成果推介 | 基于葡糖二酸（D-glucaric acid）的绿色生物制造
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首期栏目聚焦
葡糖二酸的绿色生物制造
话不多说 一起来看！
01
所属领域
生物化学品、生物化工、生物炼制、绿色生物制造
02
项目介绍
01 市场痛点
葡糖二酸（D-glucaric acid）是重要的平台化合物，在医药、食品、高分子材料、化工等领域有广泛的应用。目前，葡糖二酸主要是通过硝酸氧化法生产，以葡萄糖为底物、硝酸为催化剂，但此法存在着葡糖二酸得率低、一氧化碳等有毒副产物排放较多等问题。
微生物发酵法生产葡糖二酸最为成熟的技术是利用大肠杆菌（Escherichia coli）作为底盘细胞，但由于其不耐低pH，当葡糖二酸超过一定浓度时，发酵过程就会受到抑制。
此外，高产葡糖二酸所采用的发酵培养基均需添加高附加值生物化学品肌醇（myo-inositol），使得发酵成本高昂。因此，业界一直在积极寻求具有更高产葡糖二酸潜力的理想替代宿主菌并努力降低葡糖二酸的发酵成本。
02 解决方案
● 选择高性能酿酒酵母作为底盘细胞构建了高产葡糖二酸的酿酒酵母工程菌，建立了高产葡糖二酸的发酵工艺；
● 将高产葡糖二酸的酿酒酵母工程菌用于生物炼制，以廉价原料木质纤维素（农林废弃物）作为底物生产葡糖二酸，可大幅降低葡糖二酸的发酵成本；
● 通过合成生物学结合里氏木霉与酿酒酵母工程菌组成人工微生物菌群，实现以木质纤维素为底物一步法产葡糖二酸，并通过分工协作推拉策略指导的里氏木霉与酿酒酵母工程改造充分提升了微生物菌群发酵性能，提高了葡糖二酸的产量、产率和得率；
● 整合人工微生物菌群一步法高产葡糖二酸的工艺与亚临界水预处理，驯化人工微生物菌群可实现高度集成的一步法产葡糖二酸工艺，实现废水零排放。
03 技术优势
目前团队所构建的酿酒酵母工程菌，一方面可用于传统的微生物发酵产葡糖二酸，另一方面可用于生物炼制产葡糖二酸，底盘细胞和发酵工艺均达到行业领先水平。
与大肠杆菌工程菌的近5g/L的产量相比，该酿酒酵母工程菌的产量达11.21g/L，提高了2倍以上；虽低于与文献报道的酿酒酵母工程菌最高产量15.6g/L，但团队开发了以农业废弃物为底物一步法产葡糖二酸的工艺，成本大幅降低，具有更高的经济可行性。
04 技术成熟度
本项目科技成果已完成实验阶段，已放大至10L小型发酵罐并完成测试，以50g/L亚临界预处理玉米秸秆为底物可生产10.03g/L葡糖二酸（图1）。该工艺可平稳运行30轮以上，过程无任何污水排放（图2）。
图1
图2
05 市场前景
目前，国内暂无通过微生物发酵法生产葡糖二酸相关产业，但市场需求广阔，作为化工、医药及食品等领域产品中的重要中间体，世界范围内的葡糖二酸需求量超过4.1万吨。
早在2004年，美国能源部和再生能源国家实验室就将葡糖二酸列为高附加值的生物炼制产品之一，作为非常重要的平台化合物，在医药、食品、高分子材料、化工等领域有广泛的应用，市场前景广阔。美国企业Kalion采用大肠杆菌代谢工程菌、葡萄糖和肌醇生产葡糖二酸已获得多轮融资及政府资助。
06 知识产权
申请国家发明专利3项，公开实审中。
03
合作需求
1．应用基础研究合作（横向）：针对特定应用场景，进一步改造菌株和优化发酵工艺，将葡糖二酸的绿色生物制造工艺推向应用端。
2. 企业合作：寻找合作开发葡糖二酸的绿色生物制造工艺的投资方，商讨未来技术转让方案，利用大型公司的资源，开展研发合作。
04
团队介绍
本项目的技术负责人为科创中心百人计划研究员方浩，主要研究领域：工业微生物与发酵工程，长期利用交叉学科的优势，结合合成生物学、系统生物学、生物信息学等方法，系统研究和改造工业微生物细胞工厂，使其满足生物燃料、生物化学品、食品、生物医药、饲料等工业应用情境的需要。
项目合作联系人：赵老师
联系方式：0571-82990668
邮箱：kczyl@zju.edu.cn
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内容来源：生物与分子智造研究院 科研发展部
本文编辑：孔晓睿
审核：潘怡蒙
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