生物制造,促进化学加工技术变革

“全有机溶剂中化学—酶法高效制备手性菊酯关键技术及产业化”项目

发布时间:2013-01-18来源:浙大新闻办作者:潘怡蒙 卢绍庆5773



    物质加工的方式主要有两种,一种是化学加工,一种是生物加工。生物加工的最大优势是成本低、污染小;化学加工的优势是适用面广、速度快、适用规模化生产。需要进行化学加工的有机化工产品,大多是脂溶性产品或者是需要在有机溶剂中才能合成和生产,如医药、农药原料、化工助剂、日化用品、合成材料等。而生物加工的产品则更多涉及水或微水体系和水溶性产品,如低碳醇、有机酸、氨基酸、维生素、抗生素、酶制剂等。如果能将二者结合起来,实现优势互补,强强联合,越来越成为现代物质加工的主流。
    
    
澳门新葡8455手机版杨立荣研究团队从1998年开始,经过十余年的课题攻关,发明了一种全有机介质中生物催化的新技术。将生物加工的方法用于化学加工的生产领域,在降低生产成本的同时,最大限度地减少生产过程中可能产生的环境污染。“我们最关键的技术就是将生物加工的方式取代或者应用到了化学加工里面去。”杨立荣说。
    
    
生物催化是以细胞或酶作为催化剂进行物质转化的科学。酶催化技术就是生物加工的核心,它让生物加工具有了高效性、高选择性和低污染的特点。那么如何将酶催化技术应用到化学加工体系,并让“酶”这样的生物体能在有机溶剂中存活并发挥出强大的催化能力,是生物加工取代或者应用到化学加工里的核心技术。杨立荣介绍,目前,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。虽然国内外已经有实验室找到了一些生物催化剂能在有机溶剂中有良好的表现,但成本很高,没有办法进行大规模的工业化应用。
    
    
由于现在生物催化剂的开发绝大部分是针对传统水溶液,缺少适合有机溶剂中生物催化剂开发的有效方法,导致适合有机溶剂体系的脂肪酶种类少,选择性不高,易失活。接下来就是要找到一种“生物酶”,它能有在有机溶剂中进行高效催化的能力,并且价格低廉。针对上述难点,课题组发明了三个核心技术。即耐有机溶剂脂肪酶的高通量筛选技术,高选择性脂肪酶的分子改造技术和甲基丙烯酰氧丙基凝胶法制备高效酶的固定化技术。
    
    
“我们首先要高速筛选出产酶微生物,在它们身上都作上相应的荧光记号,并放到有机溶剂中,利用荧光反应方便快速地判断它们所产酶的催化能力。”杨立荣说,通过高速筛选,发现了一株产脂肪酶菌株达到了我们想要的效果,即可在有机溶剂中具有催化能力,但效率还不能满足工业应用的要求,我们总希望这个脂肪酶能达到的效果更好,所以我们对脂肪酶的分子又进行了一系列的改造,让脂肪酶的选择性提高了3.6倍。“但这时的脂肪酶还是太“活跃”,不稳定,我们又进行了脂肪酶固定化新方法的研究,开发了系列新型疏水性载体及凝胶固定化新技术,通过固定化,有机溶剂中酶的催化性能得到了大幅度提高,如活力提高 13.6 倍、比活力提高 20 倍、选择性提高 1.8 倍、寿命提高 2 倍,基本达到了工业应用的要求。”
    
    
在这基础上,课题组选择了可发挥生物催化剂立体选择性优势的手性生物菊酯作为应用目标,又发明了有机溶剂中酶法高效制备手性菊醇的技术以及底物和产物的高效分离技术。
    
    
如果一对分子,它们的组成和原子的排列方式完全相同,但如同左手和右手一样互为镜像,在三维空间里不能重叠,这对分子互称手性异构体。手性生物菊酯包括很多种类。事实上,几乎所有的合成菊酯都含有多个手性异构体,而各异构体的杀虫活性差异巨大。以烯丙菊酯为例:它含有 8 个异构体,高效体和低效体的活性相差近 500 倍,目前使用的产品还是8个异构体的混合物。“我们通过技术的发明挑选出8个异构体当中最好的一个异构体,并让其性能达到最优。”杨立荣说。
    
    
目前,上述技术已应用于拟除虫菊酯类杀虫剂的生物制造当中,并建成了全有机溶剂中化学-酶法高效制备手性菊酯的工业化生产线。“因为这类农药是世界杀虫剂市场支柱产品之一,中国每年的年产能有3.8万吨,产值达到了150亿元。如果能将它的性能提高并且价格降低、污染减少,那对农药行业未来的发展有着非常重要的意义。同时由于使用了最高效的异构体,大大降低了农药用量,避免了大量无效或低效体带入环境,从而使用药过程对人畜更安全、对生态环境更友好。”
    
    
该技术与国内外同类技术先进性相比。目前有机溶剂中化学法需要10步,而本项目所采用的有机溶剂化学-酶法仅需要4步,反应步骤减少6步,工艺大大简化、总收率提高了 4.4 倍、原料消耗大幅度降低、废物排放减少了80%以上,产品光学纯度显著提高。研究成果发表论文20余篇,申请国家发明专利10余项,5项国家专利已获得授权。
    
    
(文 潘怡蒙/摄影 卢绍庆)
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