“十二五”863计划重大化工产品先进生物制造研究成果回顾

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“十二五”期间，国家863计划在重大化工产品的先进生物制造方面，围绕石油化学工业的资源与过程替代，重点研究了生物基平台化合物、手性化工中间体、生物聚合物材料、氨基酸等产品的先进生物制造技术，突破了化工产品生物合成途径构建与优化、原料利用与生物炼制、工业生物催化转化、聚合物的全生物或生物-化学组合合成等关键技术，取得了系列研究成果。现简要回顾如下，与广大读者分享。

成果一：

生物法生产富马酸及其衍生物

富马酸是一种重要的基础化工产品，广泛应用于食品添加剂、医药原料、树脂材料等生产领域，年需求量近百万吨。目前，富马酸主要由石油苯经氧化、异构化反应获得。该成果以可再生生物质资源为原料，利用根霉菌发酵法生产生物基富马酸，形成了成套集成技术，实现了生物基富马酸及其衍生物的规模化制备。与传统有机酸钙盐发酵工艺相比，反应步骤减少了5步，生产成本降低了40%。这种工艺不仅符合低碳经济的发展需求，且产品天然无毒，安全性及品质得到有效保障。相关产品通过了国际权威检测机构的天然度认证，取得了产品的国际定价权，售价较石油基产品提高1-2倍，利润提高2-3倍。该成果获得了2013年度国家技术发明二等奖。

图1 富马酸及其衍生物规模化生产及富马酸产品

成果二：

全有机溶剂中化学-酶法高效制备手性菊酯

在有机溶剂中进行的生物催化过程存在缺乏高效生物催化剂、催化效率低、酶容易失活等问题。该成果通过菌种选育和甲基丙烯酰氧丙基凝胶法高效固定化技术，显著提高固定化脂肪酶的活力、稳定性和对映体选择性，解决了缺乏适用于有机溶剂环境高效工业生物催化剂的问题。成果应用于拟除虫菊酯类杀虫剂的生物制造，利用新技术建成了国内第一条全有机溶剂中化学-酶法高效制备手性菊酯的年产百吨级生产线，实现了手性菊酯产品的工业化生产，打破了国外企业在该产业上的垄断地位。与传统工艺相比，反应步骤减少6步，废水排放减少80%，总收率提高4.4倍，产品每吨成本降低10余万元，年均销售过亿元，产生了巨大的社会和经济效益。该成果获得了2012年度国家技术发明二等奖。

图2 全有机溶剂中化学-酶法高效制备手性菊酯

成果三：

植物甾醇生物转化制备雄烯二酮

甾体类药物是全球仅次于抗生素的第二大类药物品种，全球销售总值高达500亿美元。4-雄烯二酮是合成甾体激素药物的关键中间体，其下游的主导产品有炔诺酮、米非司酮、替勃龙等，是甾体类化合物的第一大品种。针对现有化学法生产4-雄烯二酮存在的工艺路线长、反应条件苛刻、污染物排放量大、产物收率低等突出问题，该成果采用组合诱变、高通量筛选等菌种改良技术，通过产品提取工艺的系统优化，建立了以植物甾醇为底物一步生物转化制备4-雄烯二酮工艺。与传统工艺相比，工艺路线缩短15步，原料成本大幅降低，COD排放降低57%，同时避免了三氯氧磷、吡啶、苯等有毒有害试剂的使用，改造建成年产200吨发酵规模4-雄烯二酮的生产线，并实现单品产量全球规模第一，新增产值约8亿元。

