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盘点 | 十二五”863计划绿色生物制造工艺研究成果回顾
来源:中国生物技术网   发布者:ailsa   日期:2017-11-22   今日/总浏览:1/1890

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绿色生物制造工艺是清洁生产、零排放工艺,是从化学反应的“始端”着手,控制和防止污染产生的有效手段,主要包括轻工业(皮革、纺织、造纸)绿色生物工艺、食品加工绿色生物工艺、化工制药绿色生物工艺等。

“十二五”期间,国家863计划在绿色生物制造工艺方面,针对传统医药、轻纺、食品、化工等工业的工艺需求,围绕资源与过程替代,重点研究了工业酶分子改造、生物催化、生物炼制、先进发酵和生物产物分离纯化等先进绿色生物工艺技术,突破了工业酶分子改造与规模化表达制备、工业生物催化转化、新型高效的发酵过程优化与放大等关键技术,取得了系列重大成果。现简要回顾如下,与广大读者分享。

成果一:

过程集成与清洁化生产酵母核苷酸

核苷酸是婴幼儿奶粉母乳化配方的重要成分,对婴幼儿发育具有十分重要的生理功能,其生产方法有化学合成法和酵母核糖核酸酶解法两种。美国食品化学品法典(FCC)明确规定婴幼儿食品中添加的核苷酸必须来自酵母核糖核酸的水解物,而从酵母培养到核苷酸生产存在技术涉及面宽、起点高、难度极大等问题。针对核苷酸生产工艺存在的问题,我国科研工作人员在高浓度核酸酵母细胞规模化培养、核苷酸酶解和分离纯法工艺等产业关键技术上取得了重大突破。建立了高浓度核酸酵母细胞的大规模连续培养,培养效率提高了230%;发明了水相逐级分离的新方法,用于制备核糖核酸、多糖等多种产品;首创了固定化连续产核酸酶P1的新技术,与国际知名酶制剂公司相比,酶活提高近2.3倍;发明了色谱-膜分离耦合与反应-结晶等过程集成的新技术,解决了分离过程收率低、污染物排放大以及产品质量不稳定等问题,核苷酸平均结晶收率较其他方法提高5-10%,产品质量明显改善,同时能耗、污染物排放下降30%以上。利用该技术建成了国际上规模最大、技术最先进的酵母-核糖核酸-核苷酸生物制造生产线。目前该产品占有国内知名品牌中2/3以上的市场,产品已大量进入欧美等国际知名公司,全球四罐添加核苷酸的高端奶粉中有一罐使用本技术产品,年新增销售额达6.7亿元,年新增利税近2.3亿元。该成果获得2015年国家技术发明二等奖和中国石油与化工联合会技术发明一等奖,显著推动了我国婴幼儿奶粉等高端产业的发展,为我国的高端乳业、高端饲料添加剂及饲养业的转型升级做出了重要贡献。

成果二:

饲料用酶技术创新与产业化

饲料用酶是一类应用效果极为显著的新型绿色饲料添加剂,能显著提高饲料消化率和转化率、消除抗营养因子、降低饲料成本和养殖业环境污染,从而提高畜牧业的综合经济效益,市场前景极为广阔。但其性能、成本、知识产权和可持续研发等因素仍然制约着饲料酶的广泛应用。针对饲用酶产业化应用的关键技术障碍,我国科研工作人员建立了有效的酶分子改良技术体系,显著提高酶的稳定性、作用范围和催化效率,解决了酶的性能问题;通过促表达因子的挖掘利用与合理整合、受体菌株的改良等方法,实现了改良酶的高效表达,解决了饲料用酶表达量低、生产成本高的问题,为饲料用酶的产业化生产和大规模应用提供了技术保障;完善了饲料用酶制剂高效生产和综合配套应用技术,实现了饲料行业急需的木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、酸性纤维素等5种酶产品的低成本产业化生产,在1200余个饲料厂和10000多家养殖场推广应用,为行业的健康可持续发展提供科技支撑。该成果获得2014年国家科技进步奖二等奖、大北农科技奖特等奖以及2016年中国产学研合作创新成果奖一等奖和中国专利优秀奖等。

成果三:

麻类生物脱胶的酶制剂开发与产业化

麻类纤维是传统纺织工业原料,也是新兴生物质产业的基础材料。脱胶是麻类纤维加工过程中的基础、关键工序,通过除去原料苎麻中25%的果胶、半纤维素等键合型非纤维素物质,可提高纤维的品质和利用价值。我国是麻类种植和麻纤维使用大国,每年约有70万吨原麻的处理需求,而传统沤麻、化学脱胶技术,成本高、应用效能低,现有酶法脱胶存在酶活低、稳定性差等问题,制约着麻类应用的发展。针对麻类生物脱胶酶以及酶法脱胶工艺中存在的问题,我国科研工作人员重点开展了适用麻类生物脱胶的新型酶制剂的研制,创新绿色生物脱胶工艺,并实现产业化应用。建成了年产万吨以上的苎麻精干麻的脱胶示范生产线,精干麻品质显著提高,生物酶法脱胶比传统化学脱胶可减少化工原料约70%,节煤约52%,节水约60%,COD排放减少约60%。利用该技术建成两条千吨级(4000吨和7000吨)苎麻生物酶法脱胶生产精干麻新工艺示范生产线,新增产值10亿元左右。建立的绿色苎麻精干麻的脱胶示范生产线,节能减排,降低环境污染,为我国经济增长方式的转变做出了重要贡献。

