崛起中的绿色化工新产业

6月8日科学时报 2010-06-10

    进入21世纪以来,随着全球经济的高速发展,环境问题已成为国际社会关注的焦点。就中国而言,环境污染严重,生态系统退化加剧,污染物无害化处理能力低……在严峻的形势面前,要保持经济的持续快速增长,实现环境质量的改善,环境科技的创新无形中已被提升到了战略的高度。
 
    在中国科学院微生物研究所,有一支坚韧不拔的团队。他们几十年如一日,全心致力于生物合成法生产长链二元酸的研发,先后获得7项发明专利和多项国际领先水平的科研成果,实现了长链二元酸的规模化工业生产。1998年至今,已建成3座千吨级和2座万吨级规模生产工厂,年总生产能力超过5万吨,成为中国独有的、拥有自主知识产权的新兴绿色化工产业,使中国成为当今国际上唯一一个能够应用生物合成技术实现多种长链二元酸工业化生产的国家。
 
    艰难的起步
 
    20世纪70年代,中国科学院院士方心芳组建烃代谢组并扎实实践,开拓了一个全新的石油工业微生物的领域,开展了微生物发酵生产长链二元酸的研究和开发。
 
    在微生物正烷烃代谢产物和代谢途径的基础理论研究中,他们发现酵母菌、细菌、丝状真菌等许多微生物能够同化石油中的正构烷烃而生长,氧化正烷烃生产醇、醛、脂肪酸、酯以及二羧酸,尤其是酵母菌氧化正烷烃之后,能产生和积累短链二元酸(如丙二酸、丁二酸等)。虽然其数量微小,只能用最原始的纸层析分析手段分离鉴定,但却引起了方心芳和课题组成员们的极大兴趣。
 
    1974年,课题组转入微生物发酵生产混合长链二元酸的应用开发研究。刘祖同、陶增鑫、陈远童等多位专家学者都投入到了采样、分离、筛选、诱变和鉴定以及生产菌种的改良和培育工作中。很快,他们就从702株酵母菌中选出的一株热带假丝酵母(Candida tropicalis No.1230),经亚硝基胍和紫外线的反复诱变和筛选,获得了一株较优的突变株U3-21(1230→ND30→T25-14→U3-21)作为生产菌株,实验室摇瓶试验测得产酸水平从1230的4.6g/L提高到U3-21的24.3g/L。
 
    为加快研究进度,从1977年起团队分成了两个小组,一组从事二元酸合成酶的理论研究,另一组进行混合长链二元酸的应用研究。经过对U3-21发酵200#轻蜡油产生混合长链二元酸的摇瓶条件试验之后,他们与中科院微生物所中试车间合作进行了30L、240L、1000L发酵罐的扩大试验,初步确定了工艺路线。第二年,他们又与上海溶剂厂协作进行了5000L发酵罐规模的中型试验,产酸水平最低为48.5g/L,最高为77.2g/L,平均达62.5g/L。同年12月,微生物发酵生产混合长链二元酸通过中试鉴定。1979年该研究荣获国家发明奖三等奖,1980年获得上海市重大科研成果奖三等奖。1981年,又与上海溶剂厂合作,用生产混合长链二元酸的生产菌株U3-21和工艺条件分别以正十二烷和正十三烷为原料,发酵生产十二碳二元酸(DC12)和十三碳二元酸(DC13)的5000L发酵罐规模中试,DC12和DC13的发酵产酸水平都在50g/L左右。1984年,正烷烃发酵生产长链单一二元酸获中科院科技成果奖二等奖。
 
    毫无疑问,走过最初的艰难,生物合成法生产长链二元酸的研发已经显现出其生命力。
 
    引领国际水平的成果
 
    开拓一个领域很艰难,而要保持其持续发展更是难上加难。1980年以后,长链二元酸的研发工作几乎停滞。研发团队该何去何从?还有没有发展前途?应该如何发展?诸多的问题困扰着每一个人。
 
