99.3% ± 0.1%。使用工业级小麦秸秆原料，以0.0375小时^?1的均匀稀释速率（停留时间约为26.7小时）进行操作时，该工艺的运行效果与使用玉米原料的干法工艺相当，且实现了零废水和毒素排放。这项研究为在高固体负荷下实现完全连续的木质纤维素生物精炼提供了技术原型。

引言

连续操作是高效工业过程的标准形式（Ruiz等人，2020年；López-Gómez等人，2019年；Brethauer等人，2014年）。连续生物精炼过程的前提条件是木质纤维素生物质能够以可运输的流体形式通过管道、泵、阀门和封闭容器进行传输，而不是以固体形式通过开放式输送带传输。生物精炼过程链包括预处理以破坏木质纤维素的强固结构，随后进行酶促糖化以产生可发酵糖类，脱毒以去除预处理过程中产生的抑制剂，发酵（或同时进行糖化和共发酵，SSCF）以生产目标产品，最后进行纯化以获得精制的目标产品（Liu等人，2018年；He等人，2022年；Duan等人，2024年）。当前生物精炼的发展趋势是从起始的预处理到最终的纯化阶段都采用高固体负荷，以提高目标产品的浓度、生产率和产量。高固体负荷的预处理可以消除废水产生，从而得到固态的预处理木质纤维素，显著降低能源需求、有毒物质排放和固液分离成本（Zhang等人，2023年；Shiva等人，2022年；Liu和Bao，2017年）。然而，固态的预处理木质纤维素物料流动也会给建立完全连续的生物转化操作带来巨大挑战。

以往关于连续生物精炼过程的研究主要集中在酶促糖化（Brunecky等人，2025年；Brethauer等人，2011年；Lischeske和Stickel，2019年）、脱毒（Singh等人，2019年；Fayet等人，2018年）或发酵（Ahring等人，2016年；Wirawan等人，2020年；Ma等人，2016年）等单个步骤上。这些研究的一个主要缺点是固体负荷较低，这不可避免地导致产品浓度和生产力较低，同时产生大量废水。为了在高固体负荷条件下实现连续生物精炼过程，需要在预处理反应器中排出预处理后的木质纤维素固体后立即将其转化为流体形式。液体或液体浆料可以通过机械泵在封闭的管道或容器中传输，以确保精确的定量流量控制，并防止在后续的连续酶促糖化、脱毒、发酵和纯化过程中发生微生物污染。为了在高固体负荷预处理条件下实现木质纤维素原料的快速流化和连续操作，需要解决的关键挑战包括：（i）如何快速将高温预处理后的固体（100–110 ℃）流化为均匀的流体浆料；（ii）如何在连续生物脱毒过程中完全去除抑制剂的同时尽量减少可发酵糖的损失；（iii）如何在保证满意的产品浓度和产量的同时减少发酵罐的数量。

本研究采用干法生物精炼技术作为技术平台，研究了以小麦秸秆为原料的L-乳酸生产的快速流化和连续生物转化过程（Zhang等人，2023年；Han等人，2023年）。干法生物精炼过程从起始的干酸预处理到后续的酶促糖化、生物脱毒和发酵步骤都保持高固体负荷，且不产生废水、固体、毒素或溶剂，其生物转化效率和技术经济性能与使用玉米原料的干法工艺相当（Liu等人，2018年；Zhang等人，2021a；Zhang等人，2021b）。研究结果表明，无需添加酶即可实现高温下的快速流化，从而实现完全连续的操作。热干酸预处理后的小麦秸秆固体可以无需添加任何酶即可转化为可泵送的流化浆料，然后该浆料可用于通过连续糖化、生物脱毒和发酵过程生产L-乳酸。本研究为使用木质纤维素原料的L-乳酸或其他生物基产品的工业规模连续生物精炼工艺开发了技术原型。

部分内容摘录

原料

小麦秸秆#1于2022年8月在中国山东省济宁市收获。原料经过简单机械破碎后储存在密封袋中，粒径约为10毫米。根据NREL协议（Sluiter等人，2012年），小麦秸秆#1含有32.33% ± 0.13%的纤维素、21.25% ± 1.78%的木聚糖、19.27% ± 4.85%的木质素和10.63% ± 1.89%的灰分。

小麦秸秆#2于2022年秋季在中国山西省阳曲县收获，由Cathay Biotech Inc提供

将干酸预处理后的小麦秸秆快速流化为可泵送的浆料

基于干法生物精炼技术，设计了一个包含快速流化和连续生物转化的集成生物精炼流程图（见图1a）。干酸预处理后的小麦秸秆固体通过密封管道从预处理反应器排出，然后通过重力输送到螺旋混合器中进行快速流化。氢氧化钙浆料和水与小麦秸秆固体混合，同时实现中和和降低固体含量

结论

本研究实现了干酸预处理后小麦秸秆固体的快速流化以及随后的连续生物转化，生产出L-乳酸。快速流化将高温预处理后的小麦秸秆固体（100–110 ℃）迅速转化为温度适中（约63 ℃）和pH值约为5.1的均匀可泵送的浆料，随后进行连续酶促糖化和生物脱毒，得到低表观粘度的小麦秸秆水解物

CRediT作者贡献声明

陶涵：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法学研究，概念化设计。王娅：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，调查研究。张斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，调查研究，资金获取。鲍杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督指导，方法学研究，调查研究，资金获取，概念化设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFA0914400）、国家自然科学基金（32301269）和上海市科学技术委员会阳帆项目（23YF1409900）的支持。