陳國(guó)強(qiáng)，王穎

生物基材料在國(guó)外也得到了不同程度的發(fā)展，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本都有少量的生產(chǎn)能力，在基礎(chǔ)研究方面，美國(guó)、德國(guó)和日本在PHA領(lǐng)域進(jìn)行的最為深入。近10年我國(guó)快速趕上，在合成功能性PHA領(lǐng)域已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平；美國(guó)有14萬t PLA的生產(chǎn)能力，荷蘭10萬t以上的乳酸生產(chǎn)能力，我國(guó)PLA在應(yīng)用和生產(chǎn)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步；PBS方面，德國(guó)、美國(guó)、日本在建萬噸以上的生產(chǎn)能力各一個(gè)，而我國(guó)已經(jīng)建成和正在生產(chǎn)萬噸 PBS及其單體丁二酸；二氧化碳共聚物 (PPC) 國(guó)外則主要進(jìn)行中試研究，而我國(guó)早已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；1,3-丙二醇及其共聚物PTT主要由美國(guó)生產(chǎn)，產(chǎn)量萬噸以上。我國(guó)1,3-丙二醇也能大量和廉價(jià)地生產(chǎn)，聚合過程的放大也取得了成功。

1 聚羥基脂肪酸酯 (PHA)

我國(guó)PHA領(lǐng)域的研究在世界范圍內(nèi)是最活躍的，特別是清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院。基礎(chǔ)研究的活躍開展，進(jìn)一步促進(jìn)了我國(guó)PHA產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]。我國(guó)在研究、開發(fā)和應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好生物材料方面已經(jīng)積累了相當(dāng)多基礎(chǔ)，包括清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、天津大學(xué)和山東大學(xué)等單位在PHA領(lǐng)域的研發(fā)工作以及國(guó)內(nèi)業(yè)已形成的2萬t/年的PHA生產(chǎn)能力，這為PHA產(chǎn)業(yè)鏈形成做好了技術(shù)和物質(zhì)儲(chǔ)備，PHA除了作為環(huán)境友好的生物基材料來使用之外，還正在被開發(fā)為醫(yī)用植入材料、生物燃料、藥物中間體、動(dòng)物飼料等 (圖 1)。天津國(guó)韻生物材料公司建立一個(gè)萬噸的PHA工廠，目前產(chǎn)能僅次于美國(guó)Metabolix。還有浙江寧波天安生物材料公司的現(xiàn)有 2 000 t/年的產(chǎn)量、山東省意可曼科技有限公司5 000 t/年等，使我國(guó)在PHA領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

除了在產(chǎn)業(yè)化方面取得成功之外，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，我國(guó)還克隆了 20多個(gè)與生物聚酯PHA合成有關(guān)的基因，對(duì)至少3株P(guān)HA工業(yè)生產(chǎn)菌包括嗜水氣單胞菌 Aeromonas hydrophila 4AK4、鹽單胞菌 Halomonas strain TD和Halomonas strain LS21進(jìn)行了全基因測(cè)序，合成了30多種非傳統(tǒng)的PHA材料，開發(fā)了PHA加工成型的工藝技術(shù)。PHA是一種典型的“低碳材料”，它來源于吸收了二氧化碳的植物，PHA形成后可以作為塑料使用，使用后可以轉(zhuǎn)化為燃料HAME，燃燒后放出的二氧化碳進(jìn)行光合作用轉(zhuǎn)化為植物，植物又可以作為PHA發(fā)酵原料 (圖2)。

最近清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室[3]發(fā)現(xiàn)嗜鹽細(xì)菌可以在含有氯化鈉的海水中快速生長(zhǎng)。由于氯化鈉的高滲透壓以及生長(zhǎng)的 pH高達(dá) 10，基本排除了其他雜菌的生長(zhǎng)。利用嗜鹽細(xì)菌，該實(shí)驗(yàn)室成功地開發(fā)了節(jié)能、節(jié)水和連續(xù)的生物制造新技術(shù)，他們利用分子技術(shù)對(duì)嗜鹽細(xì)菌進(jìn)行改造，已經(jīng)成功地獲得了數(shù)種生物聚酯材料PHA、數(shù)種蛋白。目前正在用該嗜鹽細(xì)菌構(gòu)建制造各種化學(xué)品的平臺(tái)，包括5-氨基乙酰丙酸、維生素B12和3-羥基丙酸等。這個(gè)嗜鹽細(xì)菌生物制造平臺(tái)具有以下特點(diǎn)，克服了一般生物制造的缺點(diǎn)，使生物制造成本能大幅降低：

