研究团队进行规模化发酵接种操作培训。受访者供图

■本报记者 杨晨

10年前，中国科学院成都生物研究所（以下简称成都生物所）研究员闫志英团队的实验室里，一组盆栽数据让所有人眼前一亮：当用了自主研发的γ-聚谷氨酸生物肥料后，作物增产超过30%。

“成了！”大家兴奋不已，迫不及待地把生物肥料从花盆应用到大田。

现实很快浇来一盆冷水。同样的“配方”、相同的菌株、一致的施用方法，到了地里效果却很不稳定。蹲在地头的闫志英意识到，实验室里的“成了”，离真正推向市场还差着十万八千里。

这种名为γ-聚谷氨酸的高分子材料由微生物发酵产生，具有优异的保水性能，能够减少肥料淋失、提高养分利用效率。对科研人员而言，真正的难点不只在于“做出来”，更在于“稳得住、放得大、用得起”。

在反复试验摸索中，闫志英团队一步步攻克产品稳定性，工艺可放大性，投入产出比等核心难题。如今他们已联合地方企业，建成了西部最大的万吨级工业发酵生产线，在50吨级发酵规模上实现了γ-聚谷氨酸产量高于100克每升，较行业原有水平提升80%，综合成本下降约40%，推动科研成果从实验室走向标准化车间规模化生产，实现市场化推广与落地。

从250毫升的摇瓶开始

接受《中国科学报》采访时，闫志英提到一组数据：中国以全球7%的耕地消耗了世界30%的化肥，利用率仅约40%，农药用量同样居高不下。“化肥和农药的长期过量投入导致土壤板结、微生态失衡、盐碱化加剧，土壤安全和粮食安全同时受到威胁。”

闫志英深耕生物制造与合成生物学多年，深知微生物制剂是绿色农业转型的重要抓手，于是将农用微生物制剂作为研发方向，聚谷氨酸生物肥料便是其中之一。

聚谷氨酸是一种微生物合成的可降解高分子材料，生产遵循合成生物学的基本流程，核心是底盘细胞构建。闫志英介绍：“第一步是从自然界筛选能产出目标产物的微生物，随后对筛选出的菌种进行诱变或定向改造，提升性能。”

其中，定向改造就好像“基因编辑手术”，可以精准敲除无效的副产物相关的非必需基因，同时过表达关键限速酶的基因，在“一减一增”中提升聚谷氨酸的合成效率与产量。

得到优势菌种后便要对其进行发酵放大。闫志英打了个比方，就像把好的鸡苗放到农场里“养大”，发酵就是养微生物，让它越养越多。“得到的产品也分两类，‘肉鸡’活菌和‘鸡蛋’代谢产物。聚谷氨酸属于代谢产物，是生物刺激素，可直接刺激根系，起效较快。”

摇瓶，是一切的起点。通常，闫志英团队会在250毫升三角摇瓶内装入适量培养基并灭菌，随后在无菌操作台用接种环挑取改造后的菌种接入。摇瓶被放入摇床后，在一定温度条件下振荡培养，摇动带入氧气。瓶口罩着棉塞，透气且防杂菌。

两到三天的时间里，摇瓶内由澄清变浑浊，泛起细密泡沫，散发出发酵气味：微生物“活”了，正在大量繁殖。

每次实验，一个条件往往要同时做多个平行摇瓶，确保数据可靠。一个批次跑完，研发人员会取样检测γ-聚谷氨酸产量，然后调整碳源、氮源、pH值或温度，再摇下一批。

这是个花费心力的过程，其间经历无数次调试。有时候一个参数要折腾十几批摇瓶，才能找到那个“刚刚好”。

正是在这250毫升的空间里，闫志英团队初步敲定了原料配方：用哪种豆粕、葡萄糖加多少等。培养基组分确定后，他们便转向5升、50升乃至100升的小试发酵罐进行验证。

发酵是一门“艺术”

从毫升级摇瓶到升级小试罐，体积逐级增大，难度也随之攀升。

传统化工靠化学催化剂，条件稳定则结果可控。但生物是活的，涉及海量酶促反应，环境或操作稍有变化，稳定性就受影响。这正是生物放大的难点。

“摇瓶是相对静态培养，靠摇晃让液体接触空气获得氧气。罐子内部直接通气加搅拌，单单是这一点就完全不同。”闫志英团队成员、成都生物所副研究员姬高升说，同样的菌种和培养基，进了罐子可能长得慢、产量低，甚至不“干活”，“所以我们得重新摸索参数”。

他打了一个比方，微生物不像小猫、小狗，饿了会叫，不舒服会蔫。“你看不见它的表情，怎么知道它处在什么状态？”因此，精密监控发酵过程，就能在合适阶段给予最适宜的环境支持，实现全周期精准养护。例如，通过分析尾气可知呼吸强度：呼吸快，代谢活性强，可诱导合成目标产物；呼吸弱，可能原料短缺，得赶紧补料。

