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功能性高分子聚氨基酸生物制备：助聚氨基酸生产跻身国际先进

2019-11-19 20:14:49

近些年来，聚氨基酸成为国内外研究的热点，但其产业化却非常困难。南京工业大学与南京轩凯生物科技有限公司合作，不仅从理论层面上解决了技术难题，更实现了聚谷氨酸和聚赖氨酸的产业化，使我国聚氨基酸生产处于国际先进水平。该功能性高分子聚氨基酸生物制备关键技术与产业化应用项目，也因此荣获2014年度国家技术发明二等奖。

“聚谷氨酸可以使肥料增效，在精细化工、医药、水处理等领域也有广泛的应用，并可作为绿色营养型食品防腐剂。”南京工业大学副研究员、南京轩凯公司总经理冯小海博士介绍说。冯小海所说的聚谷氨酸和聚赖氨酸同属聚氨基酸，是一类具有重要应用价值的生物功能高分子。由于其结构特殊、功能多样、环境友好等特性，在农业、精细化工、食品医药等领域广泛应用。

“要实现聚氨基酸的产业化，就要使产物相对分子质量可控，尤其是要制取超高相对分子质量的产物，但前提是必须解决三个技术难点。”该项目总负责人、南京工业大学食品与轻工学院院长徐虹教授表示，“一是氨基酸聚合是一个新领域，菌种缺乏，合成机理尚不清楚，合成过程还伴随着降解。二是其工艺过程不好控制。生物聚合需要大量氧气，但高分子发酵是高黏体系，二者相互矛盾。三是高品质产品获取十分困难，产物过于黏稠，菌体杂质包裹严重，产品品质难以保证。这些都不利于聚氨基酸的工业化。”

为解决这些难题，项目组从2000年起一直致力于聚谷氨酸和聚赖氨酸的基础和产业化研究，并与该校学科型公司南京轩凯生物科技有限公司就生物法聚氨基酸的产业化展开合作。

据冯小海博士介绍，为提高菌种生产聚氨基酸的浓度并获得所要的相对分子质量，他们团队采用同位素示踪法和代谢组学技术构建了聚氨基酸精准的代谢网络，发现聚氨基酸菌同时存在聚合酶和降解酶这两个关键酶的特有现象，并在国际上率先对聚赖氨酸菌的基因组进行测序，解析并揭示了两个酶的基因详细信息和功能。基于以上新发现，研究团队还发明了以降解酶为“开关”调控产物相对分子质量和浓度的育种新技术，有效解决了聚氨基酸菌种筛选方法及高效菌株获取问题。

在生产过程中，聚氨基酸发酵液黏度高，菌体去除困难，产物相对分子质量大，难以成型。研究团队又采用酸化降黏、吸附过滤手段去除蛋白菌体等杂质，并用超滤技术浓缩，获得了高纯度产品。他们还创新采用醇析-盐析复合成型技术获得聚氨基酸晶体，该技术解决了高纯度产品获取、成型以及低值原料高效利用等问题。

在聚氨基酸实际生产放大的过程中，南京轩凯公司利用工程化手段，系统解决了发酵过黏、提取及成型困难等问题。此外他们还基于菌体能量供给自我强化的过程控制技术与装备，解决了聚氨基酸生产耗能高等难题，使产品综合能耗降低50%以上，实现了聚氨基酸的高效生产。

通过南京工业大学和南京轩凯公司的产学研合作，国内第一条聚谷氨酸和第一条聚赖氨酸产业化生产线在2009年建成，产品的硬性指标全面达到或超过国际先进水平，使我国聚氨基酸处于国际先进水平。冯小海表示，他们生产的聚谷氨酸产品浓度较国际先进水平提高了30%以上，底物转化率翻了一番还多，提取收率可达90%以上，乙醇用量大幅减少。2010年，聚氨基酸生物制备技术开始进行规模化推广应用。

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