對(duì)嗜鹽菌進(jìn)行的從頭改造，使其能在無滅菌和連續(xù)工藝過程中，利用海水為介質(zhì)高效生產(chǎn)各種PHA (圖3和圖4)。該菌通過合成生物學(xué)技術(shù)的基因組改寫，已經(jīng)完成了對(duì)混合碳源利用、基因組的重構(gòu)、超高 PHA積累 (92%) 等工作[4]。大幅度降低PHA的生產(chǎn)成本，使PHA的競(jìng)爭(zhēng)力得到大幅度的提高。目前在產(chǎn)業(yè)化的合作單位有：青島蔚藍(lán)生物股份有限公司 (中試細(xì)胞密度在36 h 達(dá)到118 g/L，PHA含量達(dá)到至少 80%)、山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司 (中試已經(jīng)獲得幾十公斤產(chǎn)品)、山東百盛生物科技有限公司等從事生物技術(shù)的公司。另外與荷蘭高分子研究所一起進(jìn)行 PHA高附加值材料的開發(fā)。

圖1 PHA產(chǎn)業(yè)鏈[2]Fig. 1 PHA industrial value chain[2].

2 聚乳酸 (PLA)

圖2 PHA的低碳循環(huán)流程Fig. 2 PHA low carbon recycle.

聚乳酸 (PLA) 是一種新型的、來源于植物資源的生物可降解高分子材料，具有良好的使用性能和加工性能，是目前綜合性能最好、性價(jià)比最高的可降解材料之一。外觀上，PLA具有與普通塑料相似的性能，但是其可在自然或堆肥條件下實(shí)現(xiàn)降解，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)環(huán)境無害的小分子物質(zhì)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于塑料型材、薄膜，以及無紡布、纖維、餐具、嬰童用品；一次性用品如地膜、包裝膜 (袋)、食品袋、超市購(gòu)物袋、垃圾袋、快餐餐具等，為解決環(huán)境污染和石油緊缺等問題提供有力的材料支撐。與現(xiàn)有的石油基不可降解塑料相比，PLA這一特性更加符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的理念。

雖然在20世紀(jì)50年代，DuPont公司就已申請(qǐng)了 PLA聚合的專利，但直到 1997年才由Cargill-Dow公司 (現(xiàn)為Nature Works公司) 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，達(dá)到了10萬t/年的生產(chǎn)能力。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所聯(lián)合海正集團(tuán)于2007年建成國(guó)內(nèi)首條5 000 t級(jí)PLA中試生產(chǎn)線，目前產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際一流水平。海正生物材料股份有限公司是繼美國(guó)之后全球第2家達(dá)到千噸級(jí)以上生產(chǎn)能力的廠家。

圖3 利用合成生物學(xué)技術(shù)部分完成了一株嗜鹽菌的從頭改造，使其能在無滅菌和連續(xù)工藝過程中高效生產(chǎn)各種PHA (該菌通過合成生物學(xué)的改造，已經(jīng)完成了對(duì)混合碳源利用、基因組的修改、超高PHA積累 (92%) 等工作)[5]Fig. 3 In situ reconstruction of Halomonas sp. using synthetic biology approaches, allowing the high efficient production of diverse PHA under continuous and unsterile conditions. The reconstructed strain was able to grow in mixed substrates to accumulate over 92% PHA in the cell dry weight[5].

圖4 嗜鹽菌在無滅菌和連續(xù)過程中高效生產(chǎn)各種PHA，大幅度降低PHA的生產(chǎn)成本[5]Fig. 4 High efficient production of diverse PHA by Halomonas spp. under unsterile and continuous conditions,leading to significant reduction of PHA production cost[5].