    直到1986年,中科院开始科研体制改革。陈远童作为方心芳院士的接班人挑起重担,从横向课题申请中获得了两笔费用,用二十几万元的资金支撑着长链二元酸的研究继续走了下去。他们以T25-14为出发菌株,经紫外线和亚硝酸的反复诱变和大量筛选,培育出两株分别高产十六碳和十七碳二元酸(DC16和DC17)的新突变菌株。经过摇瓶条件试验,确定了培养基配方并在16L发酵罐的扩大试验中取得较好成绩,产酸水平都超过100g/L,DC16为123g/L,DC17为133g/L,申请了2项国家发明专利,获得2项授权证书。
 
    由于出色的表现,陈远童力主的长链二元酸的研究得到方心芳院士的多次推荐并得到了中科院生物局的认可。尽管如此,项目的申请仍然三起三落。凭着满腔热情,陈远童与项目评审专家据理力争,终于使单一长链二元酸的研究项目列入国家“八五”攻关,获得了国家的经费支持。
 
    有了稳定的科研队伍和经费保障,陈远童带领着团队再次出发,并取得了多项开拓性成果,极大地推动了长链二元酸研发的进程。
 
    十五碳二元酸(DC15))是化工合成高级麝香型香料环十五酮和麝香酮的重要原材料,附加值极高。因为麝香酮是天然麝香中具有生理活性的主要有效成分,我国有300多种中成药需要麝香配制。然而,当时国内外研究水平还不高,DC15产酸水平只有40~60g/L,化工方法无法合成,产品供不应求。
 
    1991年到1995年间,在国家“八五”重大科技攻关项目“单一长链二元酸的开发”中,他们主攻DC15,并把攻关目标定在80g/L。经过无数次探索,他们终于培育出一株发酵正十五烷生产十五碳二元酸的高产菌株,并在中试厂进行了2500L发酵罐规模中试,DC15产酸水平达到170~180g/L,各项技术指标达到和超过攻关指标,通过中试鉴定和“八五”国家攻关验收,技术水平国际领先,申请并获得一项国家发明专利证书。1996年被国家科委、计委和财政部联合评定为国家“八五”科技攻关重大科研成果。1997年获中科院发明奖一等奖。由此,初步确立了中科院微生物所在长链二元酸研发中的国际领先地位。
 
    创新永无止境。“九五”期间,长链二元酸的研发再次取得突破性进展。在国家科委生物工程开发中心的支持下,工业化生产的大项目“十二碳二元酸工业化生产试验”项目顺利启动,目标是在20吨发酵罐中进行十二碳二元酸工业生产试验,产酸水平达到190~200g/L。“九五”期间,他们培育出一株高产新菌株,经过过程优化和20吨罐工业生产试验,产酸水平达到180~210g/L,被国家四部委联合评为国家“九五”科技攻关优秀科技成果,获1项发明专利证书和中科院发明奖三等奖。
 
    “十五”期间,他们又先后把DC13和DC14的发酵产酸水平分别提高到170~190g/L和220~240g/L。至此,中科院微生物所在生物合成生产长链二元酸系列产品中的国际领先地位已经全面确立。2005年,获1项北京市科学技术奖二等奖。2006年,获1项国家科技进步奖二等奖。
 
    付出就会有收获,陈远童与课题组的全力协作,创造了中国长链二元酸研发事业的崭新局面。
 
    光明的产业化之路
 
    将长链二元酸的研发成果能够大规模应用到工业生产中,是方心芳院士的理想,也是陈远童和课题组成员们执著追求的目标。这是因为,长链二元酸有着重要和广泛的工业用途,但在自然界中不单独存在。虽然少部分二元酸可从蓖麻籽油、菜籽油或蒜头果油中制取,但因受农田和气候限制,产量不大,而化工合成方法仅能生产十二碳二元酸(DC12),且合成步骤多,条件极其苛刻,收率低,成本高,尤其是环境污染严重,影响规模工业生产。
 
