生物制造:对我国氨基酸产业经济发展之我见

上一篇 / 下一篇  2011-08-17 16:03:04

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  国家“十二五”对发展生物工业经济提出了“五生计划”(生物制药,生物能源,生物环保,生物制造,生物农业)的构想,具有与时俱进的特点。笔者基于过去20多年涉及化学-酶法合成芳基丙氨酸研发工作的经历,特别是酶法生产苯丙氨酸在国内首次实现产业化,谈谈有关发展我国氨基酸产业经济的意见,不当之处请同工指正。

  背景及现状

  据估计全球氨基酸产业经济在未来几年增长率将达到15%,国内外市场非常广阔,正处于快速增长期。但是,不容忽视的问题也很明显,那就是长期依赖北方的玉米及南方的稻米作为初级原料,行业发展将很快遇到瓶颈。因此,我国氨基酸产业经济应该如何发展?怎样扬长避短,合理规划,走科学发展之路,的确是一个值得认真思考的问题。

  我国氨基酸产业市场总体发展状况形势喜人,但是发展过程中已经存在隐忧。首先,探讨4大生物制造万吨级或接近万吨级水平氨基酸生产情况可以给人以启迪。

  1)谷氨酸 :作为在我国已有40余年生产历史的传统产品,特别是过去20年经由外资外商如日本韩国,以及台商的介入,谷氨酸发酵生产总量达200万吨/a, 耗粮近500万吨(南方稻米,北方玉米),总体水平尚处于全球2-3流,耗水20亿吨/a,耗能达380万吨/a标煤,年总产值近200亿元。国内市场味精(谷氨酸单钠盐,MSG)作为调味剂消费已趋饱和,已进入低档商品阶段。过去10年来,生产规模越来越大,能耗水耗增长量也相当可观(目前最大发酵罐800立米,300立米,120立米较常见),发酵废水的处理技术也尚未取得根本性突破,故应该适度限制耗粮(淀粉质)发酵生产谷氨酸规模。

  2)赖氨酸:国内饲料级赖氨酸产能过剩(30万吨/a),价位已从10多年前5万元/t(进口)下跌到2万元/t(国内售价),竞争十分激烈企业亏损严重,已无利可图。故我国最早投入工业发酵万吨级饲料级赖氨酸生产的川化味之素公司已于2010年夏秋之交关闭了在成都川化的赖氨酸生产线,宣告破产。故国内赖氨酸应在稳产的基础上,除了满足饲料工业需求外,要重视扩大食品工业营养强化剂的市场需求,以及延伸开发新产品,扩大赖氨酸的应用范围。例如,化学法聚合生产a-,b-多聚赖氨酸。适度发展赖氨酸出口。

  3)天门冬氨酸:我国在该氨基酸的国内用量占第三位,并有相当数量出口。生物制造技术方面居世界先进水平。利用苯作为初级原料,经化学裂解制得4碳中间体,再经生物催化制得天门冬氨酸。如常州常茂生物化学工程公司就成功建立了这样的化学-酶法工业规模生产线。全国总产量早已进入万吨级水平,出口售价1300美元/t;满足国内外主要用于化学合成制造二肽甜味剂阿斯巴甜(APM)商用需求原料氨基酸之一。

  4)苯丙氨酸:这是我国研发耗时较长,技术难度较高的氨基酸品种。目前,全球市场容量3万吨/a ,实际产出2万吨/a,缺口1万吨/a。我国能生产苯丙氨酸的标志性事件是以98年秋本实验室自主研发的红酵母(苯丙氨酸解氨酶,PAL)/肉桂酸反向生物催化制造苯丙氨酸成果,以所企合作形式在绍兴亚美生化公司首次实现了国内百吨级工业化试产苯丙氨酸的突破。该化学-酶法新工艺一直持续到2005年,基本上由3家民营企业共计生产出2000多吨苯丙氨酸产品;从而也带动了我国二肽甜味剂APM的生产,因为国内研发APM化学法合成早在80年代已经开始,苯丙氨酸成为了瓶颈原料(占APM制造成本低60-70%)。所以绍兴亚美生化公司和常州牛塘化工公司(控股滨海常滨化工公司),成为既生产苯丙氨酸又联产APM的两家民营企业,成为了国内该行业的开拓者。2005年以后,以福建师大工业微生物教育部工程研究中心与沙县麦丹生物集团,经由“政产研用”产业化开发模式,借助自主选育构建的基因工程菌,利用本土糖质原料直接发酵,建成了年产千吨级的苯丙氨酸产品生产线,到2009年度已经成为国内第一,全球第二的苯丙氨酸生产企业。据悉,以该公司为主,加上其他生产企业今年国内共计可产出5000多吨苯丙氨酸产品,明年产量将可能达到1万吨。可见我国经过20年的发展,苯丙氨酸和APM的产业经济发展已经令世人瞩目。

