作者:温丹 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/27 7:29:14
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他们用绿色科技打破一个又一个垄断

 

张学礼(左)指导团队成员做实验。中国科学院天津工业生物技术研究所供图

■温丹

以可再生生物资源替代不可再生石化资源,以绿色清洁的生物制造工艺替代高能耗高污染的石化工艺,这是中国科学院天津工业生物技术研究所厌氧生物合成关键技术团队坚持的发展路径。

这支年轻且具有活力的队伍致力于用生物制造技术工艺替代传统化学合成工艺的重污染生产方式,为实现“双碳”目标探索新路径,用绿色科技助力传统产业走上高质量发展之路。

建成万吨级发酵法生产线

L-丙氨酸作为一种重要的氨基酸,在日化、医药等领域应用广泛,特别是其作为关键原料合成的新型环保螯合剂MGDA(甲基甘氨酸二乙酸),对保护水体生态环境有重大意义。

传统方法生产L-丙氨酸要从石油基顺酐出发,需经过五步转化反应,既复杂又会产生反应损耗。此外,每生产1吨L-丙氨酸会产生255立方米的二氧化碳,生产成本居高不下的同时环保压力巨大,严重制约了其下游应用。

厌氧生物合成关键技术团队瞄准这一产业需求,开发出厌氧发酵L-丙氨酸技术。与化工路线相比,该工艺步骤简单、原料可再生、生产效率高,产品全生命周期二氧化碳零排放、更绿色清洁,生产成本较传统技术降低约50%。

基于该技术,2010年起该团队与安徽相关企业开展合作,建成了国际上最大的万吨级发酵法生产线,产品国际市场占有率由18%提升到60%以上,新增产值28.8亿元。这是国际上首次实现发酵法L-丙氨酸的产业化,颠覆了传统化工生产方式,在氨基酸行业百年发展历史中首次实现厌氧发酵。

L-丙氨酸作为主营产品,在推动企业走上高质量发展之路的同时,还推动了新型环保螯合剂MGDA的推广应用,生态环保效益显著。

打破壁垒实现厌氧发酵产业化生产

在深耕L-丙氨酸技术的过程中,团队发现了另一种必需氨基酸——L-缬氨酸。

L-缬氨酸在饲料添加剂等领域应用广泛,有助减少饲料中粗蛋白的添加量、降低饲料成本,从而解决我国大豆对外依存度高等问题。

与L-丙氨酸合成相比,L-缬氨酸合成路径更长、细胞代谢更复杂,因此其设计和改造过程更加困难。这是多年来氨基酸产品无法实现厌氧发酵的关键原因。

“科研人员应集中精力面向经济主战场、面向国家重大需求,做对国家和人民真正有用的科研。”这是研究团队负责人、中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张学礼一直强调的。为了解决这些技术难题,他带领团队成员在项目初期加班加点走访企业,开展广泛调研、严密设计,从不可行到理论可行,再到实际可行,最终实现技术突破。

“理论可行是很重要的一步,就像盖房子需要图纸,细胞工厂创建也要先画图纸。图纸有了,细胞工厂的改造才能开始。”张学礼说,这是个不断试错的过程,产品的产业化落地最重要,但有很多产品在实验室里效果好,一上生产线参数就不行,因此研究人员要有很大的耐心。能实现产业化的技术是经过千锤百炼的。”张学礼说。

他充分调动和发挥团队成员的优势与技术特色,培养了一批业务能力突出的优秀青年科研工作者,带领他们设计并创建了L-缬氨酸厌氧发酵细胞工厂,实现了以葡萄糖为原料在厌氧发酵条件下一步发酵生产L-缬氨酸,获得了L-缬氨酸的新型工业菌种并成功实现了万吨级产业化生产。其糖酸转化率高达58%,与目前主流好氧发酵技术水平相比提升25%以上。同时,厌氧发酵L-缬氨酸技术资源消耗显著降低,每生产1吨L-缬氨酸可节约葡萄糖原料0.5吨以上。

该技术打破了国际巨头的专利技术壁垒,使L-缬氨酸成为继L-丙氨酸之后,国际上第二个实现厌氧发酵产业化生产的氨基酸产品。

推动传统有机酸生产工艺绿色转型

事实上,团队创制的厌氧发酵技术和底盘菌株,除了在氨基酸领域大显身手外,在有机酸领域也有用武之地。

丁二酸作为一种优秀的平台化合物,是生产生物降解塑料PBS(聚丁二酸丁二醇酯)的关键聚合单体。但目前丁二酸的生产都基于石油化工路线,高能耗高污染、成本居高不下,制约了PBS的产业发展。

团队基于绿色生物路线,将糖酸转化率提升至1.02g/g ,达理论最大转化率的91%,为国际报道最高水平,同时获得适应高渗透胁迫的工业菌种,显著提高了丁二酸的发酵产量。

相关公司基于该技术,建成了国内首条年产2万吨丁二酸的生产线,生产成本相比石化路线下降20%,新增产值3亿元,推动了化学品制造传统工艺的绿色转型,为PBS生物降解塑料产业的发展奠定了技术基础。

此外,研究团队瞄准了另一个在农业、化工及医药行业广泛应用的产品——D-乳酸。

高光学纯度D-乳酸是可降解塑料聚乳酸的关键聚合单体,其发酵生产的关键技术被国外相关公司垄断,价格居高不下。

为此,团队构建了可利用简单无机盐培养基的工业菌种,通过厌氧发酵技术显著提升了D-乳酸的光学纯度,降低了生产成本。合作企业在此基础上,建成了国内首条年产万吨级高光纯D-乳酸生产线,国际市场占有率达80%。

打破一个又一个垄断,建立一条又一条生产线,研究团队十年如一日坚守绿色科技发展路径。

未来,团队将进一步瞄准国家重大需求,挑战攻关重大科学问题,沿着“研究真问题”的方向继续努力,用绿色科技引领和支撑传统产业升级与高质量发展。

(作者单位:中国科学院天津工业生物技术研究所)

 
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