什么是“細(xì)胞工廠”？

“細(xì)胞工廠”是一種形象化的說法，指將微生物細(xì)胞設(shè)計創(chuàng)建成為一個“工廠”，以淀粉、秸稈甚至二氧化碳等可再生資源為原料，制造出工業(yè)生產(chǎn)和人們生活所需要的化工、藥物、能源、材料、食品等化學(xué)品。與傳統(tǒng)化工制造相比，以細(xì)胞工廠為核心工具的生物制造是一種新型的物質(zhì)生產(chǎn)模式，具有綠色、清潔、可再生的特征，可從根本上改變傳統(tǒng)制造業(yè)依賴化石資源和“高污染、高排放”的生產(chǎn)方式，是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大方向。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所利用合成生物學(xué)等技術(shù)手段，創(chuàng)建了近百個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微生物細(xì)胞工廠，建立了30多個化工產(chǎn)品綠色生物制造工藝并組織產(chǎn)業(yè)化實施，累計創(chuàng)造新增產(chǎn)值近190億元，取得了重大經(jīng)濟和生態(tài)效益。

1、化工產(chǎn)品清潔生產(chǎn)

圍繞化工產(chǎn)品的清潔生產(chǎn)，創(chuàng)建了L-丙氨酸、羥脯氨酸、肌醇等一批化工產(chǎn)品的微生物細(xì)胞工廠及綠色生產(chǎn)工藝，在節(jié)能減排、成本控制等方面取得了顯著效果。

L-丙氨酸是重要的醫(yī)藥、化工中間體與食品添加劑，傳統(tǒng)的化工合成生產(chǎn)工藝能耗大、污染高。天津工業(yè)生物所在以可再生葡萄糖為原料生產(chǎn)生物基丙氨酸的技術(shù)上率先取得突破，依托該技術(shù)建成國際首條3萬噸生產(chǎn)線。和化工路線相比，生物法路線廢水排放量、能耗及生產(chǎn)成本均大幅降低。合作企業(yè)占據(jù)超過70%以上國際市場份額，正在推動百億規(guī)模環(huán)保型洗滌產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國際首條最大規(guī)模3萬噸生物法

L-丙氨酸生產(chǎn)線

羥脯氨酸在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。以動物來源蛋白為原料的化學(xué)提取工藝生產(chǎn)成本高，每噸產(chǎn)品生產(chǎn)過程中會釋放超百噸高鹽高氮難處理廢水，環(huán)境污染嚴(yán)重。天津工業(yè)生物所構(gòu)建了以葡萄糖為原料一步發(fā)酵生產(chǎn)羥脯氨酸的生產(chǎn)工藝，并已組織產(chǎn)業(yè)化實施，成本降為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的1/10左右，生產(chǎn)過程無高鹽高氮廢水排放，為合作企業(yè)帶來近千萬元利稅，實現(xiàn)了羥脯氨酸的綠色生產(chǎn)。

國內(nèi)首條100噸生物法羥脯氨酸生產(chǎn)線

2、化工制造工業(yè)原料路線改變

圍繞化工制造工業(yè)原料路線改變，構(gòu)建了丁二酸，D-乳酸等微生物細(xì)胞工廠，在與國外大型公司的競爭中取得優(yōu)勢。

丁二酸是生物可降解塑料的關(guān)鍵單體，天津工業(yè)生物所創(chuàng)建的高效丁二酸細(xì)胞工廠技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，依托該技術(shù)建成了國內(nèi)首條年產(chǎn)2萬噸生產(chǎn)線，相比石化路線成本降低20%，二氧化碳減排達(dá)94%，成為化工產(chǎn)品走出石油路線的成功案例，有力促進(jìn)了PBS（Poly butylene Succinate，聚丁二酸丁二醇酯）等生物降解材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國內(nèi)首條最大規(guī)模2萬噸

生物法丁二酸生產(chǎn)線

D-乳酸作為一種重要的手性中間體，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。天津工業(yè)生物所以具有自主知識產(chǎn)權(quán)的D-乳酸細(xì)胞工廠為核心，首次實現(xiàn)了D-乳酸的厭氧發(fā)酵法生產(chǎn)。依托該技術(shù)，合作企業(yè)已建成國內(nèi)首條年產(chǎn)萬噸生產(chǎn)線，成本較傳統(tǒng)路線有了顯著降低，產(chǎn)值達(dá)2億元/年，市場占有率達(dá)80%，打破了日本、荷蘭等國D-乳酸技術(shù)壟斷，為聚乳酸生物可降解塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重要支撐。