  至此以后,苯丙氨酸和APM的价位节节下跌。以95年计,进口苯丙氨酸到岸价20万元/t(工业级),直到现在国内售价6.5万元/t,出口7-8万元/t;95年上海口岸进口APM 50万元/t,到如今我国APM产能已达万吨级水平,产品出口价位在15万元/t.甚至更低。我国掌控不了定价权。一旦我国能生产的新产品,价格很快节节下跌,这就是我国氨基酸产业的现实。这也是长期令人困惑不解的问题。

  5)小品种氨基酸的继续开发关键是提高技术含量,降低生产成本;同时要建立公平竞争的市场规则,杜绝或减少行业垄断行为。例如对色氨酸,精氨酸,缬氨酸,亮氨酸和异亮氨酸在畜禽饲料中的应用要作为专项开发。该项目直接关系到大幅度降低畜禽产品生产中饲料蛋白原料的使用量,提高肉蛋奶民众食品质量问题。欧洲禽类饲料多利用上述合理配方氨基酸饲料产品,而不主张直接利用单一玉米饲料喂养,因其对植物蛋白利用率低下,剩余的蛋白组分以粪便排出,且污染环境。故小品种氨基酸的开发应用对环境保护蛋白氮排放方面有重要意义。

  发展趋势

  谷氨酸发酵产品已经成为低档商用氨基酸的今天,而国内企业发展规模仍无节制发展,很快导致我国这种出口导向型的氨基酸产品(包括有机酸如柠檬酸)低档化,已经成为了过时传统产业。其标志就是美日韩及台资介入,谷氨酸发酵规模很快扩大,能耗水耗进一步加剧,废水处理技术,如高浓度硫酸根的脱除并未得到有效解决,实际上造成了污染的异地大转移,同时也造成国内工业能耗的急剧增加。

  有鉴于此,过去10年来这类企业为了提高经济效益,出现了生产基地“北移”的趋势。如内蒙西北东北等地接纳了不少规模很大的工业发酵企业,因为当地有丰富的煤碳和玉米等原料,大宗原料运距短,物流成本低,土地价格低廉,加之北方气候干燥寒冷,发酵操作不易污染杂菌,可以整年度连续生产。而地处南方企业,夏季高温季节不得不停产 “检修”。因此,该产业的“节能降耗”,“降低成本“就是从这些因素考虑的,例如,由山东搬迁到内蒙呼和浩特工业园的FF生物科技有限公司,单就味精生产已经成为全球第一大企业——年产60万吨;占地3000多亩,涵盖从热电厂在内的若干个分厂,规模宏大,每天吞吐玉米2-3千吨,年销售收入百亿元人民币。如果同德国一个类型的生物化工企业(Degussa)比较,币值单位要改成百亿欧元。所以,当前所谓发展“高端产业,产业高端”对发展我国氨基酸产业经济,也是应当遵循的基本原则及努力方向,低档化是没有出路的。要加快产品升级换代步伐,利用同样的玉米淀粉制成葡萄糖发酵生产苯丙氨酸,与谷氨酸比较,产值可增加10倍。这已为福建沙县麦丹生物集团过去数年来发展苯丙氨酸产业经济的经验所征明。

  应用苯丙氨酸和天门冬氨酸生产APM,可以切实为我国开辟新糖源直接作贡献。这是笔者85年秋在京参加中科院一次生物技术与工程研讨会上,国家计经委官员说的话,到现在兑现了多少?如不扭转以出口导向型为主的氨基酸产业经济发展方式,何时才能为我国开辟新糖源?与之相联系的就是南方的甘蔗北方的甜菜

  农业种植被APM替换糖料部分,可以用之于生物能源——燃料乙醇的生产,其“技术可行经济合理”不失为优化选择生物制造方案。

  研讨及分析

  新世纪全球生物化工发展趋势是提高资源利用率,降低能耗,对环境友好。我国政府也提出了发展循环经济,低碳环保,绿色制造的方针。氨基酸产业经济要立足于满足国内需求为主,选择性出口,对低档次产品要限制发展,环保不达标实行“一票否决“制;对于利用粮食原料,特别是淀粉类型制糖直接发酵为氨基酸的企业更要从严调控,实行配额制;大力支持新技术且经济效益高的品种快速发展,占领市场;南方的稻米,北方的玉米要开展比较经济学产业化应用研究,大力提倡化学-酶法整合工业生物技术项目生产氨基酸的研究与开发。

  对于以“非粮途径”生物制造氨基酸要重点支持大力发展。即是以石油化工及煤(焦)化工副产品,借助化学手段生产出供酶法生产的原料底物,再经由生物催化和生物加工过程生产出各种天然和/或非天然氨基酸产品。例如,过去20年本实验室的红酵母(苯丙氨酸解氨酶,PAL)/肉桂酸生物制造苯丙氨酸及其结构类似物在国内就是一个典型例证。借助利用苯甲醛和醋酐(柏金法)化工产出肉桂酸,以及已经开发出的四氯化碳(已列入破坏臭氧层的蒙特利尔条约名单)技术路线生产肉桂酸,就正是值得支持上千吨级工业规模生产苯丙氨酸及其结构类似物的“非粮途径”好项目,它与糖质原料现有工艺耗4吨糖产出1吨苯丙氨酸的直接发酵法比较,其节粮效果显著不言自明。国内浙江巨化股份有限公司发展部已经论证了按照四氯化碳—肉桂酸—苯丙氨酸—APM是一条有潜力的路线。据估算四氯化碳法的主要原料成本将降为13045元/t,与柏金法相比,其原料成本低优势明显;若四氯化碳作为焚烧处理,即零价格处理,原料成本优势更明显。

