他們用綠色科技打破一個又一個壟斷
張學禮（左）指導團隊成員做實驗。中國科學院天津工業生物技術研究所供圖
■溫丹
以可再生生物資源替代不可再生石化資源，以綠色清潔的生物制造工藝替代高能耗高污染的石化工藝，這是中國科學院天津工業生物技術研究所厭氧生物合成關鍵技術團隊堅持的發展路徑。
這支年輕且具有活力的隊伍致力于用生物制造技術工藝替代傳統化學合成工藝的重污染生產方式，為實現“雙碳”目標探索新路徑，用綠色科技助力傳統產業走上高質量發展之路。
建成萬噸級發酵法生產線
L-丙氨酸作為一種重要的氨基酸，在日化、醫藥等領域應用廣泛，特別是其作為關鍵原料合成的新型環保螯合劑MGDA（甲基甘氨酸二乙酸），對保護水體生態環境有重大意義。
傳統方法生產L-丙氨酸要從石油基順酐出發，需經過五步轉化反應，既復雜又會產生反應損耗。此外，每生產1噸L-丙氨酸會產生255立方米的二氧化碳，生產成本居高不下的同時環保壓力巨大，嚴重制約了其下游應用。
厭氧生物合成關鍵技術團隊瞄準這一產業需求，開發出厭氧發酵L-丙氨酸技術。與化工路線相比，該工藝步驟簡單、原料可再生、生產效率高，產品全生命周期二氧化碳零排放、更綠色清潔，生產成本較傳統技術降低約50%。
基于該技術，2010年起該團隊與安徽相關企業開展合作，建成了國際上最大的萬噸級發酵法生產線，產品國際市場占有率由18%提升到60%以上，新增產值28.8億元。這是國際上首次實現發酵法L-丙氨酸的產業化，顛覆了傳統化工生產方式，在氨基酸行業百年發展歷史中首次實現厭氧發酵。
L-丙氨酸作為主營產品，在推動企業走上高質量發展之路的同時，還推動了新型環保螯合劑MGDA的推廣應用，生態環保效益顯著。
打破壁壘實現厭氧發酵產業化生產
在深耕L-丙氨酸技術的過程中，團隊發現了另一種必需氨基酸——L-纈氨酸。
L-纈氨酸在飼料添加劑等領域應用廣泛，有助減少飼料中粗蛋白的添加量、降低飼料成本，從而解決我國大豆對外依存度高等問題。
與L-丙氨酸合成相比，L-纈氨酸合成路徑更長、細胞代謝更復雜，因此其設計和改造過程更加困難。這是多年來氨基酸產品無法實現厭氧發酵的關鍵原因。
“科研人員應集中精力面向經濟主戰場、面向國家重大需求，做對國家和人民真正有用的科研。”這是研究團隊負責人、中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張學禮一直強調的。為了解決這些技術難題，他帶領團隊成員在項目初期加班加點走訪企業，開展廣泛調研、嚴密設計，從不可行到理論可行，再到實際可行，最終實現技術突破。
“理論可行是很重要的一步，就像蓋房子需要圖紙，細胞工廠創建也要先畫圖紙。圖紙有了，細胞工廠的改造才能開始。”張學禮說，這是個不斷試錯的過程，產品的產業化落地最重要，但有很多產品在實驗室里效果好，一上生產線參數就不行，因此研究人員要有很大的耐心。能實現產業化的技術是經過千錘百煉的。”張學禮說。
他充分調動和發揮團隊成員的優勢與技術特色，培養了一批業務能力突出的優秀青年科研工作者，帶領他們設計并創建了L-纈氨酸厭氧發酵細胞工廠，實現了以葡萄糖為原料在厭氧發酵條件下一步發酵生產L-纈氨酸，獲得了L-纈氨酸的新型工業菌種并成功實現了萬噸級產業化生產。其糖酸轉化率高達58%，與目前主流好氧發酵技術水平相比提升25%以上。同時，厭氧發酵L-纈氨酸技術資源消耗顯著降低，每生產1噸L-纈氨酸可節約葡萄糖原料0.5噸以上。
該技術打破了國際巨頭的專利技術壁壘，使L-纈氨酸成為繼L-丙氨酸之后，國際上第二個實現厭氧發酵產業化生產的氨基酸產品。
推動傳統有機酸生產工藝綠色轉型
事實上，團隊創制的厭氧發酵技術和底盤菌株，除了在氨基酸領域大顯身手外，在有機酸領域也有用武之地。
丁二酸作為一種優秀的平臺化合物，是生產生物降解塑料PBS（聚丁二酸丁二醇酯）的關鍵聚合單體。但目前丁二酸的生產都基于石油化工路線，高能耗高污染、成本居高不下，制約了PBS的產業發展。
團隊基于綠色生物路線，將糖酸轉化率提升至1.02g/g ，達理論最大轉化率的91%，為國際報道最高水平，同時獲得適應高滲透脅迫的工業菌種，顯著提高了丁二酸的發酵產量。
相關公司基于該技術，建成了國內首條年產2萬噸丁二酸的生產線，生產成本相比石化路線下降20%，新增產值3億元，推動了化學品制造傳統工藝的綠色轉型，為PBS生物降解塑料產業的發展奠定了技術基礎。
此外，研究團隊瞄準了另一個在農業、化工及醫藥行業廣泛應用的產品——D-乳酸。
高光學純度D-乳酸是可降解塑料聚乳酸的關鍵聚合單體，其發酵生產的關鍵技術被國外相關公司壟斷，價格居高不下。
為此，團隊構建了可利用簡單無機鹽培養基的工業菌種，通過厭氧發酵技術顯著提升了D-乳酸的光學純度，降低了生產成本。合作企業在此基礎上，建成了國內首條年產萬噸級高光純D-乳酸生產線，國際市場占有率達80%。
打破一個又一個壟斷，建立一條又一條生產線，研究團隊十年如一日堅守綠色科技發展路徑。
未來，團隊將進一步瞄準國家重大需求，挑戰攻關重大科學問題，沿著“研究真問題”的方向繼續努力，用綠色科技引領和支撐傳統產業升級與高質量發展。
（作者單位：中國科學院天津工業生物技術研究所）
