D-乳酸是一種基本有機化工原料，是合成多種手性物質的前體。光學純度大于98%的D-乳酸在醫(yī)藥、農(nóng)藥、化工等方面具有廣泛應用。以高光學純D-乳酸為原料聚合而成的聚乳酸材料能夠替代普通化工產(chǎn)品聚合而成的塑料、纖維制品，應用在醫(yī)用骨內固定物、香煙過濾頭、紡織用高級纖維等高端消費領域，同時也是3D打印技術的主要原材料。據(jù)估算，全球聚乳酸市場的年復合增長率為20.9%，到2020年，全球聚乳酸消費市場將達51.6億美元，市場空間巨大。
D-乳酸可通過化學合成法和微生物發(fā)酵法獲得?；瘜W合成法存在環(huán)境污染、成本昂貴、光學純度較低等問題，難以滿足應用要求。在生物工程領域，微生物合成光學純D-乳酸有著廣泛關注。近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所生物基材料組群趙廣研究組成功利用克雷伯氏菌實現(xiàn)100%光學純D-乳酸的合成，產(chǎn)量和轉化率等指標均處于國際先進水平。
克雷伯氏菌具有可利用碳源廣、生長迅速等優(yōu)點，是1,3-丙二醇等產(chǎn)品的主要生產(chǎn)菌株，在以往研究中較少有關注該菌在乳酸合成方面的潛力。趙廣研究組在前期研究中發(fā)現(xiàn)克雷伯氏菌可以利用甘油大量合成D-乳酸，進而以其生產(chǎn)光學純D-乳酸為目標展開了深入研究。經(jīng)系統(tǒng)的代謝改造和調控、發(fā)酵條件優(yōu)化，首次實現(xiàn)了100%光學純D-乳酸的生物合成。研究發(fā)現(xiàn)，工程克雷伯氏菌不僅可以利用常用碳源葡萄糖和純甘油，還能夠高效利用生物柴油副產(chǎn)物甘油、生物質熱解回收甘油等粗甘油，以及木糖、阿拉伯糖等五碳糖；在阻斷或抑制1,3-丙二醇、2,3-丁二醇等副產(chǎn)物的合成后，D-乳酸合成效率大幅度提升；可以在有氧條件下發(fā)酵生產(chǎn)，有效規(guī)避乳酸合成必須嚴格厭氧發(fā)酵的缺點。目前，該研究已成功完成了500L發(fā)酵罐的放大試驗，工程克雷伯氏菌的光學純D-乳酸產(chǎn)量達到150g/L，底物轉化率0.91g/g，生產(chǎn)效率大于3g/L/h。該研究建立了利用不同來源的廉價底物生產(chǎn)高光學純D-乳酸的生物合成技術，可有效降低生產(chǎn)成本，應用潛力巨大，為D-乳酸發(fā)酵技術的產(chǎn)業(yè)化應用奠定了基礎。