  近来有一家国(央)企背景的头牌企业也喊出了“向非粮原料“要”氨基酸”的口号。声称已与某家全球最大酶制剂公司签署框架协议,“共同开发用棉秆,玉米秸秆等非粮原料来转化糖,并通过发酵法生产氨基酸的工艺”。笔者认为这是当下10年内比较不靠谱的见解,因为纤维素酶及其生物催化加工过程工程仍未达到技术可行经济合理的程度。

  作为氨基酸生物化工新产品新工艺的研发,应该重视“非粮原料”多途径的研究应用。例如,目前我国甲醇化工产能2010年已达3200万吨,产出2000多万吨,这就是一种潜在的有吸引力的氨基酸工业发酵生产碳源。因为甲醇具有成本低,来源丰富,高纯度及水溶性的特征,国外已经有不少利用甲基营养菌发酵甲醇产氨基酸的报道,如谷氨酸,赖氨酸,苏氨酸,苯丙氨酸,和甲硫氨酸,但尚未见工业发大,仅有利用甲醇作一碳单位碳源,经微生物转化甘氨酸工业生产L-丝氨酸的报道。此外,微生物甲醇蛋白(SCP)资源的开发也算是旧事重提。我所 在80年代已经从酒窖环境中采样分离出一株甲烷氧化菌854-1菌株,对甲醇的耐受能力可达2%;当它与甲醇氧化菌85A和85W共培养时,则可在3%或更高的甲醇浓度中生长(内部资料)。显然这是研究微生物甲醇C1代谢生物学的绝好苗头,应用在甲醇蛋白(SCP)开发上正当时,前景很好。

  总之,我国农业是一个粮食生产并不丰富的国家,进口数量不断递增。据悉2010年仅四川就调进粮食1千多万吨。粮食产量增长有限,将呈现“天花板“效应”,应用须得更经济合理。因此,轻化工行业工业用粮要把好关——“限制低档,发展高档” 氨基酸产品。虽然在药用氨基酸方面,18种基本氨基酸已有17种国产化,但是外资外商仍然控制着终端市场;此外,万吨级的化工生产DL-蛋氨酸也已成为现实,能满足国内饲料用途;引进的苏氨酸发酵生产技术及产品也已经投放市场,但是要注重这些氨基酸产品产业链延伸及深度开发应用。例如,开发利用保护苏氨酸作反应物,对猪牛胰岛素B链末端丙氨酸残基经酶法催化替换为苏氨酸的结构修饰,制得与人胰岛素化学结构相同的产品,就是一项很好的开发利用我国动物胰岛素资源,生产高质量胰岛素药品,降低糖尿病临床治疗副作用的好课题。这就是苏氨酸生物制造延伸开发的新用途,很有市场前景。

  建议及前景

  过去20年我国氨基酸产业经济有了长足进展。时至今日,立足于生物制造的科学发展观,审视一下大宗和主要氨基酸生产产品调结构转方式的问题是十分必要的。内容包括:

  1)合理平衡氨基酸生产在资源利用-节能减排-环境保护三者之间的关系;

  2)多种氨基酸的发酵生产都是以粮食为基本原料,要树立“生物炼制”的现代概念,提倡“节粮代粮”借助先进工艺技术发展氨基酸生产;

  3)要积极推进“非粮原料”技术途径生产天然及非天然氨基酸生产方式,减低对依赖单一粮食原料的依赖;

  4)发展氨基酸商品生产应该摆正国内外市场的关系,在确保内需的前提下,适当组织可供出口及延伸的高值产品出口,如苯丙氨酸-APM就是一个典型例证。

  氨基酸生物制造的技术基础在于工业生物催化及生物加工过程。要积极开展工业微生物菌种的分子进化遗传改良,即立足当代生命科学研究提供的海量信息资源库,得以了解细胞代谢的组织结构,借助比较基因组学分析野生型和传统来源工业诱变菌种,可获取菌种高产稳产的分子遗传背景知识。从而建立起一条新的分子育种技术体系,即是在单一野生型背景上仅组装对氨基酸生产(稳产-高产)有利的突变,构建起负载了最小量基础突变的高水平生产突变体菌种。这就是当前育种方法学称谓的“基因组育种”。可以确信,这种全新的手段对现行的氨基酸工业发酵菌种的遗传改良是可操作的,从而带来我国氨基酸工业较传统生产工艺过程更加经济有效。


TAG: 氨基酸

 

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