为了监测更多微生物的成长状态，研究人员还会动手改造小试罐。“标准发酵罐能满足常规生产，但对过程研究不够清楚。”姬高升会根据需求加装质量流量计、罐体称重仪、尾气分析仪、近红外光谱仪等在线监测装置。

“这样一来，我们就能获得更多直接参数，还能衍生出更多数据。”姬高升指出，科研需要理解机理，了解越清楚，对发酵把握越准，研发效率就越高。“但是，目前人类对生物过程的认知还十分有限。”

姬高升还指出，微生物发酵尤其是代谢产物生产，并非一味提供最优条件即可。对于γ-聚谷氨酸这类次级代谢产物，不同阶段对环境的需求差异显著。“我们发现，其生长阶段需要‘舒适区’促进增殖，产物合成阶段则要施加‘胁迫’条件才能诱导分泌。若继续‘养尊处优’，菌体反而‘不思进取’。”

“发酵是一门与微生物共同创作的艺术，非单一科学的量化框架所能界定。”姬高升引用了一位国外学者的话。

“挑食”的微生物

小试之后的中试阶段是成果转化极为重要的“过渡期”，也是阻碍众多生物制造项目走向市场的“鬼门关”。

“搞科研的如果不了解生产实际，成果终究落不了地。搞生产的如果没有专业技术指导，也容易迷失方向。”闫志英说。

γ-聚谷氨酸项目的合作方是一家拥有高塔复合肥生产线的传统化工企业。2015年，企业负责人与闫志英在一次会议上相识。当时企业正面临转型压力，想向生物制造进军，闫志英团队也希望将成果推向市场。双方一拍即合。

中试面临的第一道关仍然是发酵放大。小试的最优工艺无法直接复制到数吨级的大罐中。成都生物所助理研究员许力山举例介绍：“小试转速可达600转/分钟到700转/分钟，而5吨中试罐最高只有150转/分钟。通气量、罐压、搅拌桨叶……每一项调整都可能使入罐的微生物‘水土不服’。”

调试需要逐个优化变量，而且有些实验室表现好的菌种到了车间却是另一副模样，又得重新筛选。“前期摇瓶成本低、周期短，可以大面积铺开。到了放大阶段，罐子有限，还要衔接生产排产。规模越大，耗时越长，压力越大。”许力山说。

实验室补料可精确到每秒流加，但生产上不可能这样要求。“必须细化成阶段指令，比如发酵第10小时开始，用10分钟加完多少料。”合作企业技术中心副主任廖益说，双方根据小试数据，通过梯度实验反复摸索，最终形成规范标准的操作模式，确定的菌种、配方和流程。

实验室里形成一项成果往往需要研究多年，但企业希望快速变现，同时要控成本，寻找性价比更高的“平替”原料。“替换不是简单的‘一对一’。”廖益解释，要评估投入产出比，若利润增加，产量上的稍微减损是能被接受的。

农副产品的产地不同，产量也不一样。比如微生物的“口粮”豆粕，巴西产的和美国产的，产量能差出一截。换一家供应商就得重新验证，商务部门时常为此头疼：“有什么不一样吗？”

廖益笑称，微生物挺“挑食”，有自己偏好的“口味”和“产地”。“它虽然不会像人一样思考，但想吃啥自己晓得。”

“真金白银”的规模化

2024年5月，闫志英团队与企业合作建设的微生物发酵基地启动调试。这条生产线发酵罐总体积超400立方米，年产能超万吨，是西南地区最大的微生物发酵基地。

在生产车间，矗立着6个直径3.2米、足有3层楼高的罐子。“它们都是容量50吨的主发酵罐。中试阶段基本完成配方和工艺参数的定型，经微调后，就可以进入这里实现量产。”合作企业的生产主管罗恒介绍。

进入规模化生产后，并非就万事大吉。“发酵罐最怕染杂菌，一旦染上，整罐就废了。”罗恒算了笔账，“50吨一罐废掉，成本损失大概3万到5万元，这还只是原料，不包括人工和水电气。”

付出了“真金白银”的代价后，生产团队总结出染菌原因主要有两个：一是压缩空气含水量过高，导致过滤器失效，杂菌乘虚而入；二是灭菌不彻底，灭菌时开启搅拌、让物料翻滚均匀，才能灭透。

车间的消杀同样重要。“传统化工不太在意这一环节，但生物发酵对环境极为敏感，要像医院手术室一样‘无菌’，不只是‘无尘’那么简单。”为此，闫志英团队指导企业制定了规范操作流程。

2025年初试生产成功后，聚谷氨酸生产线已稳定运行，产品销往全国。得益于优良的菌种选育以及与之配套的工艺优化，产品分子量高，保水性和农用性能更优。同时，发酵效率大幅领先行业普遍周期，产量显著提升。

产品应用到田间后，作物叶片浓绿、根系粗壮，玉米果穗增长，马铃薯大薯率提高。“更为重要的是，γ-聚谷氨酸能改善土壤理化性质，增强保水保肥及抗旱耐盐碱能力，绿色环保。”闫志英说。