让基础研究“发酵”出更大价值——基于集群效应的固定化发酵体系产业化纪实

  “我们开发的基于集群效应的固定化发酵体系,高效实现生物催化过程的绿色化、连续化,该项技术的产业化成功让基础研究‘发酵’出更大价值。” 近日,南京工业大学生化工程技术研究中心陈勇研究员如是说。

  实现生物催化剂重复利用

  “传统的发酵成本高、周期长,严重影响了发酵的效率,社会呼吁发酵领域取得新突破。”陈勇介绍,工业生物技术是实现工业可持续发展的关键技术之一,而发酵工程技术又是工业生物技术最重要的组成部分,自上世纪40年代发明液体深层发酵技术以来,生物制造的工业化生产方式一直停滞不前,就是因为工业催化发酵这方面技术更新不够。

  陈勇在南京工业大学就读生物化工专业。“欧阳平凯院士领衔的生物工程学科在基础研究和产业化方面取得了一系列的成果,激发了我从事科学研究的初心。” 陈勇表示,在博士毕业后,在国家级人才应汉杰教授建议下,他选定基于细胞集群效应的固定化发酵作为研究方向。

  他所带领的课题组实现了工业规模的基于集群效应的固定化发酵体系,解决了生物催化剂难以重复利用的问题。整个生产无需种子培养过程(除第一批外),并且最多能够重复100多批次的发酵,简化了生产流程,降低了人力成本。“提高了底物的利用效率,降低了能耗以及成产成本,用科技助力了工业化生产,很开心。”陈勇表示。

  跳出技术转让“死亡陷阱”

  “让技术走出实验室,走向企业才是科学研究的目的。”陈勇表示。博士后期间,陈勇开发出了一套基于细胞集群效应的固定化连续催化的关键核心技术。“当时我一心想去企业推广,这么好的技术,只要有企业愿意和我合作就能搞起来。”

  但是在推广过程中,陈勇却被泼了冷水。由于技术比较新,与常规发酵的理念、操作有很大不同,企业里工程师理解都有困难,更不要说基层员工了。

  陈勇回忆道:“其实现在想想,我当时遭遇到的就是科研人员创业会遇到的头号‘死亡陷阱’。实验室只要做出一个别人没有做过的东西大家就会很兴奋,但这样的技术成熟度是不够的。从实验室摇瓶到工业化大发酵罐生产还需要解决一堆的工程难题。因为你不能保证每一次都把它做好,而且批量生产,保证其稳定性。这样的话是没办法投入工业生产的。”这些问题一直困扰着陈勇,他不知道怎样才能把科研成果推出去。

  2017年,在欧阳平凯、应汉杰等导师的引领下,南京工业大学依托生化中心组建了南京高新工大生物技术研究院,弥补了从高校到企业技术转化缺失的中间环节,专门解决工程放大过程中存在的问题,让基础研究落到产业需求上。

  打通技术产业化“肠梗阻”

  这些年来,为了真正了解行业现状,陈勇从研究员变身“推销员”“技术员”,亲自带队去一线工厂推销、实验,调研,倾听企业声音,了解行业痛点。南京、安徽、广西、宁夏……他奔波在实验室与企业之间,让基础研究“发酵”出更大价值。

  最终,课题组的研究成果在南京同凯兆业生物技术有限公司实现了产业化,产品出口到国际知名公司,项目还获得国家技术发明二等奖。“新型固定化反应器使相关产品的发酵周期由72小时降至48小时左右,平均产酶速率提高2.3倍。”陈勇介绍说。

  项目组还与广西中粮生物质能源公司合作,建成4000吨/年燃料乙醇示范线。他们以木薯、陈化水稻等为原料,细胞可以反复使用,淀粉转化率较原工艺分别提高了5.5%和3.9%,单罐产能提高了32%。

  “采用我们的工艺,每吨燃料乙醇可节约成本200~300元。”陈勇介绍说,如果项目技术在燃料乙醇全面推广,以每年200万吨燃料乙醇计,可节约粮食至少20万吨以上。谭天伟、郑裕国两位院士在考察现场时给出了高度评价:“基于本酵母细胞集群效应的燃料乙醇生产新技术具有明显的创新性,是近20年来该领域最具创新性的生产技术之一。”

  “示范线成功后,中粮集团已开始对宿州中粮生物化学有限公司生产线进行改造。”谈及愿景,陈勇充满了信心,2020年乙醇汽油在全国基本实现了全覆盖,燃料乙醇年利用量将达到近1600万吨,潜在的市场规模及利润空间巨大。

关键字:生物催化
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