原标题:【工业之美】100万倍的跨越:生物化工奔向规模化生产

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图片来源:西门子

“我们的工作就像微生物的整形师”从事生物化工研发的周豪宏这样描述他的日常工作,“把从大自然中找到的微生物改造成符合生产要求的反应器。”

生物化工这个词或许过于新鲜,但是借助微生物发酵可以将粮食变成酒或醋的事情却广为人知。而对这位身材高挑,留着一头长发的年轻海归“高材生”来说,他要做的比酿酒复杂百倍。

他和他的团队要寻找一种可以满足精细化工生产要求的微生物和相应的发酵环境。找到这些,他就可以用玉米、植物油、秸秆等农产品合成出可用于制作服装、牙刷,甚至是电子产品所需要的化学材料聚酰胺。

聚酰胺,也就是人们常说的尼龙,主要由不同类型的二元酸和二元胺聚合而成。

2012年,从美国麻省理工学院和加州大学伯克利分校学成归来的周豪宏加入了上海凯赛生物技术有限公司(下称凯赛),担任技术开发副总裁。

这家公司也是目前全球唯一一家利用生物技术规模生产长链二元酸、生物丁醇、生物基戊二胺、生物基聚酰胺(绿色尼龙)等工业化学产品的企业,由刘修才和张启先创立。

1994年,在美国学习工作了十几年后,刘修才选择回到中国,与时任微生物所研究员的张启先一起闯荡正在兴起的生物化工领域。三年后,凯赛在上海注册成立。

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2002年,凯赛建成世界上第一个用生物法生产长链二元酸的大型生产装置并开始了大规模商业化运营。在生产长链二元酸的同时,凯赛还以此为原料,与戊二胺聚合得到长链聚酰胺。

长链二元酸是精细化工的重要原料,可用于合成高性能尼龙工程塑料、高档热熔胶、粉末涂料、润滑油等产品。

尽管这种物质拥有广阔的应用前景,但自然界中并没有它的存在,需要依靠化学合成法(下称化学法)、生物发酵法(下称生物法)等方式来生产。其中,化学法技术较为成熟,但生产工艺复杂、产品获取率低,成本高昂贵、环境污染严重,且核心技术仍由发达国家垄断。生物法则以石油副产品正烷烃为原料
,通过生物酶催化来生成长链二元酸。在理想状况下,生物法获取率更高,也更加清洁。上世纪70年代以来,中科院微生物所的专家们已经在生物法长链二元酸生产技术上取得多项专利技术成果。

经过40多年的发展,中国已成为世界上生物法长链二元酸的最大生产国,在该领域拥有最先进的生物技术。就凯赛而言,截至2018年,凯赛在长链二元酸全球市场的占有率已经达到90%。

值得注意的是,尽管中国在生物法长链二元酸方面拥有诸多优势,但是生物法在实际生产过程中存在的缺点仍不可避免。在清洁的合成出性能更优越的特种化学材料同时,生物法也因在合成过程中会产生复杂的代谢产物,而面临效率不稳定,成本高以及规模化难等问题。

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研发实验室 图片来源:西门子

美高梅注册,“我们每年大约会筛选50万个菌,产生500万个参数,但从中只要挑选出1个可以满足生产需求的菌”周豪宏坦言,这是一个非常大的挑战。

为了激发出微生物的最大潜能,研究人员在将微生物由实验室推向工业生产的过程中,需要对菌种和发酵条件进行三步筛选——分别在平板、摇瓶和小型发酵罐中进行繁殖筛选试验。然而在大多数情况下,在实验室小试中表现出色的菌种,一旦进入工业化生产就不及格了。

“与化学催化剂比,生物催化有自己的特色,环境温度、PH值、溶氧调控等诸多因素都会影响到菌种的发酵。同时,这种影响是多方面的,每个影响因素在不同产品生产过程中的影响程度也有所不同”
北京化工大学教授苏海佳对界面记者表示。这就要求研究人员不断重复筛选过程,以测试具体是哪个关键因素影响了菌种的变化。

考虑到各种复杂因素的叠加,业内人士认为生产者必须将效率提高100万倍,才能让生物法生产出的产品拥有足够的竞争力,与化学法生产的同类产品争夺市场份额。

对于周豪宏和他的团队而言,最大的梦想之一是,将来每年可以完成目前筛选量的10倍甚至100倍。“成功率都是50万比1,要想扩大研发规模就意味着数据处理量的倍增。”他补充到。

