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生物基材料的高效制造过程研究
阅读次数:3243 添加时间:2009-3-30 发布: 管理员

以生物催化材料的催化和转化为主要内容的工业生物技术,作为化工的重要分支,是新兴的研究领域,已成为发达国家的重要科技与产业发展战略。生物催化材料关键技术研究的开展,是我国实现化学加工业生产方式变更,产品结构调整与建立清洁高效生物加工业的有力手段,是我国提高化学工业国际竞争力的一个机遇。实验室通过两次承担了国家“973”项目“生物催化和生物转化中关键问题的基础研究”和“新一代生物催化和生物转化的科学基础”,针对传统生产工艺中存在的底物利用效率低、产品得率低、工艺流程长、能耗高、污染大、产品质量不理想等共性关键技术问题,对生物催化材料合成过程进行了系统研究,综合利用新型高效生物催化材料和化学工程的先进的分离和结晶技术,成功地应用于多个产品,大幅提高产品生产产量和品质,实现了产业技术的升级。提出的理论和工程化技术推动了我国生物催化材料行业的发展,缩短了这一领域内我国与国际先进水平的差距,取得了重大研究成果。
1、生物催化材料的获得及改造
  对于不同来源的生物催化材料产生菌株,采用多尺度培养分离,借助全自动紫外分光光度计,依据底物分解和分解程度对所产的生物催化材料的生产状况进行高通量筛选,设计底物特异性高通量筛选技术,筛选新的生物催化材料来源微生物;采用低能离子束、超高静压等新型诱变手段,结合紫外诱变等传统诱变技术,对生物催化材料产生菌进行诱变育种,通过高通量筛选得到性能优越的菌株;利用化学诱变剂在体外对生物催化材料编码分子进行突变的方法,构建分子突变库,结合定向进化手段,提高分子改造效率;通过对宿主细胞全部分泌蛋白的分子水平研究,获得能够用于高表达目标生物催化材料的系列宿主细胞,利用优化启动子和信号肽序列的组成及其匹配关系,构建一系列高表达载体,从而实现对生物催化材料的高效表达和生产。


2、生物催化材料在化工绿色生产中的应用
2.1  生物催化材料在高能磷酰化合物绿色生产中的应用
  在高能磷酰化合物的生物合成过程中,辅因子三磷酸腺苷(ATP)扮演着十分重要的角色,这是因为它不仅是合成高能磷酰化合物生物催化材料的辅助因子,同时又是生物催化材料催化磷酰化合成高能磷酰化合物中的磷酸供体。合成高能磷酰化合物的技术核心就是实现ATP的高效耦联和循环再生。结合当前公开发表的文献和酵母细胞(生物催化材料)的基本特性和理论,实验室分析了高能磷酰化合物得率不高的主要原因,通过添加稳定剂和保护剂,提高了生物催化材料的稳定性和催化活性,确保了生物催化材料在催化过程中对催化环境的适应性,为高能磷酰化合物的生物合成奠定物质基础;采用物质流量平衡模型来分析整个合成网络中的物质流量,探明了高能磷酰化合物生物催化合成过程中主要存在的合成途径,为合成网络设计提供实验基础;设计了扰动实验,判断出整体合成网络中的关键节点,研究了在不同环境条件下生物催化材料的应答及各合成途径的物质流量的变化,为定向合成调控提供了理论基础;通过化学小分子效应物对其关键节点进行调节,改变了高能磷酰化合物生物合成途径中关键生物催化材料的催化活力,放大EMP产能途径的物质流量,降低ATP的无效降解与利用,并建立高效的能量再生和能量耦联体系,实现高能磷酰化合物的定向超量生产。在这些研究结果的指导下,我们发明了生物磷酰化所必需的三磷酸腺苷的高效耦联与循环再利用体系,并应用于1,6-二磷酸果糖(FDP)和三磷酸核苷酸(NTP)等高能磷酰化合物的生物合成过程,产物产率均有大幅度的提高,大大减少了能耗和物耗,明显提高了生物合成高能磷酰化合物的效率,实现了FDP和NTP等高能磷酰化合物的超量生产,解决了高能磷酰化合物生物合成过程中底物利用效率低、产物得率低和生产成本高的问题。
2.2  生物催化材料在生物基材料绿色生产中的应用
  针对新型的生物高分子材料聚氨基酸合成机理及合成途径尚不明确而制约其高效率的生产的问题,实验室成功筛选到γ-聚谷氨酸(γ-PGA)和ε-聚赖氨酸(ε-PL)高效生物催化材料Bacillus Subtilis NX-2和Kitasatospora sp.PL6-3。在γ-PGA研究中,通过同位素示踪结合HR/MAS 核磁共振法分析了葡萄糖和谷氨酸两种碳源合成γ-PGA的途径,对γ-PGA合成的关键生物催化材料进行了分子水平的分析,发现了一些调控分子,阐明了它们的作用区域和原理与功能。通过这些研究结果,建立了PGA合成网络和物质分配平衡分析,尤其对关键节点的物质流量进行计算,采用甘油、表面活性剂等提高了PGA合成浓度,并根据需要可在一定范围内调控产物分子量。
针对微生物多糖合成途径相对复杂,研究历史不长,许多机理尚不清楚而导致合成水平普遍不高的问题,实验室自主筛选并通过大量的诱变选育工作得到一株威兰胶高产生物催化材料Alcaligenes sp.CGMCC2428,分析验证了与威兰胶合成有关的主要合成途径,成功构建威兰胶生物合成的合成网络,建立了物质分配的数学模型,并在此基础上,对产物合成所需要的能量和还原力进行深入研究,确定了威兰胶最大理论产量下所需要的最低能效,使威兰胶的生物合成达到世界先进水平。
针对微生物合成制备聚丁二酸丁二醇酯的重要单体丁二酸的厌氧生物合成过程调控机理尚不明朗,调控手段较为单一的问题,实验室通过超高静压诱变育种技术筛选到丁二酸高产生物催化材料A.succinogenes CGMCC 1716;针对其合成途径中关键催化剂可以固定CO2为底物代谢生产丁二酸,研究CO2供体形式对厌氧发酵过程中CO2固定速率以及丁二酸产率的影响,确定CO2气体为最佳供体;通过调控合成过程中氧化还原电位,丁二酸的生产速率提高了53%,生成的副产物乙酸显著减少。为进一步对丁二酸过程的调控提供理论依据,对生产丁二酸过程进行动力学分析,建立了产物形成和基质消耗随时间变化的动力学模型,在此基础上研究新型生物反应装置的过程耦合技术,综合利用反应器的控制、电化学调节的手段,以及膜原位分离提取技术,对反应体系中的底物与产物浓度、氧化还原电位、压力、温度、pH等重要参数进行综合调控,显著提高丁二酸生产强度。