    生物合成法几乎克服了化工合成法的所有缺点,其突出优势显而易见:生产条件温和,常温常压,没有环境污染,可大规模工业化生产,是一种新发展起来的绿色化学产业;可生产含11~18个碳原子的一系列长链二元酸,满足十几大类两步开发产品的不同原料需求;成本低,附加值高。因此,尽管1992年方心芳院士的离世让课题组悲痛不已,但是陈远童和课题组的成员们依然化悲痛为力量,走上了更为艰辛的产业化之路。
 
    其实,生物合成法生产长链二元酸存在三个难点:缺少适合在油水混合体系中生长催化的高产菌株;反应系统复杂,缺乏过程控制手段;产品分离纯化难度大。为解决这些难题,他们稳扎稳打,持续创新,建立了“氧化酶活力筛选指示培养基”和“快速三步筛选法”,自主独创了高产菌株高通量快速筛选体系。近20年来,分别采用物理、化学和生物手段,通过紫外线、亚硝酸、N+注入法、亚硝基胍和基因工程等反复诱变,先后从约50万株突变株中培育出10株分别高产C12~C17二元酸的一系列优良生产菌株,产酸水平比出发株T25-14高3~4倍。
 
    同时,他们建立了“三阶段控制同步发酵法”,使产酸水平提高30%~35%。此外,他们还加入了“细胞膜透性调节剂”,使产酸水平提高20%~25%。不仅如此,他们还创建了“高效破乳剂、静止分层罐和快速分离回收残烃的方法”,独创了二元酸的后处理新工艺。经过2.5吨发酵罐规模中试和20吨或50吨发酵罐规模工业生产试验,一系列长链二元酸的发酵产酸水平达到180~240g/L,产品质量基本达到用户要求,为大规模工业化生产奠定了坚实基础。
 
    付出就会有回报。1997年底,山东淄博广通化工有限责任公司建成年产300吨二元酸的发酵工厂,发酵罐体积20吨。1999年二期工程建成,年生产能力扩大到1000吨,成为国际上首家千吨级规模的长链二元酸生物发酵厂。由于质量好,产品通过ISO 9000国家质量认证,除满足国内化工生产需要外,还远销欧美和日本。
 
    2002年底,上海凯赛控股有限公司在山东济宁地区建成一座年产7000吨长链二元酸的发酵工厂,发酵罐体积200吨,并于2003年8月正式投产,产品质量好,远销欧美等地。2006年,产量达到8000多吨,2007年底完成二期工程建设后,年生产能力扩大到1.8万吨,成为国际上首家万吨级规模长链二元酸生物合成生产工厂。
 
    2006年2月和9月,江苏淮安和南通又先后建成年产1500吨和1000吨长链二元酸的生产工厂,试生产圆满成功。淮安在50吨发酵罐上试车,十二碳和十三碳二元酸产酸水平都分别达到了210g/L和198g/L的国际最高水平。
 
    2008年,山东瀚霖生物技术公司转让中科院微生物所长链二元酸专利技术,计划集资30亿元人民币,在5年内分三期建成年生产能力6万吨长链二元酸的生产线,第一期工程年产1万吨,投资5亿元人民币,2009年7月建成试车后投产;同年10月开始年产2万吨的第二期工程的建设,目前处于设备安装调试阶段,预计七八月份试车投产。到此,该公司已经成为当今国际上规模最大的生物合成法生产长链二元酸的企业,年生产能力达3万吨以上。
 
    至今陈远童的生物合成长链二元酸的专利技术已在中国大地建成3座千吨级和2座万吨级规模生产工厂,年总生产能力超过5万多吨,年总产值可达到25亿~30亿元人民币,年创利税10亿元以上,初步形成了一个新的绿色化学产业,使中国成为当今国际上唯一能够应用生物合成技术实现一系列长链二元酸工业化生产的国家,成为长链二元酸的生产和出口大国。
 
    绿色化学,服务社会,这是陈远童心底的目标,也是他努力的方向。我们期待,正在崛起的绿色化工新产业能够取得更加长足的进步。

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