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所與海正集團(tuán)在2000年即開始合作進(jìn)行PLA產(chǎn)業(yè)化探索，2002年完成了聚乳酸10 L實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究并通過浙江省科學(xué)技術(shù)廳專家鑒定；2003年11月建成了年產(chǎn)30 t聚乳酸樹脂的中試車間；2004年8月設(shè)立了浙江海正生物材料股份有限公司、專門致力于聚乳酸的產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化。2005年，正式啟動(dòng) 5 000 t/年示范生產(chǎn)線建設(shè)，并針對(duì)PLA的工程特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，優(yōu)化工藝，設(shè)計(jì)專用設(shè)備，到2006年10月設(shè)備安裝完成 (圖5)。到2007年，整條生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到了國(guó)外同行業(yè)水平。2008年5月，年產(chǎn)5 000 t聚乳酸項(xiàng)目順利通過國(guó)家科技部驗(yàn)收。2014年底有一條萬噸生產(chǎn)線建成。5萬 t生產(chǎn)線已經(jīng)啟動(dòng)籌建。至此，我國(guó)PLA產(chǎn)業(yè)化進(jìn)入了新的領(lǐng)域。

案例教學(xué)法還能實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。在案例教學(xué)中，教師不僅是引導(dǎo)者而且也是學(xué)習(xí)者。一方面，教師掌握著教學(xué)進(jìn)程，引導(dǎo)學(xué)生思考、組織討論研究，并進(jìn)行總結(jié)、歸納。另一方面，收集案例的過程就是一個(gè)學(xué)習(xí)的過程，教師在教學(xué)中與學(xué)生共同討論同一話題，也可以從中獲得大量感性材料。教師在課堂上不再“獨(dú)唱”，既能更合理地利用體力和腦力，也能從中獲得一種成就感。

此后，研究團(tuán)隊(duì)依托海正生物材料不斷進(jìn)行聚乳酸技術(shù)升級(jí)改造，成功開發(fā)出光學(xué)純度高達(dá)99.5%以上，熔點(diǎn)最高可達(dá)179 ℃的聚乳酸樹脂，掌握了從乳酸脫水、裂解、精餾、聚合的全套核心工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)乳酸的可控、高效聚合[6-10]?，F(xiàn)已推出20余種改性PLA牌號(hào)產(chǎn)品，將PLA的耐熱使用溫度由60 ℃提高至120 ℃，PLA立體復(fù)合物達(dá)到180 ℃以上，韌性可增加5?10倍 (表 1)。加工方式涵蓋擠片、注塑、淋膜、吹膜、吹塑、流延、紡絲等，極大地?cái)U(kuò)展了PLA應(yīng)用范圍。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所與海正生物材料已經(jīng)形成了一個(gè)聚乳酸生產(chǎn)、研發(fā)、市場(chǎng)銷售和服務(wù)于一體的團(tuán)隊(duì)，生產(chǎn)和研發(fā)實(shí)力達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。保證了聚乳酸產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的不斷提升和進(jìn)一步的規(guī)模擴(kuò)大。

圖5 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所與海正集團(tuán)建立的聚乳酸工廠Fig. 5 Polylactide plant jointly constructed by Changchun Institute of Applied Chemistry and Haizheng Group.

表1 聚乳酸技術(shù)指標(biāo)升級(jí)[6-10]Table 1 Enhanced properties of polylactides[6-10]

3 二氧化碳基塑料 (PPC)

二氧化碳基塑料是指以二氧化碳為單體與環(huán)氧化物通過共聚反應(yīng)制備的一種高分子材料。該材料不僅利用溫室氣體二氧化碳，而且本身具有全生物降解特性，因此是一種低碳環(huán)保型高分子材料。由于二氧化碳作為碳的最高氧化態(tài)，難以活化，因此，如何設(shè)計(jì)與制備可以高效催化活化二氧化碳與環(huán)氧化物的催化劑一直是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。此外，由于二氧化碳基塑料的分子鏈缺少?gòu)?qiáng)極性基團(tuán)，分子鏈間相互作用力弱，導(dǎo)致材料的熱學(xué)和力學(xué)性能較差，如何改善材料的熱學(xué)和力學(xué)性能是二氧化碳基高分子材料應(yīng)用的基礎(chǔ)[11-17]。