事半功百倍

为了提高效率和竞争力,2017年,凯赛与西门子签订协议,决定在新疆乌苏合作建设智能工厂,希望用数字化技术推动规模化生产。乌苏生产基地投产后,预计年产量为10万吨生物基聚酰胺、5万吨生物基戊二胺和3万吨长链二元酸。

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即将投产的凯赛乌苏智能工厂
图片来源:西门子

在这个即将投产的智能工厂中,凯赛与西门子共同开发了SIPAT系统,试图通过数字化分析,帮助研究人员直接找到某些重要参数和最后产率之间的关联性,从而将筛选过程由三步变成一步。

西门子的资料显示,SIPAT集成了过程分析、过程控制、数据收集、存储和恢复、数据分析、持续改善和知识管理等多种工具,并在线跟踪整个过程以控制质量,直至产品实时发布。

包括化工、冶金、制药等在内的行业属于过程工业,即需要借助一系列的加工装置使原材料进行化学或生物反应。“其核心是配方处理,这一过程的起点通常是实验室,用反复的配比实验,挑出最有价值的配方。”
西门子过程工业与驱动集团流程工业行业总监徐一滨这样讲述他对于生物化工行业的理解。

在实际研发过程中,周豪宏也发现生物制造在原料配方和工艺条件方面更多的依赖经验,但他认为,未来的工厂可以将工艺数据储存在系统中,而不再依赖人的经验来控制工艺。

事实上,减少生物基产品在大规模生产过程中对操作者经验的依赖,也是凯赛希望通过智能工厂来解决的主要问题之一。

“如果能够将一个生产过程模块化的话,那么在其产业化过程中,外界因素造成的影响将有效减小”苏海佳解释到。她认为,无论是在实验室层面还是规模化生产层面,数字化技术都能对生物化工的发展产生推动作用。

“从大数据中发现相关性并找出指导生产的规律,这正是数字化技术的强项。”
凯赛董事长兼首席执行官刘修才也表示。

拥有未来的绿色生物化工

“目前合成生物技术的发展速度比较快,微生物改造更加方便,流程更加简单,成本也有所降低”苏海佳表示。但是,由于大宗产品生产对成本更加敏感,合成生物学现在还是更多的应用在高端医药领域。

合成生物学,即综合利用化学、物理、分子生物学等多学科来设计、改造、重建或制造生物分子、代谢途径和过程,乃至细胞和生物个体等。这也是生物基产品研发的基础。

一位化工行业咨询机构的聚酰胺分析师对界面记者表示,就现阶段而言,生物基产品在生产工艺方面还不够成熟,企业对其生产工艺和产品性能的稳定性仍存在一定疑虑,生物基产品的市场认可度仍有待提升。“稳定的质量和有竞争力的成本是企业关注的重点”她说。

“生物制造是一个崭新的行业,我们自己也是在摸索着前进。”
刘修才坦言。

就在凯赛尝试将研发成果用于规模化生产的同时,周豪宏和他的团队也在一刻不停的进行研发。现在,他们正在尝试用可再生原料来试生产长链二元酸。这一技术或将在不久的将来,让很多生物基产品的可再生版本成为可能。

使用可再生原料的生物法技术将是未来的发展方向已经得到生物化工专家的广泛认同。事实上,早在2008年就有生物化工专家撰文表示,考虑到石油价格的上涨和石油资源的短缺,用可再生植物油代替正烷烃为原料,从而开发出可持续发展的长链二元酸生物合成技术将是未来一段时间的发展方向。

但与此同时,也有业内人士表示,使用可再生原料的生物制造技术在推广过程中仍需解决诸多问题,例如,原材料质量不稳定;产品开发周期长;产业化程度低;技术和装备仍有待进一步提高等。

刘修才认为,生物化工要想成功需要做好三件事,一是生产出比石油化工产品质量更好、性能更突出的产品;二是与当前的石油化工相比,成本要更具竞争力;三是生产规模的提升。

“乌苏智能工厂只是一个小规模尝试”,刘修才表示,下一步,他计划将数字化工厂的规模扩大10倍,届时的生产规模将与一个较大型炼油厂的规模相当。返回搜狐,查看更多

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