3、高能磷酰化合物结晶材料的绿色生产技术
  高能磷酰化合物结晶材料是重要的化工产品,为了获得高品质的高能磷酰化合物结晶材料,需要进行分离和结晶操作。该结晶材料制备过程难度极大,因为待分离体系是一个含未转化完底物、中间产物、结构性质相似的同系物以及生物催化材料自溶产生的固形物等的复杂体系。目前国内外均采用两次不同的离子交换树脂进行分离,其工艺流程长、能耗高、操作繁琐、产品收率低、产品质量不稳定。实验室以树脂的吸附容量和分离因数为指标对多种树脂进行了筛选,并在此基础上对分离材料进行了改性,使之更适合于目标化合物的分离;针对固定床离子交换技术分离过程中树脂用量大、再生剂(酸、碱)用量和清洗水用量大、产品浓度低的问题以及采用商品化的连续离子交换系统投资大以及针对性差的问题,实验室自行设计了连续离子交换系统分离目标化合物,与商品化的连续离子交换系统相比简化了设备,且具有更加的针对性和更适合于不同体系的分离特点,实现了各个产品的分离效率分别提高了2-5倍,再生剂用量和清洗水用量下降了1倍左右,产品浓度提高了20%-30%,与固定床相比操作成本下降了50%以上,仅为商品化的模拟移动床和连续离子交换系统投资成本的1/5;针对离子交换洗脱液中目标化合物的浓度较低以及含有大量的盐的情况,根据各化合物的结构和理化特性,采用新型的纳滤膜材料分离技术实现同步脱盐和浓缩,较之传统的真空蒸发浓缩和有机溶剂脱盐技术,节约能量70%以上,洗脱剂循环再使用率达到60%以上,收率提高10%-20%。实现了目标化合物的同系化合物的高难度的连续化分离生产,大大缩短了工艺流程,解决了传统分离过程中分离效率低、环境污染大、能耗高、用水量大、产品收率低和生产成本高的问题。同时,高能磷酰化合物结晶材料是一个多羟基化合物,由于其在溶液中极易形成氢键而倾向缔合成较大分子,导致其结晶过程更加复杂。借鉴使蛋白质等大分子析出的盐析方法,耦合醇析过程来结晶该类目标化合物。为此实验室通过提高温度和降低pH的办法来降低溶液粘度,避免体系产生初级均相成核,以利于晶核的产生和生长;根据同离子效应,通过盐析和醇析的方法来刺激晶核的产生,由此发明了醇析和盐析相结合协同作用下的结晶方法来结晶该类化合物的结晶新技术,解决了该类化合物结晶难的问题,大大提高了晶体质量和收率,缩短了结晶流程和结晶周期,大幅度降低了酒精的用量,极大地大降低了生产成本,并成功制备了系列高能磷酰化合物结晶材料。
  上述几种生物催化材料在化工生产中的应用研究成果均实现了产业化,其中“高能磷酰化合物的绿色制造”成果实现了7个系列产品的规模生产,近三年企业的销售额达4亿多元,利税1个多亿,获得了2007年国家技术发明二等奖。聚氨基酸生物制造新技术在秦皇岛领先科技公司建成了年产能力500吨的生产线,聚谷氨酸在转化液中的浓度从原来的不到10g/L提高到38g/L,产物分子量可达2000KD以上,在国内外首家作为肥料增效剂商品出售,在100万亩水稻生产中使用,节约化肥20%以上。合成微生物多糖的生物催化材料在威兰胶生产企业中试验应用,仅原料成本就降低了25%以上,具有良好的应用前景。生物法丁二酸制备成果在常茂生物化学工程股份有限公司建立了一条年产500吨的生产线。这些研究成果共申请国家发明专利32项,获授权专利17项;发表SCI收录论文6篇,EI 收录论文4篇,实现技术转让5项。

 



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