從1997年開始，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所 (以下簡(jiǎn)稱中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所) 針對(duì)二氧化碳基高分子材料研究所面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，以催化劑研究為基礎(chǔ)，并通過化學(xué)和物理方法改善材料性能。其開發(fā)的稀土三元催化劑及其負(fù)載化技術(shù)，催化活性達(dá)到100 g聚合物/g催化劑以上，有效地降低了催化劑成本。與此同時(shí)，發(fā)明了雙功能金屬卟啉催化劑，成功將金屬中心鈷替換為低毒的中心金屬鋁，從而開發(fā)了一種環(huán)保型均相催化劑體系。在催化劑研究和聚合工藝開發(fā)基礎(chǔ)上，中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所從2001年開始積極推動(dòng)二氧化碳基塑料的產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐，2004年在內(nèi)蒙古蒙西集團(tuán)建成了世界上第一條千噸級(jí)二氧化碳基塑料生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了數(shù)均分子量超過15萬的二氧化碳基塑料PPC的批量生產(chǎn)，使二氧化碳基塑料產(chǎn)業(yè)取得了從無到有的突破。在此基礎(chǔ)上，2011年又與浙江邦豐塑料有限公司合作建成了世界上規(guī)模最大的萬噸級(jí)生產(chǎn)線 (圖6)，于2013年實(shí)現(xiàn)了萬噸級(jí)二氧化碳基塑料生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)[16-17]。

在聚合物改性方面，通過單體修飾，在高分子側(cè)鏈引入親水性基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了材料親水性的調(diào)制和熱響應(yīng)型高分子材料的合成。物理改性方面，利用氨酯化合物，通過分子間氫鍵相互作用原理，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳基高分子材料熱學(xué)和力學(xué)性能的提升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了材料的增韌和增強(qiáng)。由此開發(fā)的二氧化碳基塑料專用料和薄膜制品通過了美國(guó)生物分解塑料協(xié)會(huì) (BPI)的認(rèn)證，在美國(guó)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了銷售。

除了中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所之外，中國(guó)科學(xué)院廣州化學(xué)研究所、中山大學(xué)也在二氧化碳基塑料的產(chǎn)業(yè)化方面取得了進(jìn)展。但是與聚烯烴產(chǎn)業(yè)相比，二氧化碳基塑料產(chǎn)業(yè)仍需解決催化劑活性相對(duì)較低、改性成本較高等影響材料推廣應(yīng)用的瓶頸問題，隨著催化劑體系的開發(fā)和改性技術(shù)的升級(jí)，二氧化碳基塑料作為具有最低理論成本的生物降解塑料有望實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的應(yīng)用推廣[17]。

4 聚丁二酸丁二酯 (PBS)

PBS是聚丁二酸丁二酯及其共聚物的簡(jiǎn)稱，是一類由丁二酸、丁二醇縮聚及和其他二元酸或二元醇共縮聚制備的一類可降解脂肪族聚酯。PBS有著良好的綜合力學(xué)性能和優(yōu)異的加工性能，可以進(jìn)行吹塑、吸塑、注塑、流延、吹膜和紡絲等加工[18-26]。

圖6 浙江臺(tái)州3萬t/年二氧化碳基塑料生產(chǎn)線外景 (左) 和二氧化碳基塑料膜制品PCO2ò (南通華盛) (右)Fig. 6 CO2 copolymer plastic production plant capable of producing 30 000 t/year located in Taizhou/Zhejiang province (left) and a film made of CO2 copolymer plastic with a trade name of PCO2ò(right).

在應(yīng)用研究方面，目前國(guó)內(nèi)有清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所實(shí)現(xiàn)了PBS的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。清華大學(xué)化工系從 1999年開始研究PBS類生物降解塑料的合成、結(jié)晶和降解性能，PBS項(xiàng)目先后受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家科技部的支持。開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的催化劑、聚合工藝，通過直接縮聚合成出了重均分子量達(dá)到180 000的PBS樹脂。采用的復(fù)配稀土催化劑，具有活性高、水解穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。通過改變共聚比例，可以很方便地調(diào)節(jié)共聚物的機(jī)械性能和降解速率。通過制備支化 PBS，可以提高熔體強(qiáng)度和薄膜產(chǎn)品的抗沖擊性能和撕裂強(qiáng)度。最近，基于結(jié)晶時(shí)的構(gòu)象匹配原理設(shè)計(jì)合成了高效的高分子型成核劑，使PBS的結(jié)晶速率提高了20倍，有望提高薄膜的透明度。

