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“若用聚谷氨酸增效肥料替代目前使用肥料的20%，可年節(jié)約肥料200萬噸，相當(dāng)于少建4個大型化肥廠，農(nóng)民年增收500億元。而且聚谷氨酸在精細(xì)化工、醫(yī)藥、水處理等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用。聚賴氨酸作為綠色營養(yǎng)型食品防腐劑，則將改變我國以化學(xué)防腐劑為主要保鮮材料的歷史。”談及榮獲2014年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎的項目——功能性高分子聚氨基酸生物制備關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，南京工業(yè)大學(xué)副研究員、南京某公司總經(jīng)理馮小海博士對記者如此介紹道。
馮小海博士所說的聚谷氨酸和聚賴氨酸同屬聚氨基酸， 是一類具有重要應(yīng)用價值的生物功能高分子。由于其結(jié)構(gòu)特殊、功能多樣，環(huán)境友好等特性，在農(nóng)業(yè)、精細(xì)化工、食品醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。因此，聚氨基酸也成為近二十年來國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域，但其產(chǎn)業(yè)化卻非常困難。南京工業(yè)大學(xué)與南京某公司合作，不僅從理論層面上解決了技術(shù)難題，更實現(xiàn)了聚谷氨酸和聚賴氨酸的產(chǎn)業(yè)化，使我國聚氨基酸生產(chǎn)處于國際先進(jìn)水平。
生物法聚氨基酸產(chǎn)業(yè)化受阻
目前，我國常規(guī)肥料利用率低下，以全世界7%的耕地消耗了約全世界1/3 的肥料。因肥料過量使用造成的土壤板結(jié)與水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，土壤質(zhì)量日益惡化。研發(fā)環(huán)境友好肥料增效劑、高效利用土地資源已成為我國當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)重大課題。
實踐證明，聚谷氨酸作為肥料增效劑有重要應(yīng)用價值，作為新一代肥料增效劑可使肥料利用率平均提高7%-12%，并使作物普遍增產(chǎn)15%-25%，低相對分子質(zhì)量聚谷氨酸則可用做水處理劑;聚賴氨酸則是優(yōu)良的生物防腐劑。但聚氨基酸生物法制備技術(shù)難度大，生產(chǎn)成本高，全球生物法制備聚氨基酸產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢，國內(nèi)一直停留在實驗室研究階段。
“要實現(xiàn)聚氨基酸的產(chǎn)業(yè)化，就要使產(chǎn)物相對分子質(zhì)量可控，尤其是要制取超高相對分子質(zhì)量的產(chǎn)物，但前提必須要解決三個技術(shù)難點。”該項目總負(fù)責(zé)人、南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院院長徐虹教授表示，“一是氨基酸聚合是一個新領(lǐng)域，菌種缺乏，合成機(jī)理尚不清楚，合成的過程還伴隨著降解。二是它的工藝過程不好控制。生物聚合需要大量氧氣，但高分子發(fā)酵是高黏體系，二者相互矛盾。三是高品質(zhì)產(chǎn)品獲取十分困難，產(chǎn)物過于粘稠，菌體雜質(zhì)包裹嚴(yán)重，產(chǎn)品品質(zhì)難以保證。這些都不利于聚氨基酸的工業(yè)化。”
校企聯(lián)手攻克三大難題
為解決這些難題，項目組從2000 年起一直致力于聚谷氨酸和聚賴氨酸的基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化研究，并與該校學(xué)科型公司南京軒凱生物科技有限公司就生物法聚氨基酸的產(chǎn)業(yè)化展開合作。
