[00692045]生物法制备γ-聚谷氨酸的关键技术及产业化应用

该项目属于生物化工领域工业生物技术方向，涉及一种由微生物合成的具有特殊功能的聚氨基酸型生物高分子-γ-聚谷氨酸(γ-PGA)的制备与应用.γ-PGA是一种由微生物合成的聚氨基酸，由谷氨酸通过γ-酰胺键聚合而成，分子量可达100~1000kDa，γ-PGA侧链拥有大量羧基，易于修饰与功能化，赋予它奇特的生理功能与广泛的应用前景.Γ-PGA具有水溶性、成膜性、成纤维性、粘结性、保湿性等特点，并具有生物降解性与环境友好性等优点，在农业、化妆品、水处理、医药、食品等领域均具有广泛应用前景.遗憾的是，虽然γ-PGA发现至今已近40年，但由于γ-PGA生物合成和应用存在诸多技术难题，造成生产和成本过高，阻碍了γ-PGA的规模化应用.国际上仅有日本味之素、中国台湾味丹公司将γ-PGA开发成化妆品保湿剂和贵金属吸附回收剂，但生产和应用规模很小.限制γ-PGA规模化生产与应用的主要原因如下：γ-PGA生物学意义不太清楚，合成机理信息缺乏，导致生物合成效率低下；γ-PGA发酵属于高粘发酵体系，溶氧传质困难，工艺过程控制难度大；γ-PGA生产原料精细，原料成本过高；γ-PGA成型技术不过关，提取收率与产物纯度较低，工业放大困难；γ-PGA下游应用开发研究滞后，尚未形成真正具备应用价值的产品体系.针对上述问题，该项目组通过10年研究，在完成国家"863"计划、国家自然科学基金、江苏省高校产业化推进项目等8项国家和省部级计划的基础上，成功攻克上述技术难题，并取得了以下成果：系统阐明了γ-PGA生物合成途径、产物立体构型和分子量调控机制；通过糖蜜、木薯粉、味精结晶母液等低劣非粮原料的综合高效利用技术显著降低了γ-PGA生产成本；通过发酵过程反应动力学-过程联动控制技术及大型高粘体系反应器的设计等技术手段的集成，在国内率先实现了γ-PGA规模化高效发酵，发酵产率达到54.3g/L，谷氨酸转化率达到90﹪；开发了多元化γ-PGA分离、精制技术，对于高品质要求的γ-PGA产品，建立了创新的超滤与醇析盐析复合结晶的方法获得高纯度晶形好的γ-PGA产品，和国际最好水平相比，有机溶剂用量仅为1/8，提取收率达到90.2﹪，产品纯度92﹪(其余8﹪为结晶水)，该技术在降低能耗、提升产品质量方面取得了重大突破；另外，共建立了化妆品级、农业级、工业级三大产品体系10多个品种，通过深入剖析γ-PGA系列农用产品的增效机理，率先实现了γ-PGA在农业领域的大规模应用，经济和社会效益显著.项目开发技术已在江苏中东化肥股份有限公司等多家公司进行产业化生产与应用，累计新增产值36881.3万，新增利润15783.8万，新增税收4075.57万，创汇57万美元，γ-PGA增效肥料累计推广面积约1468万亩，节水150万吨，经济、社会效益十分显著.Γ-PGA发酵生产技术在辽宁中科生物工程有限公司进行工业化生产，其中2009~2011年间分别生产了200吨、550吨、750吨农业用γ-PGA产品.化妆品级γ-PGA生产技术在南京轩凯生物科技有限公司实现了工业化生产，这是国内唯一的化妆品级γ-PGA生产商，产品质量优于国外同类产品(见检测报告和应用效果证明).将γ-PGA生产技术与化肥企业进行合作技术攻关，生产出一系列增效肥：江苏中东化肥股份有限公司是江苏最大、全国前三甲的复合肥生产企业，2009年起合作开发了γ-PGA增效复合肥生产技术，共生产64.3万吨增效肥，累计推广1250万亩.江苏科邦生态肥有限公司则是生产无机有机肥的著名企业，他们使用该技术生产出γ-PGA保水型有机肥，2009~2011年间共生产γ-PGA增效有机肥约13万吨，累计推广125万亩，综合节水150万吨.该技术还在增效海藻肥、微生物肥和叶面肥使用，促进中国化肥产业的技术进步.应用单位所使用的应用技术及产生的经济社会效益汇总如下：应用单位名称应用技术产值(万元)利润(万元)税收(万元)江苏中东化肥股份有限公司γ-PGA增效复合肥生产技术1929083252005江苏科邦生态肥有限公司γ-PGA保水型有机肥生产技术104002460832山东嘉丰农化有限公司γ-PGA增效海藻肥生产技术18001225389领先生物农业股份有限公司γ-PGA增效微生物肥生产技术101722333辽宁中科生物工程有限公司γ-PGA发酵生产技术37501668583南京轩凯生物科技有限公司化妆品级γ-PGA生产技术624352103γ-PGA在肥料、化妆品、环境保护、医药等领域均显示出巨大的市场和广阔的应用前景.肥料领域：中国是世界上最大的化肥生产与应用国，全国肥料年总产量达1亿吨，如按照20﹪比例进行γ-PGA增效肥料推广，年肥料工业用γ-PGA需求量可达6万吨，市场前景非常可观.随着客户对于添加γ-PGA增效肥料产品的不断认可，市场容量将不断扩大，潜在应用市场巨大.更为重要的是，γ-PGA增效肥料可使肥料综合利用效率提高20﹪，并使作物增产10﹪~30﹪，γ-PGA增效肥料的应用有效减少了因肥料过量使用而造成的土壤板结等问题的产生.按照20﹪推广比例进行计算，年减少肥料使用量可达300~450万吨，按照肥料市场均价2000元/吨计算，年肥料节约使用费用可达60~90亿元，经济、社会效益明显.综上所述，γ-PGA作为新一代肥料增效剂市场将会越来越广阔.化妆品领域：由于γ-PGA的特殊分子结构具有超强的吸水锁水性能，γ-PGA可作为护理用品中的保湿剂.据日本科学家研究证明，它比公认最具有保湿能力的透明质酸(HA)的保湿效果好2~3倍，同时还具有促进皮肤吸收营养成份，保持皮肤组织弹性，抑制皮肤黑色素生成等功效，是理想的化妆品成分.γ-PGA在化妆品中仅处于少批量应用阶段，产品品种极为有限，与之相比，HA国际市场的总销售额已超过40亿元人民币，可以预见，随着消费者的不断认可，γ-PGA在化妆品领域的后期市场潜力巨大.此外γ-PGA在水处理、药物缓释载体、食品添加剂等领域也显示出良好的应用前景，因此项目所获成果具有极其可观的经济效益和应用市场.该项目共申请国家发明专利9项，已授权专利3项；发表论文40余篇，其中SCI/EI收录论文14篇；出版学术专著一部；该项目技术已在包括江苏中东化肥股份有限公司在内的多家企业成功推广应用并远销日本、韩国、印度等国家，累计新增产值36881.3万元，新增利润15783.8万元，新增税收4075.57万元，创汇57万美元，γ-PGA增效肥料累计推广面积约1468万亩，节水150万吨.该项目的开发为生物高分子产品的研究开发和产业化提供了一个新借鉴，有效促进了中国肥料等行业的技术进步，社会、经济、环保意义重大.