國際最大規(guī)模萬噸級D-乳酸生產(chǎn)線

3、現(xiàn)代發(fā)酵產(chǎn)業(yè)升級

圍繞現(xiàn)代發(fā)酵產(chǎn)業(yè)升級，構(gòu)建了賴氨酸、谷氨酸等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的細(xì)胞工廠，顯著提升了企業(yè)自主創(chuàng)新水平和國際競爭力。

賴氨酸是人類和動物營養(yǎng)中的第一限制性氨基酸，在醫(yī)療保健行業(yè)、飼料工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)賴氨酸核心菌種缺乏，生產(chǎn)能力低，產(chǎn)業(yè)國際競爭力較差。天津工業(yè)生物所基于對國際上1500多件保護(hù)專利的系統(tǒng)分析，設(shè)計構(gòu)建了賴氨酸細(xì)胞工廠發(fā)酵生產(chǎn)工藝，突破國際專利封鎖，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。新菌種為企業(yè)累計實現(xiàn)產(chǎn)值近20億，節(jié)約成本過億元，為我國賴氨酸產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展和下游產(chǎn)業(yè)安全形成了重大科技示范。

賴氨酸生產(chǎn)線

維生素B12是一種含有金屬鈷的復(fù)雜有機分子，廣泛應(yīng)用在藥品、飼料、食品和化妝品等領(lǐng)域，需求逐年上升，市場缺口日益突出。研究所通過基因組工程技術(shù)，將5種細(xì)菌中的28個基因在大腸桿菌細(xì)胞中成功組裝、調(diào)控，實現(xiàn)了維生素B12的從頭合成，并已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，每年可為企業(yè)新增利潤超過2000萬元。

4、珍稀植物化合物生物合成

針對植物天然化合物傳統(tǒng)種植提取生產(chǎn)方式對土地資源的依賴性強、產(chǎn)率低、成本高、重金屬污染等問題，將植物化合物合成基因組裝、編輯到啤酒酵母細(xì)胞中，創(chuàng)建了人參皂苷、番茄紅素、β-胡蘿卜素、天麻素、燈盞花素、香葉醇等一批藥用植物、經(jīng)濟植物產(chǎn)品的細(xì)胞工廠，技術(shù)指標(biāo)國際先進(jìn)，多項技術(shù)正在進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，建立了重要植物化合物的新生產(chǎn)模式。

人參皂苷是人參、西洋參等藥材的主要活性物質(zhì)，具有抗腫瘤、改善心血管功能、增強身體機能等生理功效，在食品、醫(yī)藥和保健品等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。天津工業(yè)生物所在國際上首次構(gòu)建出同時生產(chǎn)三種人參基本皂苷元及人參皂苷Rh2和F12的酵母工程菌，獲得“人參酵母細(xì)胞”。以目前技術(shù)水平，千平米車間的人參皂苷合成能力相當(dāng)于10萬畝人參種植。

番茄紅素是自然界植物中被發(fā)現(xiàn)的最強抗氧化劑之一，廣泛用于食品、化妝品以及醫(yī)藥領(lǐng)域。天津工業(yè)生物所成功構(gòu)建了番茄紅素微生物細(xì)胞工廠，生產(chǎn)速率比現(xiàn)有最高水平提高了10倍，為國際最高水平，生產(chǎn)成本是植物種植提取的1/4，千平米車間番茄紅素的合成能力相當(dāng)于6萬畝的農(nóng)業(yè)種植。

中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所以創(chuàng)建細(xì)胞工廠、發(fā)展綠色生物制造、構(gòu)建工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展生態(tài)路線為使命，以生物技術(shù)推動“農(nóng)業(yè)工業(yè)化、工業(yè)綠色化、產(chǎn)業(yè)國際化”，為實施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略、建設(shè)世界科技強國而貢獻(xiàn)力量！ 

原標(biāo)題：《微生物細(xì)胞工廠的創(chuàng)制及應(yīng)用 | 中國科學(xué)院創(chuàng)新成果展》