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开发新型酶技术 实现转型升级

核心提示:近10年内全球化学品产量增加了4倍,生物催化剂的使用却让污染物的排放量减少了20%。环境重压之下,以绿色生物工艺改造传统的化学加工业,就如同“数码技术”取代“胶片技术”一样成为必然趋势。

中国生物产业网www.cnbioindustry.cn】2013年1月22日讯  近10年内全球化学品产量增加了4倍,生物催化剂的使用却让污染物的排放量减少了20%。环境重压之下,以绿色生物工艺改造传统的化学加工业,就如同“数码技术”取代“胶片技术”一样成为必然趋势。

遗憾的是,我国至今还没能建立起一套完整的以生物催化技术为核心的绿色工业体系。

“我国造纸、纺织、皮革、有机化工等领域,仍然以化学加工为主,普遍存在高能耗、高物耗、高水耗等问题,这些领域也是环境污染的重点源头。”

在接受《中国科学报》记者采访时,中国科学院天津工业生物技术研究所副所长、工业酶国家工程实验室主任马延和表示,我国亟须研制一批具有重要应用价值的大宗工业酶制剂,实现从结构解析、分子改造到规模化表达制备的技术创新,加快促进传统工艺的绿色转型升级。

革新传统工艺

值得注意的是,近十多年来,我国的经济发展迅速,但资源和能源消耗却是世界平均水平的2~3倍,COD(化学需氧量)排放持续超高。

COD是在一定的条件下,采用一定的强氧化剂处理水样时,所消耗的氧化剂量。它是表示水中还原性物质多少的一个指标。水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等,但主要是有机物。因此,COD又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。COD越大,说明水体受有机物的污染越严重。据统计,我国轻纺和化学品制造的整体COD排放占全国总排放的60%,其中造纸占30%、纺织占10%、制革占5%。

然而眼前的现实是,由于造纸、纺织等上述工业领域为我国贡献了7万亿以上的GDP,约占全部GDP的18%,即使这些领域污染排放量大,我国也不可能简单地将其关闭或转移。

在马延和看来,我国工业领域急需采取更多的绿色技术与工艺来提升产业水平,大幅度节能减排。而工业酶在轻纺与化工等工业过程中的应用,可大大降低化学品的用量,降低水耗、物耗,节能减排效果显著。

例如,在造纸纸浆处理中,木聚糖酶的应用可以减少后续漂白段25%~35%的用氯量,减少漂白废水总有机氯约30%;在纺织领域,果胶酶、脂肪酶、蛋白酶等生物酶精炼与传统碱精炼相比,COD排放降低近98%,能耗降低40%。

从世界范围来看,工业酶在传统轻工行业、化学品制造、生物炼制等领域的应用也在明显加快,特别是植物纤维加工用酶,如半纤维素酶、果胶酶等在棉布加工、纸浆漂白、废纸脱墨等方面有了较大发展。

马延和表示,这些工业酶制剂的应用正在推动传统纺织、造纸等行业工艺路线的革新,实现能耗、废弃物排放以及物耗水平的大幅降低。

开发新型酶技术

在马延和看来,近年来,工业酶相关基础技术的研究进展十分明显。例如,新基因、新酶的挖掘和相关高通量筛选、高通量应用性能评估技术;酶的分子改造特别是理性设计和非理性设计的结合等。另外,酶的化学修饰和固定化也是工业酶研发的一个非常活跃的领域。

由于工业酶潜在的商业价值,欧美还涌现出一批学术型创新公司,这些公司的技术水平几乎与世界顶尖实验室同步,而且技术更商用、更细致、更规范。

可是反观我国,工业酶制剂依然存在性能差、成本高、应用难等核心技术问题,与国外先进水平存在较大差距。

不过,值得一提的是,我国在酶的资源和改造、酶的部分应用领域的技术水平和发展势头上,依然具有良好的基础条件。

据马延和介绍,我国已经成功地从极端环境筛选到了大量的具有优良性质的工业用酶,包括木聚糖酶、漆酶、果胶酶、蛋白酶、过氧化氢酶等,基于基因组序列数据库发现新酶的数据挖掘技术也得到了较大的进展。

与此同时,我国学术界还能够迅速采用国际上主要的先进技术,如定向进化技术和迭代组合突变技术等,并发展了若干具有国际水平的原创技术,如细菌自裂解筛选技术以及通过体外分子进化技术获得耐高温β-葡萄糖苷酸酶、木聚糖酶、高活性的α-淀粉酶等。

作为我国工业酶制剂研发的领军人物之一,马延和表示,我国目前正在从化学工业过程转型升级对工业酶的需求出发,积极开展化工、纺织、造纸、制革、制胶、有机合成等领域的重大工业用酶研制及其工程化应用研究。

研究的重点主要包括:工业酶结构功能解析与分子设计改造、蛋白质高效表达系统构建和规模化发酵、酶分子修饰,以及酶制剂的复配等关键技术;研制木聚糖酶、果胶酶、过氧化氢酶、蛋白酶、脂肪酶等新型酶制剂,提高酶蛋白的工业适应性,降低成本。

我国未来还将建立生物印染、生物漂白、生物脱胶、生物制革、生物制胶、生物有机合成等6大生物工艺技术,减少相关工业过程的水资源消耗、能量消耗、化学品使用量、污水排放量,力求实现节能减排30%以上。

实现转型升级

“创新的6大生物工艺技术的应用成本将优于传统化学加工工艺,或者与其相当,节能减排效果显著。”马延和说。

实验数据显示,以果胶酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶为主的酶法麻类脱胶新工艺,与化学法相比,节煤、节水达到60%,减少化学药品使用量70% 以上,从源头上减少污染物70%以上;以角质酶、碱性果胶酶和过氧化氢酶应用的生物印染绿色工艺,以及纺织印染过程全酶法生物处理替代传统的化学处理技术,实现节水、节能及化学试剂使用量减少均达到30%以上。

马延和表示,根据我国纺织印染、造纸、制革、麻类脱胶、明胶制备以及有机合成工业应用的工艺需要,并结合节能减排的过程需求,通过对酶蛋白分子改造,将大幅度提升酶的活力和工业应用性能,改善酶的高温稳定性和耐碱性能,促进传统工艺的绿色转型升级。

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