yangsk的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yangsk

博文

见证国内苯丙氨酸产业化发展的20年

已有 6156 次阅读 2010-1-20 13:57 |个人分类:科技评论|系统分类:观点评述| 国内, 苯丙氨酸产业化发展, 见证20年

见证国内苯丙氨酸产业化发展的20

 

杨顺楷  成都  610041

1.苯丙氨酸产业化发展现状

伴随着国内外工业生物技术苯丙氨酸产业化发展的20年,充满了令人眼花缭乱的诡谲过程。然而,除了常规的医药用途外,作为一种因生产二肽甜味剂阿斯巴甜的主要原料而勃兴的苯丙氨酸生产需求,也一直处于迅速发展的态势。仅以苯丙氨酸销售量数据的增长变化就充分说明了这一问题(表1)。进入新世纪的前夕,苯丙氨酸伴随着氨基酸类抗癌药物抗病毒药物、营养保健品的开发应用和高强度二肽甜味剂阿斯巴甜的广泛生产与使用,进一步促进了对苯丙氨酸商品需求的迅速增加。苯丙氨酸由于其技术难度,国内通过七五”“八五”“九五攻关,也没有完全解决问题。

1    L-苯丙氨酸全球市场销售量及价格的变化

时间

销售数量(t/a

参考价格

1981

50

40美元/Kg

1996

8000

人民币30万元/t(医药级),20万元/t(工业级)

2000

10000

人民币25万元/t(医药级),17-18万元/t(工业级)

2005

14000

人民币18万元/t(医药级),10万元/t(工业级)

2009

16000

工业级,人民币8万元/t(进口),4-6万元/t(国产)

目前,较成熟的苯丙氨酸生产技术主要有发酵法和肉桂酸酶法工艺。过去20年国内苯丙氨酸产业化发展“攻关”并非由“主力军”完成,反而倒是经由所企横向合作的途径,终于在1998年经由中国科学院成都生物研究所自主分离选育的红酵母菌种(Rhodotorula sp. CIBAS A1401),在江苏连云港1家企业合作开展公斤级中试的基础上(产酸率30g/L,产物回收率90%),最终在浙江绍兴亚美生化公司,实现了国内第1100t/a级肉桂酸/红酵母苯丙氨酸解氨酶(PAL)整细胞逆向生物催化酶法生产苯丙氨酸,结束了国内没有吨级工业规模生产苯丙氨酸的历史;其后,该中试成果又陆续在江苏长滨化工公司和山西晋城某生物化工企业投入工业化试生产。这样,肉桂酸/红酵母PAL酶法生产苯丙氨酸一直持续到2003-2005年,3家企业一共生产了2000多吨产品,有力地推动了国内自主研发阿斯巴甜主要原料苯丙氨酸的国产化,其中绍兴亚美生化公司成为了首家既能生产苯丙氨酸,又联产阿斯巴甜的“国家级高新技术企业”;同时,长滨化工公司生产的苯丙氨酸直供常州牛塘化工公司生产阿斯巴甜。时至今日,这两家企业已经成为了国内千吨级工业规模生产阿斯巴甜的外向型出口企业,前者产能为3000t/a,后者为5000t/a

伴随着美、日、韩糖质原料直接发酵法采用先进的基因工程育种技术及中下游工程膜技术,使得生产效率大大提高,并以接近于成本价向我国“倾销”苯丙氨酸,售价在8-12美元/Kg(工业级近年为6-7万元/t);这就使得百吨级产能肉桂酸红酵母PAL酶法生产苯丙氨酸产品相比于进口苯丙氨酸竞争力减弱,到2005年该酶法工艺陆续停产。

显然,1998年我国肉桂酸/红酵母PAL酶法在百吨级工业规模生产苯丙氨酸产品,从而带动了国内早已于80年代研制成功化学法合成阿斯巴甜生产线的完善,有了国产化的主要原料苯丙氨酸供给,从而使得该产业得以长足发展;同时与进口“洋货” 苯丙氨酸PK的结果,导致苯丙氨酸价格(工业级)从1995年的20万元/t下降到目前6-7万元/t的水平,乃至目前福建麦丹生物集团公司再次将国内售价降低到4万多元/t的水平,出口价6万元/t。以至于形成了当下我国阿斯巴甜数家成熟企业的产能,已于年内扩能到近2t/a水平,按照现有生产水平,须得有2t/a的苯丙氨酸原料产品供应,国内产能不足1t/a

2.国内糖质原料直接发酵法工业生产苯丙氨酸工艺技术的集成性突破

以福建师范大学教育部工业微生物工程研究中心吴松刚、施巧琴2位教授领衔的苯丙氨酸研发团队,通过过去5年来的努力,独辟蹊径,与福建沙县麦丹生物集团有限公司,经由紧密型的产学研之路,成功地开创了以福建的早稻谷大米淀粉为初级原料,借助复旦大学过去20年来在糖质原料直接发酵基因工程育种及相关重组菌株技术支持,较系统地进行创新技术集成,对出发菌株进行在分子细胞水平整体改造。首次利用分子定向协同共进化技术,对苯丙氨酸代谢途径的关键酶基因构建成突变库,筛选出高产工业菌株ES-4573-2,其产酸率达到国际先进水平,形成了具有自主知识产权的科技成果,使我国苯丙氨酸工业生产进入国际先进水平行列。

