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(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所厭氧生物合成關(guān)鍵技術(shù)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持的發(fā)展路徑。

這支年輕且具有活力的隊(duì)伍致力于用生物制造技術(shù)工藝替代傳統(tǒng)化學(xué)合成工藝的重污染生產(chǎn)方式，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)探索新路徑，用綠色科技助力傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)走上高質(zhì)量發(fā)展之路。

建成萬(wàn)噸級(jí)發(fā)酵法生產(chǎn)線

L-丙氨酸作為一種重要的氨基酸，在日化、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，特別是其作為關(guān)鍵原料合成的新型環(huán)保螯合劑MGDA（甲基甘氨酸二乙酸），對(duì)保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境有重大意義。

傳統(tǒng)方法生產(chǎn)L-丙氨酸要從石油基順酐出發(fā)，需經(jīng)過(guò)五步轉(zhuǎn)化反應(yīng)，既復(fù)雜又會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)損耗。此外，每生產(chǎn)1噸L-丙氨酸會(huì)產(chǎn)生255立方米的二氧化碳，生產(chǎn)成本居高不下的同時(shí)環(huán)保壓力巨大，嚴(yán)重制約了其下游應(yīng)用。

厭氧生物合成關(guān)鍵技術(shù)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)這一產(chǎn)業(yè)需求，開(kāi)發(fā)出厭氧發(fā)酵L-丙氨酸技術(shù)。與化工路線相比，該工藝步驟簡(jiǎn)單、原料可再生、生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品全生命周期二氧化碳零排放、更綠色清潔，生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)技術(shù)降低約50%。

基于該技術(shù)，2010年起該團(tuán)隊(duì)與安徽相關(guān)企業(yè)開(kāi)展合作，建成了國(guó)際上最大的萬(wàn)噸級(jí)發(fā)酵法生產(chǎn)線，產(chǎn)品國(guó)際市場(chǎng)占有率由18%提升到60%以上，新增產(chǎn)值28.8億元。這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)發(fā)酵法L-丙氨酸的產(chǎn)業(yè)化，顛覆了傳統(tǒng)化工生產(chǎn)方式，在氨基酸行業(yè)百年發(fā)展歷史中首次實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵。

L-丙氨酸作為主營(yíng)產(chǎn)品，在推動(dòng)企業(yè)走上高質(zhì)量發(fā)展之路的同時(shí)，還推動(dòng)了新型環(huán)保螯合劑MGDA的推廣應(yīng)用，生態(tài)環(huán)保效益顯著。

打破壁壘實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)

在深耕L-丙氨酸技術(shù)的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)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(lǐng)域應(yīng)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(guó)大豆對(duì)外依存度高等問(wèn)題。

與L-丙氨酸合成相比，L-纈氨酸合成路徑更長(zhǎng)、細(xì)胞代謝更復(fù)雜，因此其設(shè)計(jì)和改造過(guò)程更加困難。這是多年來(lái)氨基酸產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵原因。

“科研人員應(yīng)集中精力面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求，做對(duì)國(guó)家和人民真正有用的科研?！边@是研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員張學(xué)禮一直強(qiáng)調(diào)的。為了解決這些技術(shù)難題，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員在項(xiàng)目初期加班加點(diǎn)走訪企業(yè)，開(kāi)展廣泛調(diào)研、嚴(yán)密設(shè)計(jì)，從不可行到理論可行，再到實(shí)際可行，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

“理論可行是很重要的一步，就像蓋房子需要圖紙，細(xì)胞工廠創(chuàng)建也要先畫(huà)圖紙。圖紙有了，細(xì)胞工廠的改造才能開(kāi)始?！睆垖W(xué)禮說(shuō)，這是個(gè)不斷試錯(cuò)的過(guò)程，產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化落地最重要，但有很多產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室里效果好，一上生產(chǎn)線參數(shù)就不行，因此研究人員要有很大的耐心。能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)是經(jīng)過(guò)千錘百煉的?！睆垖W(xué)禮說(shuō)。

他充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮團(tuán)隊(duì)成員的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)特色，培養(yǎng)了一批業(yè)務(wù)能力突出的優(yōu)秀青年科研工作者，帶領(lǐng)他們?cè)O(shè)計(jì)并創(chuàng)建了L-纈氨酸厭氧發(fā)酵細(xì)胞工廠，實(shí)現(xiàn)了以葡萄糖為原料在厭氧發(fā)酵條件下一步發(fā)酵生產(chǎn)L-纈氨酸，獲得了L-纈氨酸的新型工業(yè)菌種并成功實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)噸級(jí)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。其糖酸轉(zhuǎn)化率高達(dá)58%，與目前主流好氧發(fā)酵技術(shù)水平相比提升25%以上。同時(shí)，厭氧發(fā)酵L-纈氨酸技術(shù)資源消耗顯著降低，每生產(chǎn)1噸L-纈氨酸可節(jié)約葡萄糖原料0.5噸以上。

該技術(shù)打破了國(guó)際巨頭的專利技術(shù)壁壘，使L-纈氨酸成為繼L-丙氨酸之后，國(guó)際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的氨基酸產(chǎn)品。

推動(dòng)傳統(tǒng)有機(jī)酸生產(chǎn)工藝綠色轉(zhuǎn)型

事實(shí)上，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的厭氧發(fā)酵技術(shù)和底盤(pán)菌株，除了在氨基酸領(lǐng)域大顯身手外，在有機(jī)酸領(lǐng)域也有用武之地。

丁二酸作為一種優(yōu)秀的平臺(tái)化合物，是生產(chǎn)生物降解塑料PBS（聚丁二酸丁二醇酯）的關(guān)鍵聚合單體。但目前丁二酸的生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)基于綠色生物路線，將糖酸轉(zhuǎn)化率提升至1.02g/g ，達(dá)理論最大轉(zhuǎn)化率的91%，為國(guó)際報(bào)道最高水平，同時(shí)獲得適應(yīng)高滲透脅迫的工業(yè)菌種，顯著提高了丁二酸的發(fā)酵產(chǎn)量。

相關(guān)公司基于該技術(shù)，建成了國(guó)內(nèi)首條年產(chǎn)2萬(wàn)噸丁二酸的生產(chǎn)線，生產(chǎn)成本相比石化路線下降20%，新增產(chǎn)值3億元，推動(dòng)了化學(xué)品制造傳統(tǒng)工藝的綠色轉(zhuǎn)型，為PBS生物降解塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

此外，研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了另一個(gè)在農(nóng)業(yè)、化工及醫(yī)藥行業(yè)廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品——D-乳酸。

高光學(xué)純度D-乳酸是可降解塑料聚乳酸的關(guān)鍵聚合單體，其發(fā)酵生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外相關(guān)公司壟斷，價(jià)格居高不下。

為此，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可利用簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基的工業(yè)菌種，通過(guò)厭氧發(fā)酵技術(shù)顯著提升了D-乳酸的光學(xué)純度，降低了生產(chǎn)成本。合作企業(yè)在此基礎(chǔ)上，建成了國(guó)內(nèi)首條年產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)高光純D-乳酸生產(chǎn)線，國(guó)際市場(chǎng)占有率達(dá)80%。

打破一個(gè)又一個(gè)壟斷，建立一條又一條生產(chǎn)線，研究團(tuán)隊(duì)十年如一日?qǐng)?jiān)守綠色科技發(fā)展路徑。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，挑戰(zhàn)攻關(guān)重大科學(xué)問(wèn)題，沿著“研究真問(wèn)題”的方向繼續(xù)努力，用綠色科技引領(lǐng)和支撐傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)與高質(zhì)量發(fā)展。