據(jù)馮小海博士介紹，為提高菌種生產(chǎn)聚氨基酸的濃度并獲得所要的相對分子質(zhì)量，他們團(tuán)隊采用同位素示蹤法和代謝組學(xué)技術(shù)構(gòu)建了聚氨基酸精準(zhǔn)的代謝網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)聚氨基酸菌同時存在聚合酶和降解酶這兩個關(guān)鍵酶的特有現(xiàn)象，并在國際上率先對聚賴氨酸菌的基因組進(jìn)行測序，解析并揭示了兩個酶的基因詳細(xì)信息和功能?；谝陨闲掳l(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊還發(fā)明了以降解酶為“開關(guān)”調(diào)控產(chǎn)物相對分子質(zhì)量和濃度的育種新技術(shù)，有效解決了聚氨基酸菌種篩選方法及高效菌株獲取問題。
在生產(chǎn)過程中，聚氨基酸發(fā)酵液黏度高，菌體去除困難，產(chǎn)物相對分子質(zhì)量大，難以成型。研究團(tuán)隊又采用酸化降黏、吸附過濾手段去除蛋白菌體等雜質(zhì)，并用超濾技術(shù)濃縮，獲得了高純度的產(chǎn)品。他們還創(chuàng)新采用醇析- 鹽析復(fù)合成型技術(shù)獲得聚氨基酸晶體，該技術(shù)解決了高純度產(chǎn)品獲取、成型以及低值原料高效利用等問題。
在聚氨基酸實際生產(chǎn)放大的過程中，南京軒凱公司利用工程化手段，系統(tǒng)解決了發(fā)酵過黏、提取及成型困難等問題。此外他們還基于菌體能量供給自我強(qiáng)化的過程控制技術(shù)與裝備，解決了聚氨基酸生產(chǎn)耗能高等難題，使產(chǎn)品綜合能耗降低50%以上，實現(xiàn)了聚氨基酸的高效生產(chǎn)。
規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造多重效益
最終，通過南京工業(yè)大學(xué)和南京某公司的產(chǎn)學(xué)研合作，國內(nèi)第一條聚谷氨酸和第一條聚賴氨酸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線在2009 年建成，產(chǎn)品的硬性指標(biāo)全面達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平，使我國聚氨基酸處于國際先進(jìn)水平。馮小海告訴記者，他們生產(chǎn)的聚谷氨酸產(chǎn)品濃度較國際先進(jìn)水平提高了 30%以上，底物轉(zhuǎn)化率翻了一番還多，提取收率可達(dá)90%以上，乙醇用量大幅減少。聚賴氨酸生產(chǎn)水平和目前國際最先進(jìn)的日本Chisso公司相比，在產(chǎn)品濃度高于對方的前提下， 發(fā)酵時間縮短了一半，提取收率達(dá)75%以上。2010年，聚氨基酸生物制備技術(shù)開始進(jìn)行規(guī)?；茝V應(yīng)用。
目前，南京某公司不僅建成了國內(nèi)領(lǐng)先的聚谷氨酸和聚賴氨酸生產(chǎn)線，還形成了聚氨基酸系列產(chǎn)品，農(nóng)業(yè)級聚谷氨酸、化妝品級聚谷氨酸、食品級聚賴氨酸均已進(jìn)行全面銷售。作為新一代肥料增效劑，聚谷氨酸綠色、安全、可食用，為肥料企業(yè)和農(nóng)民創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益，目前已累計有170 多萬噸增效肥料使用該產(chǎn)品，肥料推廣面積達(dá)3500 萬畝以上。該增效肥料可使糧食、經(jīng)濟(jì)作物平均增產(chǎn)15%-25%，其中根莖類作物可達(dá)30%以上，肥料平均利用率提高7%-12%，為農(nóng)民增收30 多億元。
此外，聚氨基酸在其他領(lǐng)域也已形成規(guī)?；瘧?yīng)用?；瘖y品級聚谷氨酸作為最新的功能性保濕因子，因其具有3 倍于透明質(zhì)酸(玻尿酸)的保濕效果，成為最新一代的化妝品保濕劑; 聚賴氨酸作為綠色營養(yǎng)型食品防腐劑，將改變我國以化學(xué)防腐劑為主要保鮮材料的歷史，在食品保鮮領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。隨著聚氨基酸關(guān)鍵技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，其應(yīng)用也將越來越普及，人們的生活將會因此變得更加美好。
