● 項目名稱：功能性高分子聚氨基酸生物制備關鍵技術與產業化應用
● 獲獎級別：國家技術發明二等獎
“若用聚谷氨酸增效肥料替代目前使用肥料的20%，可年節約肥料200萬噸，相當于少建4個大型化肥廠，農民年增收500億元。而且聚谷氨酸在精細化工、醫藥、水處理等領域也具有廣泛的應用。聚賴氨酸作為綠色營養型食品防腐劑，則將改變我國以化學防腐劑為主要保鮮材料的歷史。”談及榮獲2014年度國家技術發明二等獎的項目——功能性高分子聚氨基酸生物制備關鍵技術與產業化應用，南京工業大學副研究員、南京軒凱公司總經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， 是一類具有重要應用價值的生物功能高分子。由于其結構特殊、功能多樣，環境友好等特性，在農業、精細化工、食品醫藥等領域具有廣泛的應用。因此，聚氨基酸也成為近二十年來國內外研究的熱點領域，但其產業化卻非常困難。南京工業大學與南京軒凱生物科技有限公司合作，不僅從理論層面上解決了技術難題，更實現了聚谷氨酸和聚賴氨酸的產業化，使我國聚氨基酸生產處于國際先進水平。
生物法聚氨基酸產業化受阻
目前，我國常規肥料利用率低下，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與水體富營養化嚴重，土壤質量日益惡化。研發環境友好肥料增效劑、高效利用土地資源已成為我國當前社會經濟重大課題。
實踐證明，聚谷氨酸作為肥料增效劑有重要應用價值，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15%-25%，低相對分子質量聚谷氨酸則可用做水處理劑;聚賴氨酸則是優良的生物防腐劑。但聚氨基酸生物法制備技術難度大，生產成本高，全球生物法制備聚氨基酸產業化進展緩慢，國內一直停留在實驗室研究階段。
“要實現聚氨基酸的產業化，就要使產物相對分子質量可控，尤其是要制取超高相對分子質量的產物，但前提必須要解決三個技術難點。”該項目總負責人、南京工業大學食品與輕工學院院長徐虹教授表示，“一是氨基酸聚合是一個新領域，菌種缺乏，合成機理尚不清楚，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，但高分子發酵是高黏體系，二者相互矛盾。三是高品質產品獲取十分困難，產物過于粘稠，菌體雜質包裹嚴重，產品品質難以保證。這些都不利于聚氨基酸的工業化。”
校企聯手攻克三大難題
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和產業化研究，并與該校學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業化展開合作。
據馮小海博士介紹，為提高菌種生產聚氨基酸的濃度并獲得所要的相對分子質量，他們團隊采用同位素示蹤法和代謝組學技術構建了聚氨基酸精準的代謝網絡，發現聚氨基酸菌同時存在聚合酶和降解酶這兩個關鍵酶的特有現象，并在國際上率先對聚賴氨酸菌的基因組進行測序，解析并揭示了兩個酶的基因詳細信息和功能。基于以上新發現，研究團隊還發明了以降解酶為“開關”調控產物相對分子質量和濃度的育種新技術，有效解決了聚氨基酸菌種篩選方法及高效菌株獲取問題。
在生產過程中，聚氨基酸發酵液黏度高，菌體去除困難，產物相對分子質量大，難以成型。研究團隊又采用酸化降黏、吸附過濾手段去除蛋白菌體等雜質，并用超濾技術濃縮，獲得了高純度的產品。他們還創新采用醇析- 鹽析復合成型技術獲得聚氨基酸晶體，該技術解決了高純度產品獲取、成型以及低值原料高效利用等問題。
在聚氨基酸實際生產放大的過程中，南京軒凱公司利用工程化手段，系統解決了發酵過黏、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化的過程控制技術與裝備，解決了聚氨基酸生產耗能高等難題，使產品綜合能耗降低50%以上，實現了聚氨基酸的高效生產。
規模應用創造多重效益
最終，通過南京工業大學和南京軒凱公司的產學研合作，國內第一條聚谷氨酸和第一條聚賴氨酸產業化生產線在2009 年建成，產品的硬性指標全面達到或超過國際先進水平，使我國聚氨基酸處于國際先進水平。馮小海告訴記者，他們生產的聚谷氨酸產品濃度較國際先進水平提高了 30%以上，底物轉化率翻了一番還多，提取收率可達90%以上，乙醇用量大幅減少。聚賴氨酸生產水平和目前國際最先進的日本Chisso公司相比，在產品濃度高于對方的前提下， 發酵時間縮短了一半，提取收率達75%以上。2010年，聚氨基酸生物制備技術開始進行規模化推廣應用。
目前，南京軒凱公司不僅建成了國內領先的聚谷氨酸和聚賴氨酸生產線，還形成了聚氨基酸系列產品，農業級聚谷氨酸、化妝品級聚谷氨酸、食品級聚賴氨酸均已進行全面銷售。作為新一代肥料增效劑，聚谷氨酸綠色、安全、可食用，為肥料企業和農民創造了巨大經濟效益，目前已累計有170 多萬噸增效肥料使用該產品，肥料推廣面積達3500 萬畝以上。該增效肥料可使糧食、經濟作物平均增產15%-25%，其中根莖類作物可達30%以上，肥料平均利用率提高7%-12%，為農民增收30 多億元。
此外，聚氨基酸在其他領域也已形成規模化應用。化妝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型食品防腐劑，將改變我國以化學防腐劑為主要保鮮材料的歷史，在食品保鮮領域產生重大影響。隨著聚氨基酸關鍵技術的產業化，其應用也將越來越普及，人們的生活將會因此變得更加美好。
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