在基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)還和企業(yè)合作，進(jìn)行PBS的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。2007年在安徽安慶和興化工有限公司建成了3 000 t/年的PBS生產(chǎn)裝置 (圖7)，2010年在安徽安慶和興化工有限公司建成年產(chǎn)10 000 t PBS的連續(xù)法生產(chǎn)線。2012年在新疆藍(lán)山屯河聚酯有限公司建成年產(chǎn)5 000 t薄膜級(jí)PBS和PBAT的間歇法生產(chǎn)裝置，可以生產(chǎn)熔指為 4–8 g/10 min(190 ℃，2.16 kg) 的PBS和PBAT，其端羧基含量小于20 mol/t。

PBS樹脂的吹膜性能好，加工窗口寬，可在150?200 ℃范圍進(jìn)行擠出吹膜。合適的分子量分布還保證了樹脂有良好的流動(dòng)性能。PBS樹脂已大量提供給制品廠家，用于和淀粉、聚乳酸等進(jìn)行共混，和淀粉、聚乳酸表現(xiàn)出較好的工藝相容性，已用于一次性餐具、超市購(gòu)物袋和地膜等用途，正在新疆進(jìn)行農(nóng)田可降解地膜的試驗(yàn)。

目前，清華大學(xué)正和山東蘭典生物科技股份有限公司等單位合作，興建年產(chǎn)50 000 t生物基PBS的生產(chǎn)線，用生物法丁二酸合成PBS。這一方案，可以同時(shí)達(dá)到二氧化碳減排和可降解生物材料制造的目標(biāo)。而且采用生物發(fā)酵工藝生產(chǎn)的原料，還可大幅降低原料丁二酸的成本。此外，清華大學(xué)和內(nèi)蒙古東源科技有限公司籌建生物降解高分子材料聯(lián)合研究中心，以煤為原料，通過炔醛法合成丁二醇，以降低PBS原料丁二醇的成本。希望通過這些方法進(jìn)一步降低PBS的成本，推動(dòng)其大規(guī)模應(yīng)用。

5 聚丁二酸丁二酯 (PBS) 單體丁二酸的生物技術(shù)生產(chǎn)

丁二酸是一種重大化工原料，被美國(guó)能源部列為未來12種最有價(jià)值的平臺(tái)化合物之一。其廣泛應(yīng)用于化工、材料、醫(yī)藥、食品領(lǐng)域，還可以衍生出多種重要的下游化工品，如 1,4-丁二醇、四氫呋喃、γ-丁內(nèi)酯等。另外，丁二酸和1,4-丁二醇聚合能得到PBS (聚丁二酸丁二醇酯)，是一種性能優(yōu)良的生物全降解塑料。丁二酸未來的市場(chǎng)潛力每年將超過270萬t。

目前，丁二酸的生產(chǎn)都是基于石油基原料的石化路線，價(jià)格居高不下，嚴(yán)重制約了 PBS塑料的推廣應(yīng)用。另外，石化制造工藝還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。開發(fā)丁二酸的先進(jìn)生物制造技術(shù)能擺脫石油資源依賴，降低丁二酸生產(chǎn)成本，并減少環(huán)境污染，是目前國(guó)際生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)。國(guó)際上Revedia公司(荷蘭DSM公司和法國(guó) Roquette公司合資)、美國(guó) Myriant公司、美國(guó)BioAmber公司、德國(guó)BASF公司等已開發(fā)出微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸技術(shù)，并正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。其中，Revedia公司的年產(chǎn)10 000 t丁二酸的生產(chǎn)線已經(jīng)投產(chǎn)。

圖 7 PBS生產(chǎn)線及其產(chǎn)品和應(yīng)用 (A：年產(chǎn)萬噸 PBS的連續(xù)法生產(chǎn)線；B：PBS薄膜產(chǎn)品；C：剛鋪的農(nóng)田用可降解地膜；D：出苗后的可降解地膜)Fig. 7 PBS production line, products and applications. (A) PBS continuous production line with a capacity of over 10 000 t/year. (B) PBS films. (C) Fresh used PBS mulching films on the field. (D) Seed plants grown on field covered with PBS mulching films.