图3 4-雄烯二酮合成途径

成果四：

手性醇的生物不对称合成

针对酶在非天然工业生产环境中活性低、稳定性差、耐受性差等关键技术问题，该成果运用基因改组、半理性设计等进行酶分子改造，提高目标脂肪酶和氧化还原酶的催化特性，开发了7种高效生物催化剂；成功开发和建立了高效的化学-酶法耦合不对称合成左旋帕罗醇、有机溶剂中化学-酶法制备S-菊醇和基于双辅助底物的新型多酶耦联不对称生物合成手性苯基乙二醇工艺路线；建立了高效、环境友好的手性醇中试规模绿色合成工艺路线，建成了百吨级规模的示范生产线，实现上述手性醇产业的技术升级，生产成本降低25%-45%，三废排放降低30%-83%，能耗降低30%左右，新增工业产值4.6亿元。该成果开发的手性醇的生物不对称合成技术可以高选择性的制备手性菊醇等手性醇产品，形成手性醇产品的绿色合成工艺，提升产品品质，大幅减低有机溶剂和原料的消耗，经济环境效益显著。

图4 手性醇催化车间内景

成果五：

基因组理性设计助推氨基酸产业升级

氨基酸工业是中国发酵支柱产业，但菌种技术长期处于跟随地位，知识产权国际纠纷不断。该成果通过对赖氨酸等氨基酸工业菌种的知识产权现状进行了系统分析，提出了氨基酸菌种专利研发策略。运用系统生物技术和合成生物学手段，建立了包括发酵组学分析、代谢网络重构模拟、酶分子设计、途径设计、基因组定点编辑优化等一套工业微生物基因组理性设计与改造技术体系，在赖氨酸生产等工业菌创新方面取得了重大突破，技术获得日本等专利授权，新菌种成功地应用于10万吨级生产线，实现节能减排20%以上，降低成本约560元/吨赖氨酸盐酸盐，每年为企业节约生产成本超过5000万元。该成果获得了“2014年中国产学研合作创新成果奖”，为工业菌种的升级改造和新菌种的创制提供了行之有效的方法和策略，将有助于推动中国发酵产业的健康发展。

图5 赖氨酸合成关键酶LysC与赖氨酸的相互作用三维结构图及其理性设计改造

成果六：

生物聚合物材料的全生物合成

聚羟基脂肪酸酯(简称PHA)是一类生物线性高分子聚酯，具有传统塑料非常相似的材料学性质，同时具有传统塑料所不可比拟的生物可降解性和生物相容性。该成果通过合成生物学技术改造嗜盐菌底盘细胞，利用海水，无灭菌连续工艺过程高效生产生物塑料PHA，生产成本降低了90％以上，能耗降低了50%，实现了5000L规模的连续工业化发酵。目前正在建设万吨级生产线，预计2018年实现千吨级大规模投产，产品可开发成农膜、生物纤维和3D打印材料等，可以解决现阶段生物制造存在的耗能、耗水、过程操作复杂、设备投资昂贵等缺点。

图6 生物塑料PHA发酵及其农膜产品的田间降解实验

成果七：

丁二酸的高效生物合成

丁二酸是一种重要的平台化合物，是生产生物降解塑料PBS的重要单体，市场潜力达160亿美元/年，目前其生产主要是基于顺酐为原料的石化路线，成本高，能耗高，污染大。该成果应用系统代谢工程技术构建出了高效生产丁二酸的细胞工厂，获授权美国和日本专利各1项、中国专利4项。在300 m3罐中产量达100 g/L，转化率达1.02 g/g葡萄糖，成本相比石化路线降低20%，CO2减排达94%。利用该技术已建成国内首条2万吨/年的生产线，对降低丁二酸制造成本，摆脱石油资源依赖，促进可降解塑料产业推广有重要的意义。

图7 丁二酸的生物合成

通过“十二五”国家863计划的部署和实施，在重大化工产品的先进生物制造领域，我国已经形成了有机酸、氨基酸、化工醇、生物基材料等产品合成生化平台技术体系，部分实现了传统石油化工产品石油基原料与加工路线的转移；形成了手性醇、手性酸、甾体等高附加值手性中间体生产的创新型生化技术路线，大幅提升了我国生物制造领域科技创新能力与产业技术水平。这些成果的取得，对破解经济发展的资源环境瓶颈制约，促进化学工业的可持续发展，引领生物战略产业具有十分重要的意义。

文章：王智文、董   华、付卫平

编辑：桑晓冬

审核：耿红冉

美编：潘荣新

中国生物技术发展中心

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