目前在百立方米级工业发酵装置上实施的结果已达到的水平是:产酸率较原有的酪氨酸缺陷型宿主菌株提高近3倍,为6-7%,生产性能稳定;糖酸转化率由原有出发菌株的15%,提高到25%,高的批次达到28%;这已经接近美国公司的生产水平。2008-2009年度已产出苯丙氨酸5000t,销售收入1.2亿元;2009-2010年度拟产出L-苯丙氨酸8000t。这一进展使得我国福建麦丹生物集团公司现在已成为国内第一,全球第三的苯丙氨酸供应商。

这一突破性进展直接导致国内阿斯巴甜企业加快扩产步伐,产能从往年的5000t/a,上升到万t/a级水平,为国内外苯丙氨酸产品拓展了市场空间,为我国开辟新糖源阿斯巴甜提供了基本条件。为适应国内外市场变化,麦丹生物集团公司果断地从国内产业发展全局出发,适时改变苯丙氨酸产品内外营销策略,所采取的举措是十分值得赞许的。

2008年底,该公司伴随着生产规模扩大,由于苯丙氨酸第2代改良菌株的应用,生产成本下降达30-40%,实现了稳产高产的新局面,决策层果断地自降身价,助国内苯丙氨酸/阿斯巴甜全行业走出危机,将自2004年以来6万多元/t的苯丙氨酸售价一次性降低2万元/t,为4万多元/t。这就导致国产阿斯巴甜产品较进口货降低30%。这一降价举措导致国产苯丙氨酸/阿斯巴甜总量上升,结果苯丙氨酸总销售量上升30-40%,国内市场占有率达到60%以上,同时也使得国外同行业竞争对手因国际金融危机的影响开机率下滑到50%以下,国内产业赢得了先机。

3. 苯丙氨酸工业微生物学及生物技术框架业已形成,科技创新须得深化

纵观过去20年,国内苯丙氨酸行业发展的技术框架已经形成,科技创新很有必要继续深化。如何深化?怎样深化?这是资格科技工作者必须面对的现实问题。那就是面对我国业已在工业化规模上投产过的两条技术路线作认真科学的比较分析研究,同时让两条工艺路线操作运行,扬长避短,方可得出最佳适应性实时性选择,有利于我国苯丙氨酸产业的均衡发展。

3.1糖质原料直接发酵法的生物合成途径

如图1所示,芳香氨基酸的代谢,糖经酯解产生磷酸-烯醇式丙酮酸(PEP)和戊糖-磷酸-途径产生D-赤藓糖-4-磷酸(E-4-P)作用形成中间产物3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸(DAHP),进一步环化成重要中间产物莽草酸(SA);SA再与PEP作用,形成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸,脱去磷酸基团,形成分枝酸(CA);CA是莽草酸代谢途径重要的枢纽物质,以后的去向分为2个分枝,1枝是形成色氨酸(L-trp);另1个分枝是先形成预苯酸(PA),PA处又产生两个分枝,即当PA在预苯酸脱氢酶(PD)作用下生成4-羟基苯丙酮酸,由此生成酪氨酸(L-tyr);在预苯酸脱水酶(PT)作用下生成苯丙酮酸(PPA),最终合成苯丙氨酸(L-Phe),对于酵母和细菌E.coli遵循这一生物合成途径。可见莽草酸代谢途径是一个拥有多个分枝点的代谢树,欲要超量合成某一芳香氨基酸,显然这是一个复杂的菌种改造代谢工程。这一代谢工程涉及的手段包括修饰末端途径策略,中心代谢工程,以及转运工程等。

PEP

E-4-P

DAHP

SA

CA

L-Trp

PA

PPA

4-OH-PPA

 

L-Tyr

 

L-Phe

(仅存在于酵母和E.colid的代谢途径)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


1.微生物合成芳香氨基酸的代谢途径

福建师范大学工业微生物教育部工程研究中心与麦丹生物公司已在苯丙氨酸及色氨酸的分子育种及建立工程化技术体系方面迈出了可喜的一步,两种芳香氨基酸的工业产能已达到苯丙氨酸5000t/aL-色氨酸300t/a的水平。这就有力地推动了我国氨基酸行业的技术进步,为高技术难度较稀缺氨基酸品种苯丙氨酸和色氨酸做出了实质性的名符其实(并非“标榜”)的贡献。据报道日本味之素公司在糖质原料直接发酵生产苯丙氨酸,当下采取了“稳产,不扩产”的策略;美国纽特及韩国大象公司均为当今同类主要苯丙氨酸生产供应商,据估计产能呈现“天花板”效应,这也应该引起国内投资方注意。

上述3种芳香氨基酸中,除了L-苯丙氨酸和L-色氨酸以外,L-酪氨酸也是一种很有发展潜力的具有可持续发展意义制造高分子单体材料4-羟基-苯乙烯新型生物化工产品的有用中间体,其技术路线是:葡萄糖L-酪氨酸→4-羟基肉桂酸→4-羟基苯乙烯,即乙烯苯酚(4-VP)。该生物-化学技术路线在美国杜邦公司研发部已经成功通过公斤级中试,其技术关键包括重组基因工程菌的发酵生产L-酪氨酸,以L-酪氨酸为底物的苯丙氨酸/酪氨酸解氨酶(PAL/TAL)的正向酶催化,产出4-羟基肉桂酸,该中间体经由化学或生物法脱羧,生成4-羟基苯乙烯单体材料,可望替代现有的石油化工路线的单体材料4-VP

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-64804-288936.html

上一篇:说阿斯巴甜的春秋事(续)
下一篇:见证国内苯丙氨酸产业化发展的20年(续)
收藏 IP: .*| 热度|

0

发表评论 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 16:30

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部