成果背景:

我国维生素C(Vc)年产量约16万吨以上,供应全球Vc市场,是中国出口量最大的原料药。Vc生产采用我国独创的两步发酵法,其显著特征是第二步发酵为两种菌(产酸菌和伴生菌)的混合发酵,产酸菌必须依赖于伴生菌才能生长和产酸,但两菌生长和转化过程难以协调至最佳状态。这种伴生依赖性常常导致发酵稳定性差、转化效率低下,成为阻碍生产效率提升的关键技术瓶颈问题。此外,Vc发酵提取过程中,会排放以万吨计的废液-如废菌渣液和废母液,废母液COD极高(60-80mg/L)且pH极低,废菌渣COD高(8-10 mg/L),尚缺乏其资源化利用新技术,给Vc企业带来巨大环保压力,严重制约了Vc产业的绿色、可持续发展。

研究内容:

针对上述技术瓶颈问题,经过老中青三代科学家近30年的科技攻关,在Vc发酵技术方面,研究了Vc混菌发酵的生态学过程,查明伴生菌的伴生机制,研究了产酸菌关键代谢酶特征,建立伴生菌和产酸菌的高通量筛选模型并通过太空诱变技术开展发酵菌株的快速筛选,开展酶促双平台发酵和高浓度发酵研究,显著提高了Vc发酵效率;其次,在废弃物资源化利用方面,研究了大宗废弃物的特性,开发废菌渣生产饲料蛋白、废母液高效回收古龙酸钠并生产Vc-Na和废母液生产新型有机肥技术,实现变废为宝。上述新技术为我国Vc产业卡脖子难题提供了一个可行、高效的解决方案。

重大科技贡献:

1、Vc单菌发酵技术体系的建立及工业化应用:从分子水平上揭示了混菌发酵的伴生规律和作用机理,率先分离并纯化出伴生活性物质,查明其为一个3.6万道尔顿酸性单亚基蛋白质,并系统检测了它的理化特性;分离并纯化产酸菌的两个关键酶—山梨糖脱氢酶及古龙酸还原酶,查明其酶促反应条件及差异;研发出简便、廉价的伴生活性制剂制备工艺,构建了以伴生活性物质替代伴生菌、解除伴生依赖性的Vc单菌发酵新技术,同时依据关键酶的各自特性,建立双平台控制单菌发酵技术体系,实现了Vc单菌发酵的生产应用。

2、Vc大宗废弃物资源化利用技术开发及应用:开发了废弃菌渣液的等电聚凝技术,将其制成菌体饲料蛋白产品;根据废母液的特性,从废母液中高效回收古龙酸,并将剩余母液开发成具有显著提高作物产量和品质的特种有机肥料,实现了Vc大宗废弃物的100%资源化和高值化再利用。

成果产出与荣誉:

研究成果已分别在相关维C生产企业和肥料生产企业得到推广和产业化应用,取得了显著的经济和环境效益:发酵新技术在某维C生产企业应用后,3年累计新增产值7.4亿元;建成年产新型生物有机肥料3万吨的示范工厂,使废母液得以资源化和高值化利用。研究成果入选中国科学院建院70周年成果展,获得辽宁省科技进步一等奖(2017年)、农业农村部神农中华农业科技二等奖(2018年)、辽宁省科技进步二等奖(2013年)和沈阳市科技进步一等奖(2012年)等5项科技奖励。累计发表科技论文40余篇(SCI收录12篇),申请国家发明专利20余项(其中授权13项,2项专利获得转化应用),获授权国际发明专利1项,参编中英文专著2部。

成果团队:徐慧、张忠泽、杨伟超、满都拉、孙浩、高明夫、孔双、吕晓欢

Vc废母液生产新型生物有机肥料

东药集团Vc发酵车间

太空诱变菌种的筛选