“十二五”863計劃綠色生物制造工藝研究成果回顧

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樓主 2020-05-22 12:49:27
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【材料+】說:

在剛剛結束的新材料國際發展趨勢高層論壇上,譚天偉院士指出生物基產品已舉足輕重并將蓬勃發展,生物制造的原料和產品可直接參與現有的石油化工煉制路線,創造新的產業鏈和新的經濟增長點。

“十二五”期間,國家863計劃在綠色生物制造工藝方面,針對傳統醫藥、輕紡、食品、化工等工業的工藝需求,圍繞資源與過程替代,重點研究了工業酶分子改造、生物催化、生物煉制、先進發酵和生物產物分離純化等先進綠色生物工藝技術,突破了工業酶分子改造與規模化表達制備、工業生物催化轉化、新型高效的發酵過程優化與放大等關鍵技術,取得了系列重大成果。現簡要回顧如下,與廣大讀者分享。


成果一:

過程集成與清潔化生產酵母核苷酸

核苷酸是嬰幼兒奶粉母乳化配方的重要成分,對嬰幼兒發育具有十分重要的生理功能,其生產方法有化學合成法和酵母核糖核酸酶解法兩種。美國食品化學品法典(FCC)明確規定嬰幼兒食品中添加的核苷酸必須來自酵母核糖核酸的水解物,而從酵母培養到核苷酸生產存在技術涉及面寬、起點高、難度極大等問題。針對核苷酸生產工藝存在的問題,我國科研工作人員在高濃度核酸酵母細胞規模化培養、核苷酸酶解和分離純法工藝等產業關鍵技術上取得了重大突破。建立了高濃度核酸酵母細胞的大規模連續培養,培養效率提高了230%;發明了水相逐級分離的新方法,用于制備核糖核酸、多糖等多種產品;首創了固定化連續產核酸酶P1的新技術,與國際知名酶制劑公司相比,酶活提高近2.3倍;發明了色譜-膜分離耦合與反應-結晶等過程集成的新技術,解決了分離過程收率低、污染物排放大以及產品質量不穩定等問題,核苷酸平均結晶收率較其他方法提高5-10%,產品質量明顯改善,同時能耗、污染物排放下降30%以上。利用該技術建成了國際上規模最大、技術最先進的酵母-核糖核酸-核苷酸生物制造生產線。目前該產品占有國內知名品牌中2/3以上的市場,產品已大量進入歐美等國際知名公司,全球四罐添加核苷酸的高端奶粉中有一罐使用本技術產品,年新增銷售額達6.7億元,年新增利稅近2.3億元。該成果獲得2015年國家技術發明二等獎和中國石油與化工聯合會技術發明一等獎,顯著推動了我國嬰幼兒奶粉等高端產業的發展,為我國的高端乳業、高端飼料添加劑及飼養業的轉型升級做出了重要貢獻。

圖1 酵母核苷酸生產線實景


成果二:

飼料用酶技術創新與產業化

飼料用酶是一類應用效果極為顯著的新型綠色飼料添加劑,能顯著提高飼料消化率和轉化率、消除抗營養因子、降低飼料成本和養殖業環境污染,從而提高畜牧業的綜合經濟效益,市場前景極為廣闊。但其性能、成本、知識產權和可持續研發等因素仍然制約著飼料酶的廣泛應用。針對飼用酶產業化應用的關鍵技術障礙,我國科研工作人員建立了有效的酶分子改良技術體系,顯著提高酶的穩定性、作用范圍和催化效率,解決了酶的性能問題;通過促表達因子的挖掘利用與合理整合、受體菌株的改良等方法,實現了改良酶的高效表達,解決了飼料用酶表達量低、生產成本高的問題,為飼料用酶的產業化生產和大規模應用提供了技術保障;完善了飼料用酶制劑高效生產和綜合配套應用技術,實現了飼料行業急需的木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、酸性纖維素等5種酶產品的低成本產業化生產,在1200余個飼料廠和10000多家養殖場推廣應用,為行業的健康可持續發展提供科技支撐。該成果獲得2014年國家科技進步獎二等獎、大北農科技獎特等獎以及2016年中國產學研合作創新成果獎一等獎和中國專利優秀獎等。

圖2?飼用酶的規模化生產線


成果三:

麻類生物脫膠的酶制劑開發與產業化

麻類纖維是傳統紡織工業原料,也是新興生物質產業的基礎材料。脫膠是麻類纖維加工過程中的基礎、關鍵工序,通過除去原料苧麻中25%的果膠、半纖維素等鍵合型非纖維素物質,可提高纖維的品質和利用價值。我國是麻類種植和麻纖維使用大國,每年約有70萬噸原麻的處理需求,而傳統漚麻、化學脫膠技術,成本高、應用效能低,現有酶法脫膠存在酶活低、穩定性差等問題,制約著麻類應用的發展。針對麻類生物脫膠酶以及酶法脫膠工藝中存在的問題,我國科研工作人員重點開展了適用麻類生物脫膠的新型酶制劑的研制,創新綠色生物脫膠工藝,并實現產業化應用。建成了年產萬噸以上的苧麻精干麻的脫膠示范生產線,精干麻品質顯著提高,生物酶法脫膠比傳統化學脫膠可減少化工原料約70%,節煤約52%,節水約60%,COD排放減少約60%。利用該技術建成兩條千噸級(4000噸和7000噸)苧麻生物酶法脫膠生產精干麻新工藝示范生產線,新增產值10億元左右。建立的綠色苧麻精干麻的脫膠示范生產線,節能減排,降低環境污染,為我國經濟增長方式的轉變做出了重要貢獻。