圖8 大腸桿菌高產(chǎn)丁二酸的遺傳機(jī)制 (綠色圓圈代表磷酸戊糖途徑、轉(zhuǎn)氫酶和丙酮酸脫氫酶模塊被激活，提高丁二酸的轉(zhuǎn)化率；紅色圓圈代表葡萄糖利用、PEP羧化、還原型TCA和丁二酸轉(zhuǎn)運(yùn)模塊被激活，提高丁二酸的生產(chǎn)速率)Fig. 8 The genetic mechanisms for high-succinate production by engineered Escherichia coli strain. Green circles represent activated pentose phosphate, transhydrogenase and pyruvate dehydrogenase modules which increase succinate yield. Red circles represent activated glucose utilization, phosphoenolpyruvate (PEP) carboxylation,reductive TCA and succinate export modules which increase succinate productivity.

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所張學(xué)禮課題組也成功開發(fā)出微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸的核心技術(shù)。以大腸桿菌為出發(fā)菌株，使用系統(tǒng)代謝工程技術(shù)，結(jié)合丁二酸合成途徑的理性改造和菌株的進(jìn)化代謝，構(gòu)建出一個(gè)高效生產(chǎn)丁二酸的大腸桿菌細(xì)胞工廠。在5 L發(fā)酵罐水平，丁二酸產(chǎn)量達(dá)125 g/L，轉(zhuǎn)化率達(dá)1.05 g/g葡萄糖。在此基礎(chǔ)上，通過全基因組測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組分析及酶活分析，解析了菌株高產(chǎn)丁二酸的分子機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)丙酮酸脫氫酶PDH的E3編碼基因lpdA發(fā)生突變，導(dǎo)致酶活比野生型提高了26倍，解除了NADH對(duì)PDH酶活的抑制，從而為厭氧合成丁二酸途徑提供更多的還原力。磷酸戊糖途徑和轉(zhuǎn)氫酶的激活也提高了細(xì)胞的還原力供給，從而提高了丁二酸的糖酸轉(zhuǎn)化率 (圖 8)。另一方面，葡萄糖利用、磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP) 羧化、還原型TCA和丁二酸轉(zhuǎn)運(yùn)模塊的激活提高了丁二酸的生產(chǎn)速率 (圖8)。該研究還在國(guó)際上首次提出了以NADPH為還原力的丁二酸合成新途徑[27]。

在獲得第 1代丁二酸細(xì)胞工廠后，將丁二酸合成途徑分為若干個(gè)功能模塊，進(jìn)一步進(jìn)行改造提升。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)假單胞菌葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因glf和大腸桿菌葡萄糖激酶編碼基因glk的組合調(diào)控，將丁二酸生產(chǎn)速率提高了42%[28-29]。發(fā)現(xiàn)協(xié)同利用 PEP羧化激酶和 PEP羧化酶，能夠充分發(fā)揮各自催化優(yōu)勢(shì)，比利用單個(gè)羧化酶更有利于丁二酸的合成；同時(shí)使用兩個(gè)羧化酶，將丁二酸生產(chǎn)速率提高了71倍[30]。發(fā)現(xiàn)DcuB和DcuC是主要的丁二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；通過對(duì)dcuB和dcuC基因表達(dá)的組合調(diào)控，將丁二酸產(chǎn)量提高了 34%[31]。這些功能模塊的改造為構(gòu)建第2代丁二酸細(xì)胞工廠奠定了基礎(chǔ)。

目前該技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給山東蘭典生物科技股份有限公司，并在10 m3發(fā)酵罐中完成中試，丁二酸產(chǎn)量達(dá)100 g/L，轉(zhuǎn)化率達(dá)1 g/g葡萄糖。2015年將建成國(guó)際上最大的年產(chǎn)5萬t丁二酸的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線。

