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至聚氨基酸:生物材料美化生活

时间:2021年09月17日

聚氨基酸:生物材料美化生活

● 项目名称:功能性高份子聚氨基酸生物制备关键技术与产业化利用

● 获奖级别:国家技术发明2等奖

“若用聚谷氨酸增效肥料替换目前使用肥料的20%,可年节俭肥料200万吨,相当于少建4个大型化肥厂,农民年增收500亿元。而且聚谷氨酸在精细化工、医药、水处理等领域也具有广泛的利用。聚赖氨酸作为绿色营养型食品防腐剂,则将改变我国以化学防腐剂为主要保鲜材料的历史。”谈及荣获2014年度国家技术发明2等奖的项目——功能性高份子聚氨基酸生物制备关键技术与产业化利用,南京工业大学副研究员、南京轩凯公司总经理冯小海博士对记者如此介绍道。

冯小海博士所说的聚谷氨酸和聚赖氨酸同属聚氨基酸, 是1类具有重要利用价值的生物功能高份子。由于其结构特殊、功能多样,环境友好等特性,在农业、精细化工、食品医药等领域具有广泛的利用。因此,聚氨基酸同样成为近210年来国内外研究的热门领域,但其产业化却非常困难。南京工业大学与南京轩凯生物科技有限公司合作,不但从理论层面上解决了技术困难,更实现了聚谷氨酸和聚赖氨酸的产业化,使我国聚氨基酸生产处于国际先进水平。

生物法聚氨基酸产业化受阻

目前,我国常规肥料利用率低下,以全球7%的耕地消耗了约全球1/3 的肥料。因肥料过量使用酿成的土壤板结与水体富营养化严重,土壤质量日趋恶化。研发环境友好肥料增效剂、高效利用土地资源已成为我国当前社会经济重大课题。

实践证明,聚谷氨酸作为肥料增效剂有重要利用价值,作为新1代肥料增效剂可以使肥料利用率平均提高7%⑴2%,并使作物普遍增产15%⑵5%,低相对份子质量聚谷氨酸则可用做水处理剂;聚赖氨酸则是良好的生物防腐剂。但聚氨基酸生物法制备技术难度大,生产本钱高,全球生物法制备聚氨基酸产业化进展缓慢,国内1直停留在实验室研究阶段。

“要实现聚氨基酸的产业化,就要使产物相对份子质量可控,特别是要制取超高相对份子质量的产物,但条件必须要解决3个技术并允许商业化蓬勃发展难点。”该项目总负责人、南京工业大学食品与轻工学院院长徐虹教授表示,“1是氨基酸聚合是1个新领域,菌种缺少,合成机理尚不清楚,合成的进程还伴随着降解287火灾自动报警系统。2是它的工艺进程不好控制。生物聚合需要大量氧气,但高份子发酵是高黏体系,2者相互矛盾。3是高品质产品获得10分困难,产物过于黏稠,菌体杂质包裹严重,产品品质难以保证。这些都不利于聚氨基酸的工业化。”

校企联手攻克3大困难

为解决这些困难,项目组从2000 年起1直致力于聚谷氨酸和聚赖氨酸的基础和产业化研究,并与该校学科型公司南京轩凯生物科技有限公司就生物法聚氨基酸的产业化展开合作。

据冯小海博士介绍,为提高菌种生产聚氨基酸的浓度并取得所要的相对份子质量,他们团队采取同位素示踪法和代谢组学技术构建了聚氨基酸精准的代谢网络,发现聚氨基酸菌同时存在聚合酶和降解酶这两个关键酶的特有现象,并在国际上率先对聚赖氨酸菌的基因组进行测序,解析并揭露了两个酶的基因详细信息和功能。基于以上新发现,研究团队还发明了以降解酶为“开关”调控产物相对份子质量和浓度的育种新技术,有效解决了聚氨基酸菌种挑选方法及高效菌株获得问题。

在生产进程中,聚氨基酸发酵应将张紧轮重新张紧;液黏度高,菌体去除困难,产物相对份子质量大,难以成型。研究团队又采取酸化降黏、吸附过滤手段去除蛋白菌体等杂质,并用超滤技术浓缩,取得了高纯度的产品。他们还创新采取醇析- 盐析复合成型技术取得聚氨基酸晶体,该技术解决了高纯度产品获得、成型和低值原料高效利用等问题。

在聚氨基酸实际生产放大的进程中,南京轩凯公司利用工程化手段,系统解决了发酵过黏、提取及成型困难等问题。另外他们还基于菌体能量供给自我强化的进程控制技术与设备,解决了聚氨基酸生产耗能高等困难,使产品综合能耗下降50%以上,实现了聚氨基酸的高效生产。

范围利用创造多重效益

终究,通过南京工业大学和南京轩凯公司的产学研合作,国内第1条聚谷氨酸和第1条聚赖氨酸产业化生产线在2009 年建成,产品的硬性指标全面到达或超过国际先进水平,使我国聚氨基酸处于国际先进水平。冯小海告知记者,他们生产的聚谷氨酸产品浓度较国际先进水平提高了 30%以上,底物转化率翻了1番还多,提取收率可达90%以上,乙醇用量大幅减少。聚赖氨酸生产水平和目前国际最早进的日本Chisso公司相比,在产品浓度高于对方的条件下, 发酵时间缩短了1半,提取收率达75%以上。2010年,聚氨基酸生物制备技术开始进行范围化推行利用。

目前,南京轩凯公司不但建成了国内领先的聚谷氨酸和聚赖氨酸生产线,还构成了聚氨基酸系列产品,农业级聚谷氨酸、化装品级聚谷氨酸、食品级聚赖氨酸均已进行全面销售。作为新1代肥料增效剂,聚谷氨酸绿色、安全、可食用,为肥料企业和农民创造了巨大经济效益,目前已累计有170 多万吨增效肥料使用该产品,肥料推行面积达3500 万亩以上。该增效肥料可以使食粮、经济作物平均增产15%⑵5%,其中根茎类作物可达30%以上,肥料平均利用率提高7%⑴2%,为农民增收30 多亿元。

另外,聚采取克劳斯玛菲(KraussMaffei)的ColorForm工艺氨基酸在其他领域也已构成范围化利用。化装品级聚谷氨酸作为最新的功能性保湿因子,因其具有3 倍于透明质酸(玻尿酸)的保湿效果,成为最新1代的化装品保湿剂; 聚赖氨酸作为绿色营养型食品防腐剂,将改变我国以化学防腐剂为主要保鲜材料的历史,在食品保鲜领域产生重大影响。随着聚氨基酸关键技术的产业化,其利用也将愈来愈普及,人们的生活将会因此变得更加美好。