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“若用聚谷氨酸增效肥料替代目前使用肥料的20%，可年节约肥料200万吨，相当于少建4个大型化肥厂，农民年增收500亿元。而且聚谷氨酸在精细化工、医药、水处理等领域也具有广泛的应用。聚赖氨酸作为绿色营养型食品防腐剂，则将改变我国以化学防腐剂为主要保鲜材料的历史。”谈及荣获2014年度国家技术发明二等奖的项目——功能性高分子聚氨基酸生物制备关键技术与产业化应用，南京工业大学副研究员、南京某公司总经理冯小海博士对记者如此介绍道。
冯小海博士所说的聚谷氨酸和聚赖氨酸同属聚氨基酸， 是一类具有重要应用价值的生物功能高分子。由于其结构特殊、功能多样，环境友好等特性，在农业、精细化工、食品医药等领域具有广泛的应用。因此，聚氨基酸也成为近二十年来国内外研究的热点领域，但其产业化却非常困难。南京工业大学与南京某公司合作，不仅从理论层面上解决了技术难题，更实现了聚谷氨酸和聚赖氨酸的产业化，使我国聚氨基酸生产处于国际先进水平。
生物法聚氨基酸产业化受阻
目前，我国常规肥料利用率低下，以全世界7%的耕地消耗了约全世界1/3 的肥料。因肥料过量使用造成的土壤板结与水体富营养化严重，土壤质量日益恶化。研发环境友好肥料增效剂、高效利用土地资源已成为我国当前社会经济重大课题。
实践证明，聚谷氨酸作为肥料增效剂有重要应用价值，作为新一代肥料增效剂可使肥料利用率平均提高7%-12%，并使作物普遍增产15%-25%，低相对分子质量聚谷氨酸则可用做水处理剂;聚赖氨酸则是优良的生物防腐剂。但聚氨基酸生物法制备技术难度大，生产成本高，全球生物法制备聚氨基酸产业化进展缓慢，国内一直停留在实验室研究阶段。
“要实现聚氨基酸的产业化，就要使产物相对分子质量可控，尤其是要制取超高相对分子质量的产物，但前提必须要解决三个技术难点。”该项目总负责人、南京工业大学食品与轻工学院院长徐虹教授表示，“一是氨基酸聚合是一个新领域，菌种缺乏，合成机理尚不清楚，合成的过程还伴随着降解。二是它的工艺过程不好控制。生物聚合需要大量氧气，但高分子发酵是高黏体系，二者相互矛盾。三是高品质产品获取十分困难，产物过于粘稠，菌体杂质包裹严重，产品品质难以保证。这些都不利于聚氨基酸的工业化。”
校企联手攻克三大难题
为解决这些难题，项目组从2000 年起一直致力于聚谷氨酸和聚赖氨酸的基础和产业化研究，并与该校学科型公司南京轩凯生物科技有限公司就生物法聚氨基酸的产业化展开合作。
据冯小海博士介绍，为提高菌种生产聚氨基酸的浓度并获得所要的相对分子质量，他们团队采用同位素示踪法和代谢组学技术构建了聚氨基酸精准的代谢网络，发现聚氨基酸菌同时存在聚合酶和降解酶这两个关键酶的特有现象，并在国际上率先对聚赖氨酸菌的基因组进行测序，解析并揭示了两个酶的基因详细信息和功能。基于以上新发现，研究团队还发明了以降解酶为“开关”调控产物相对分子质量和浓度的育种新技术，有效解决了聚氨基酸菌种筛选方法及高效菌株获取问题。
在生产过程中，聚氨基酸发酵液黏度高，菌体去除困难，产物相对分子质量大，难以成型。研究团队又采用酸化降黏、吸附过滤手段去除蛋白菌体等杂质，并用超滤技术浓缩，获得了高纯度的产品。他们还创新采用醇析- 盐析复合成型技术获得聚氨基酸晶体，该技术解决了高纯度产品获取、成型以及低值原料高效利用等问题。
在聚氨基酸实际生产放大的过程中，南京轩凯公司利用工程化手段，系统解决了发酵过黏、提取及成型困难等问题。此外他们还基于菌体能量供给自我强化的过程控制技术与装备，解决了聚氨基酸生产耗能高等难题，使产品综合能耗降低50%以上，实现了聚氨基酸的高效生产。
规模应用创造多重效益
最终，通过南京工业大学和南京某公司的产学研合作，国内第一条聚谷氨酸和第一条聚赖氨酸产业化生产线在2009 年建成，产品的硬性指标全面达到或超过国际先进水平，使我国聚氨基酸处于国际先进水平。冯小海告诉记者，他们生产的聚谷氨酸产品浓度较国际先进水平提高了 30%以上，底物转化率翻了一番还多，提取收率可达90%以上，乙醇用量大幅减少。聚赖氨酸生产水平和目前国际最先进的日本Chisso公司相比，在产品浓度高于对方的前提下， 发酵时间缩短了一半，提取收率达75%以上。2010年，聚氨基酸生物制备技术开始进行规模化推广应用。
目前，南京某公司不仅建成了国内领先的聚谷氨酸和聚赖氨酸生产线，还形成了聚氨基酸系列产品，农业级聚谷氨酸、化妆品级聚谷氨酸、食品级聚赖氨酸均已进行全面销售。作为新一代肥料增效剂，聚谷氨酸绿色、安全、可食用，为肥料企业和农民创造了巨大经济效益，目前已累计有170 多万吨增效肥料使用该产品，肥料推广面积达3500 万亩以上。该增效肥料可使粮食、经济作物平均增产15%-25%，其中根茎类作物可达30%以上，肥料平均利用率提高7%-12%，为农民增收30 多亿元。
此外，聚氨基酸在其他领域也已形成规模化应用。化妆品级聚谷氨酸作为最新的功能性保湿因子，因其具有3 倍于透明质酸(玻尿酸)的保湿效果，成为最新一代的化妆品保湿剂; 聚赖氨酸作为绿色营养型食品防腐剂，将改变我国以化学防腐剂为主要保鲜材料的历史，在食品保鲜领域产生重大影响。随着聚氨基酸关键技术的产业化，其应用也将越来越普及，人们的生活将会因此变得更加美好。