6 展望

對(duì)我國(guó)來說，這些生物材料基本沒有特別的技術(shù)壁壘需要專門突破。市場(chǎng)上，我國(guó)在許多材料的應(yīng)用領(lǐng)域沒有注意專利保護(hù)，國(guó)外許多應(yīng)用專利在我國(guó)注冊(cè)了，所以將來的大規(guī)模推廣可能受到影響。突破的方法是大力投入研發(fā)，獲得更多的應(yīng)用專利，將來與國(guó)外企業(yè)進(jìn)行交叉許可。為了迎接已經(jīng)到來的“低碳經(jīng)濟(jì)”，應(yīng)把我國(guó)生物基材料作為戰(zhàn)略產(chǎn)品來開發(fā)，使其成為我國(guó)特色產(chǎn)業(yè)，做大做強(qiáng)我國(guó) PHA、PLA、PBS、PPC、PTT、生物PE和淀粉基材料產(chǎn)業(yè)。

致謝：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所陳學(xué)思、王獻(xiàn)紅研究員、清華大學(xué)徐軍教授、中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所張學(xué)禮研究員分別提供了PLA、PPC、PBS和丁二酸的材料。

[1] Chen GQ, Patel MK. Plastics derived from biological sources: present and future - a technical and an environmental review. Chem Rev, 2012,112(4): 2082–2099.

[2] Chen GQ. A microbial polyhydroxyalkanoates(PHA) based bio- and materials industry. Chem Soc Rev, 2009, 38(8): 2434–2446.

[3] Yue HT, Ling C, Yang T, et al. A seawater-based open and continuous process for polyhydroxyalkanoates production by recombinant Halomonas campaniensis LS21 grown in mixed substrates. Biotechnol Biof, 2014,7(1): 108.

[4] Fu XZ, Tan D, Aibaidula G, et al. Development of Halomonas TD01 as a host for open production of chemicals. Metab Eng, 2014, 23: 78–91.

[5] Wang Y, Yin J, Chen GQ. Microbial polyhydroxyalkanoates, challenges and opportunities. Curr Opin Biotechnol, 2014, 30:59–65.

[6] Sun JR, Yu HY, Zhuang XL, et al. Crystallization behavior of asymmetric PLLA/PDLA blends. J Phys Chem B, 2011, 115(12): 2864–2869.

[7] Shao J, Sun JR, Bian XC, et al. Investigation of poly (lactide) stereocomplexes: 3-armed poly(L-lactide) blended with linear and 3-armed enantiomers. J Phys Chem B, 2012, 116(33):9983?9991.

[8] Liu YL, Sun JR, Bian XC, et al. Melt stereocomplexation from poly (L-lactic acid) and poly (D-lactic acid) with different optical purity.Polym Degra Sta, 2013, 98(4): 844–852.

[9] Liu YL, Shao J, Sun JR, et al. Improved mechanical and thermal properties of PLLA by solvent blending with PDLA-b-PEG-b-PDLA.Polym Degra Sta, 2014, 101: 10–17.

[10] Feng LD, Bian XC, Chen ZM, et al. Mechanical,aging, optical and rheological properties of toughening polylactide by melt blending with poly(ethylene glycol) based copolymers. Polym Degrade Stabil, 2013, 98(9): 1591–1600.

[11] Wu W, Qin YS, Wang XH, et al. New bifunctional catalyst based on Cobalt-Porphyrin complex for the copolymerization of propylene oxide and CO2.J Polym Sci Part A: Polym Chem, 2013, 51(3):493–498.

[12] Gu L, Qin YS, Gao YG, et al. Hydrophilic CO2-based biodegradable polycarbonates: synthesis and rapid thermo-responsive behavior. J Polym Sci Part A: Polym Chem, 2013, 51(13): 2834–2840.

[13] Lu HW, Qin YS, Wang XH, et al.Copolymerization of carbon dioxide and propylene oxide under inorganic oxide supported rare earth ternary catalyst. J Polym Sci Part A:Polym Chem, 2011, 49(17): 3797–3804.

[14] Qin YS, Wang XH. Carbon dioxide-based copolymers: environmental benefits of PPC, an industrially viable catalyst. Biotechnol J, 2010,5(11): 1164–1180.