圖3 苧麻生物酶法脫膠生產精干麻工藝示范生產線


成果四:

酶法生物印染新工藝

傳統印染工藝具有化學試劑使用量大、能耗高、污水處理任務重和成本高等缺點。針對傳統印染工藝存在的問題,我國科研工作人員以角質酶、堿性果膠酶、過氧化氫酶為主要對象,結合分子改造技術提高酶對高溫、酸堿等耐受性,根據產酶、代謝過程動力學特性,確定酶發酵過程的分階段控制策略和流加發酵優化方法等系統優化體系;針對棉纖維加工過程中酶的應用特性、作用效果和動力學過程,對酶加工過程進行優化和控制研究;針對不同纖維集合體(散纖維、紗線等)及其相應生產設備,建立生物酶催化印染新工藝。酶法生物印染工藝比傳統工藝能耗減少42.9%,水耗減少32%,化學試劑用量減少達35%以上,成本降低40.5%。利用該技術建成年處理10億米棉布的生物印染全酶法生物處理示范線1條,產生經濟效益12億元。該成果獲得2013年度中國紡織工業聯合會科學技術獎三等獎。

圖4 生物酶和生物印染工業化生產車間和相關印染產品


成果五:

鞣花酸酶法清潔生產工藝

鞣花酸是一種多酚二內酯,是沒食子酸的二聚衍生物,具有抗突變、抗癌變的作用,已廣泛應用于食品、醫療、醫藥領域,發達國家如美、歐、日等國都有以其為主要原料的保健食品出售,且需求量逐年增加。但國內鞣花酸生產主要利用五倍子單寧為原料提取,且提取率低,難以邁出國內市場。現代藥理學研究表明,石榴酒渣及加工廢棄物中所含安石榴甙及鞣花酸具有重要的生理功能,我國科研工作人員致力于利用大宗工業發酵廢棄菌渣資源制備高附加值產品的技術開發,通過開展以石榴酒渣及加工廢棄物為原料制備鞣花酸、安石榴甙等產品的工藝研究與工業應用工作,研發了石榴酒渣及加工廢棄物精深加工成套新技術,發明了大孔吸附樹脂純化安石榴甙的工藝和甲醇結晶制備高純度鞣花酸的新方法,建立了以石榴皮為原料酶法制備鞣花酸的工業生產線。通過這種技術獲得了高純度的鞣花酸,產品純度大于90%,石榴皮中鞣花酸含量由1%增加至9.3%,產品純度及外觀均達到美國標準,產品累計出口創匯3500萬美元,創造了良好的經濟效益,為我國果酒糟渣廢棄物高值化利用提供了典型范例。該成果獲得教育部高等學科科學研究技術發明二等獎。

圖5 鞣花酸的酶法生產工藝


成果六:

聚唾液酸的發酵工藝開發與產業化生產

聚唾液酸是一種重要、很有潛力的生物多糖,主要應用于藥物蛋白修飾、神經細胞組織工程和藥物緩釋材料等。聚唾液酸只能通過微生物發酵獲得,其主要特點為非免疫原性和良好生物相容性。我國科研工作人員圍繞聚唾液酸的高聚合度和高效生產開展了深入系統地研究,并成功開發了聚唾液酸在多個領域的應用技術。建立和優化了聚唾液酸分子量穩定性發酵控制工藝,10?m3發酵罐上中,發酵48?h,聚唾液酸產量達到5.9 g/L,聚合度最高可達800 DP,聚唾液酸品質穩定,各項技術指標已達到目前國際最高水平。利用該技術建立了年產1000 kg聚唾液酸的規模化生產線,首次在國際上實現聚唾液酸商業化生產。開發的聚唾液酸與聚乙二醇(PEG)、透明質酸等聚合物復合技術,可分別應用于蛋白藥物改性和注射微整型填充材料。

圖6 聚唾液酸的生產工藝


成果七:

L-阿拉伯糖的生產工藝創新技術

L-阿拉伯糖,又稱樹膠醛糖、果膠糖,在健康食品、醫藥中間體等領域具有重要應用。然而目前的L-阿拉伯糖生產工藝存在能耗高、收率低、成本高等問題。我國科研工作人員針對L-阿拉伯糖發酵和色譜提純工藝進行技術改造,將先發酵改為后發酵,每年可節約蒸汽大約4200噸;將色譜三組份分離改為四組份分離,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%提高至約90%,木糖含量由65%提高至70%,收率由83%提高至88%;同時將L-阿拉伯糖進行了重結晶,純度達到99.5%以上,木糖含量控制在0.09%以下,達到醫藥原料的產品質量標準。優化后的工藝技術,達到了提高產品質量并降低生產成本的目的,建立了L-阿拉伯糖的生物法產業化生產線,實現了L-阿拉伯糖產品以及醫藥中間體產品生產,年新增產值1.3億元,該成果獲得濟南市科學技術獎一等獎。

圖7 生物質原料預處理和木糖醇的高效生物轉化

綠色生物制造工藝有效拓展了產業鏈,增加了產業規模,實現了節能減排,推動形成了產業鏈驅動的創新發展新經濟態勢,為我國培育戰略性新興產業提供了重要途徑。

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來源:新葉社

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