成果四:

酶法生物印染新工艺

传统印染工艺具有化学试剂使用量大、能耗高、污水处理任务重和成本高等缺点。针对传统印染工艺存在的问题,我国科研工作人员以角质酶、碱性果胶酶、过氧化氢酶为主要对象,结合分子改造技术提高酶对高温、酸碱等耐受性,根据产酶、代谢过程动力学特性,确定酶发酵过程的分阶段控制策略和流加发酵优化方法等系统优化体系;针对棉纤维加工过程中酶的应用特性、作用效果和动力学过程,对酶加工过程进行优化和控制研究;针对不同纤维集合体(散纤维、纱线等)及其相应生产设备,建立生物酶催化印染新工艺。酶法生物印染工艺比传统工艺能耗减少42.9%,水耗减少32%,化学试剂用量减少达35%以上,成本降低40.5%。利用该技术建成年处理10亿米棉布的生物印染全酶法生物处理示范线1条,产生经济效益12亿元。该成果获得2013年度中国纺织工业联合会科学技术奖三等奖。

成果五:

鞣花酸酶法清洁生产工艺

鞣花酸是一种多酚二内酯,是没食子酸的二聚衍生物,具有抗突变、抗癌变的作用,已广泛应用于食品、医疗、医药领域,发达国家如美、欧、日等国都有以其为主要原料的保健食品出售,且需求量逐年增加。但国内鞣花酸生产主要利用五倍子单宁为原料提取,且提取率低,难以迈出国内市场。现代药理学研究表明,石榴酒渣及加工废弃物中所含安石榴甙及鞣花酸具有重要的生理功能,我国科研工作人员致力于利用大宗工业发酵废弃菌渣资源制备高附加值产品的技术开发,通过开展以石榴酒渣及加工废弃物为原料制备鞣花酸、安石榴甙等产品的工艺研究与工业应用工作,研发了石榴酒渣及加工废弃物精深加工成套新技术,发明了大孔吸附树脂纯化安石榴甙的工艺和甲醇结晶制备高纯度鞣花酸的新方法,建立了以石榴皮为原料酶法制备鞣花酸的工业生产线。通过这种技术获得了高纯度的鞣花酸,产品纯度大于90%,石榴皮中鞣花酸含量由1%增加至9.3%,产品纯度及外观均达到美国标准,产品累计出口创汇3500万美元,创造了良好的经济效益,为我国果酒糟渣废弃物高值化利用提供了典型范例。该成果获得教育部高等学科科学研究技术发明二等奖。

成果六:

聚唾液酸的发酵工艺开发与产业化生产

聚唾液酸是一种重要、很有潜力的生物多糖,主要应用于药物蛋白修饰、神经细胞组织工程和药物缓释材料等。聚唾液酸只能通过微生物发酵获得,其主要特点为非免疫原性和良好生物相容性。我国科研工作人员围绕聚唾液酸的高聚合度和高效生产开展了深入系统地研究,并成功开发了聚唾液酸在多个领域的应用技术。建立和优化了聚唾液酸分子量稳定性发酵控制工艺,10 m3发酵罐上中,发酵48 h,聚唾液酸产量达到5.9 g/L,聚合度最高可达800 DP,聚唾液酸品质稳定,各项技术指标已达到目前国际最高水平。利用该技术建立了年产1000 kg聚唾液酸的规模化生产线,首次在国际上实现聚唾液酸商业化生产。开发的聚唾液酸与聚乙二醇(PEG)、透明质酸等聚合物复合技术,可分别应用于蛋白药物改性和注射微整型填充材料。

聚唾液酸的生产工艺

成果七:

L-阿拉伯糖的生产工艺创新技术

L-阿拉伯糖,又称树胶醛糖、果胶糖,在健康食品、医药中间体等领域具有重要应用。然而目前的L-阿拉伯糖生产工艺存在能耗高、收率低、成本高等问题。我国科研工作人员针对L-阿拉伯糖发酵和色谱提纯工艺进行技术改造,将先发酵改为后发酵,每年可节约蒸汽大约4200吨;将色谱三组份分离改为四组份分离,提高L-阿拉伯糖和木糖的含量和收率,L-阿拉伯糖含量由60%提高至70%,收率由85%提高至约90%,木糖含量由65%提高至70%,收率由83%提高至88%;同时将L-阿拉伯糖进行了重结晶,纯度达到99.5%以上,木糖含量控制在0.09%以下,达到医药原料的产品质量标准。优化后的工艺技术,达到了提高产品质量并降低生产成本的目的,建立了L-阿拉伯糖的生物法产业化生产线,实现了L-阿拉伯糖产品以及医药中间体产品生产,年新增产值1.3亿元,该成果获得济南市科学技术奖一等奖。

生物质原料预处理和木糖醇的高效生物转化

绿色生物制造工艺有效拓展了产业链,增加了产业规模,实现了节能减排,推动形成了产业链驱动的创新发展新经济态势,为我国培育战略性新兴产业提供了重要途径。

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