秸秆作为替代碳源用于头孢菌素 C发酵的产业化开发

宋更申、周如国、高彬洁、顾洹

摘要：围绕针对农业废弃生物质--秸秆的高效综合利用技术研究及产业化开发开展了攻关，立足于秸秆作为替代碳源用于头孢菌素的发酵生产，更将以此作为平台技术服务于其他抗生素药物以及推广至满足整个生物发酵工业的培养基原料需求。

基于秸秆常压SO₃微热爆预处理及其组分高效分离的技术基础，开展秸秆综纤维素作为淀粉的替代碳源用于头孢菌素C发酵的技术研究与工程放大，结合秸秆综纤维素固态糖化技术开发，形成一套低成本的头孢菌素C发酵新工艺。

研究形成的成果将有望解决当前头孢菌素C发酵生产过程中，以淀粉作为碳源所形成的“与人争粮”的危机，降低生产成本；更是实现农业生物质资源循环利用、提升农业生物质增值化利用的有效出路；最终将有助于推动秸秆类低值非粮生物质生物炼制技术与生物发酵工业产业水平的提升，并带动相关产业的发展。

关键词：秸秆、头孢菌素C、发酵、技术

1.1国内外现有技术状况概述

1）秸秆预处理技术

目前主流工艺有壳牌-Iogen公司的稀酸预处理工艺和杜邦-杰能科的氨爆预处理工艺等，这两条技术路线都计划在近期建设工业化示范装置。原料预处理技术研发的主要趋势包括以下几点：（1）降低预处理过程的能量输入，节能降耗，有利于降低预处理成本；（2）在预处理过程中最大程度降低综纤维素的损失率，提高木质素的剥离率，同时尽量减少对后续酶解和利用有抑制作用的产物生成；（3）尽量采用廉价的化学品辅料，且不产生有害残余物；（4）有利于降低后续产物分离和后期加工的工序与能耗。

合肥工业大学姚日生教授课题组所开发的秸秆常压SO₃微热爆预处理及其组分高效分离技术，各项指标均符合当前木质纤维素预处理技术的引领性趋势要求。

安徽悦康制药与合肥工业大学姚日生教授课题组合作，利用其开发的秸秆常压SO₃微热爆预处理技术，开展了工业放大和产业化开发，具备了坚实的原料来源与技术基础。

2）头孢菌素C发酵工艺

在我国 “八五”、“九五”攻关期间，顶头孢霉的发酵能力、发酵过程调控以及分离纯化等方面的技术实现了质的飞跃，成功地实现了头孢菌素C的产业化。目前，国内外生产头孢菌素C主要方式是通过生物发酵、化学提炼制取头孢菌素C，国内对发酵液原料配比、温度和pH控制、预处理、补料等发酵工艺问题都有一定研究。梁万秋对头孢菌素C高产菌株发酵及发酵液预处理进行研究，对引进的高产菌株——顶头孢霉HBl07-8菌株的发酵工艺进行了优化，得到了优化后的种子瓶和发酵瓶培养基配方。佘凉群等关于碳氮源对发酵生产头霉素C的初步研究也为培养基的优化提供了经验。

总体而言，对于CPC的发酵研究，多集中于高产菌株选育、工艺改进，而对于培养基碳源研究涉及较少，在碳源的替换研究方面更是鲜见报道。

目前，头孢菌素C等抗生素主要是用工业淀粉做为碳源进行发酵合成，原材料为小麦、玉米、红薯等农作物，若能够利用自然界储存最为丰富的木质纤维素类生物质作为替代碳源，将极大力度的解决“与人争粮”这一难题。

