[01013274]微生物合成聚氨基酸的关键技术及应用

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54.3 g/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%，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.该项目共申请国家发明专利17项，已授权专利8项;发表论文40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.