[15] Dong YL, Wang XH, Zhao XJ, et al. Facile synthesis of poly (ether carbonate)s via copolymerization of CO2and propylene oxide under combinatorial catalyst of rare earth ternary complex and double metal cyanide complex. J Polym Sci Part A: Polym Chem, 2012, 50(2):362–370.

[16] Chen LJ, Qin YS, Wang XH, et al. Plasticizing while toughening and reinforcing poly (propylene carbonate) using low molecular weight urethane:role of hydrogen-bonding interaction. Polymer,2011, 52(21): 4873–4880.

[17] Wang XH, Wang FS. CO2Fixation and Utilization. Beijing: Chemical Industry Press,2011 (in Chinese).

王獻(xiàn)紅, 王佛松. 二氧化碳的固定和利用. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.

[18] Tang YR, Lin DW, Gao Y, et al. Prominent nucleating effect of finely dispersed hydroxyl-functional hexagonal boron nitride on biodegradable poly (butylene succinate). Ind Eng Chem Res, 2014, 53(12): 4689?4696.

[19] Ye HM, Tang YR, Xu J, et al. Role of poly(butylene fumarate) on crystallization behavior of poly (butylene succinate). Ind Eng Chem Res,2013, 52(31): 10682?10689.

[20] Qi ZG, Ye HM, Xu J, et al. Improved the thermal and mechanical properties of poly (butylene succinate-co-butylene adipate) by forming nanocomposites with attapulgite. Colloids Surf A:Physicochem Eng Aspects, 2013, 421: 109–117.

[21] Ye HM, Wang RD, Liu J, et al. Isomorphism in poly (butylene succinate-co-butylene fumarate)and its application as polymeric nucleating agent for poly (butylene succinate). Macromolecules,2012, 45(14): 5667–5675.

[22] Wang GL, Xu J, Guo BH. Development in synthesis and modification of biodegradable poly(butylene succinate) and its copolymers. Polymer Bull, 2011, (4): 99–109 (in Chinese).

王國(guó)利, 徐軍, 郭寶華. 可生物降解聚丁二酸丁二醇酯及其共聚物的合成及改性研究進(jìn)展. 高分子通報(bào), 2011, (4): 99–109.

[23] Wang GL, Guo BH, Xu J, et al. Rheology,crystallization behaviors, and thermal stabilities of poly (butylene succinate)/pristine multiwalled carbon nanotube composites obtained by melt compounding. J Appl Polym Sci, 2011, 121(1):59–67.

[24] Wang GL, Gao B, Ye HM, et al. Synthesis and characterizations of branched poly (butylene succinate) copolymers with 1, 2-octanediol segments. J Appl Polym Sci, 2010, 117(5):2538–2544.

[25] Xu J, Guo BH. Poly (butylene succinate) and its copolymers: research, development and industrialization. Biotechnol J, 2010, 5(11):1149–1163.

[26] Xu J, Guo BH. Microbial succinic acid, its polymer poly (butylene succinate), and applications//Chen GQ, Ed. Plastics from Bacteria: Natural Functions and Applications,Microbiology Monographs. Berlin Heidelberg:Springer, 2010, 14: 347–388.

[27] Zhu XN, Tan ZG, Xu HT, et al. Metabolic evolution of two reducing equivalent-conserving pathways for high-yield succinate production in Escherichia coli. Metab Eng, 2014, 24: 87–96.

[28] Lu J, Tang JL, Liu Y, et al. Combinatorial modulation of galP and glk gene expression for improved alternative glucose utilization. Appl Microbiol Biotechnol, 2012, 93(6): 2455–2462.

[29] Tan ZG, Zhu XN, Chen J, et al. Activating phosphoenolpyruvate carboxylase and phosphoenolpyruvate carboxykinase in combination for improvement of succinate production. Appl Environ Microbiol, 2013,79(16): 4838–4844.

[30] Tang JL, Zhu XN, Lu J, et al. Recruiting alternative glucose utilization pathways for improving succinate production. Appl Microbiol Biotechnol, 2013, 97(6): 2513–2520.

[31] Chen J, Zhu XN, Tan ZG, et al. Activating C4-dicarboxylate transporters DcuB and DcuC for improving succinate production. Appl Microbiol Biotechnol, 2014, 98(5): 2197–2205.