1.2与现有技术相比较，本技术关键在于：

1）替代现有淀粉碳源，优化了基于秸秆综纤维素的发酵培养基配方与发酵工艺，建立基于农业生物质--秸秆为碳源的头孢菌素C的发酵新工艺；

2）开展中试规模的发酵液流变特性与发酵特性研究，进行发酵设备的优化与设计选型，实现了产业化开发。

技术及最终产品原料来源。

以农业生物质秸秆（稻草、玉米秸秆、麦秸秆）为原料，对基于利用秸秆综纤维素发酵生产头孢菌素C的关键技术进行研究。

所依托的技术基础为：

1）项目承担单位安徽悦康凯悦制药有限公司成熟的头孢菌素C发酵生产技术；已建成的1000 t/a的头孢菌素C的生产线。

2）合作单位合肥工业大学姚日生课题组所开发的秸秆木质纤维素材料的SO₃微热爆预处理技术，该技术已通过国家863项目《秸秆资源化综合利用的关键技术集成与工程示范（SS2014AA021902)》与安徽省科技攻关项目《秸秆常压微热爆预处理及其高效分离的关键技术开发（1301032144）》的攻关与实施得以完善与验证，基于此技术制备的稻草秸秆综纤维素，已成功作为替代碳源应用于头孢菌素C的发酵生产（刘兰菊，姚日生，冯丽，朱慧霞，马晓静，王淮. 稻草秸秆综纤维素糖化液发酵产头孢菌素C的研究. 化工进展，DOI：10.16085/j.issn.1000-6613）。

已取得阶段性成果，包括关键技术指标或规模：

1）优选出纤维素的碱法预处理工艺

2）建成了5000吨/年秸秆纤维素乙醇装置

3）五碳糖联产技术

通过技术改造建成了发酵法木糖醇联产阿拉伯糖中试生产线，该生产线生产规模为年产90 t阿拉伯糖、300 t木糖醇。

4）膜技术在纤维素生物炼制中的进行了应用

经研究采用木质纤维素预处理液的纳滤处理，可实现木质纤维素预处理液中抑制物和单糖的分离以及单糖的有效浓缩。

产业化意义，应用前景等

我国每年有7亿多吨农作物秸秆被废弃或露天焚烧，而且逐年递增。对其利用一直停留在传统的低值转化方式上，没有把它纳入资源的行列。秸秆的资源化利用必须面向新一代生物及化工产业, 使其真正成为工业通用原料。

近年来农业生物质--秸秆的综合利用虽然花样百出，有诸多报道见于媒体大众，但始终缺乏一个真正的龙头行业进行引导应用。而当前的诸如抗生素、有机酸等工业生物发酵行业，其培养基中利用的碳源组分与秸秆的综纤维素组分本质上是相同的，都是葡萄糖。如果能打通这两者之间的壁垒，不仅能为秸秆的综合利用找到一个广泛的天地，引导秸秆综合利用产业的快速发展，而且将十分利于工业生物发酵行业降低生产成本，为该行业彻底解决发酵中“与人争粮”危机提供一条康庄大道。

5、主要研究内容

1）确立基于秸秆为碳源的培养基配方

依托合作单位原创性开发的技术基础，以工业菌株作为发酵菌种，以头孢菌素C的发酵效价为指标，考察培养基中诸如综纤维素糖化液添加形式与添加量、综纤维素（添加量、尺度）、纤维素酶、玉米浆、油脂、pH等单因素对发酵的影响，同时，考察发酵过程中总糖、单糖等组分的含量变化，监测粘度、体积溶氧系数、生物量、菌体形态等发酵特性的变化，明确主要影响因素；通过响应面法优化该培养基的组成，确立最终的培养基配方。

2）建立基于新培养基配方的头孢菌素C的发酵工艺

在确立优化后的培养基配方基础上，考察接种量、通气量、温度、转速、装液量等单因素对发酵的影响，同时，考察发酵过程中总糖、单糖等组分的含量变化，监测粘度、体积溶氧系数、生物量、菌体形态等发酵特性的变化，明确主要影响因素；随后通过响应面法优化该发酵工艺参数，结合分离纯化方法的优化，确立最终的发酵工艺。

3）秸秆为替代碳源发酵生产头孢菌素C的产业化开发

在小试的基础上，开展头孢菌素C的中试发酵生产。重点研究在中试规模下，发酵过程中发酵液的流变特性、溶氧状态、菌体形态等发酵特性，基于此发酵特性优化所需的搅拌装置与发酵设备，以及分离纯化工艺，完成基于秸秆为替代碳源发酵生产头孢菌素C的产业化开发。