什么是“細胞工廠(chǎng)”？

“細胞工廠(chǎng)”是一種形象化的說(shuō)法，指將微生物細胞設計創(chuàng )建成為一個(gè)“工廠(chǎng)”，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。與傳統化工制造相比，以細胞工廠(chǎng)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制造業(yè)依賴(lài)化石資源和“高污染、高排放”的生產(chǎn)方式，是經(jīng)濟社會(huì )可持續發(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(gè)具有自主知識產(chǎn)權的微生物細胞工廠(chǎng)，建立了30多個(gè)化工產(chǎn)品綠色生物制造工藝并組織產(chǎn)業(yè)化實(shí)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)品的微生物細胞工廠(chǎng)及綠色生產(chǎn)工藝，在節能減排、成本控制等方面取得了顯著(zhù)效果。

L-丙氨酸是重要的醫藥、化工中間體與食品添加劑，傳統的化工合成生產(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(wàn)噸生產(chǎn)線(xiàn)。和化工路線(xiàn)相比，生物法路線(xiàn)廢水排放量、能耗及生產(chǎn)成本均大幅降低。合作企業(yè)占據超過(guò)70%以上國際市場(chǎng)份額，正在推動(dòng)百億規模環(huán)保型洗滌產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國際首條最大規模3萬(wàn)噸生物法

L-丙氨酸生產(chǎn)線(xiàn)

羥脯氨酸在醫藥、化工等領(lǐng)域有廣泛的應用。以動(dòng)物來(lái)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(guò)程中會(huì )釋放超百?lài)嵏啕}高氮難處理廢水，環(huán)境污染嚴重。天津工業(yè)生物所構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(shí)施，成本降為傳統生產(chǎn)方式的1/10左右，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)高鹽高氮廢水排放，為合作企業(yè)帶來(lái)近千萬(wàn)元利稅，實(shí)現了羥脯氨酸的綠色生產(chǎn)。

國內首條100噸生物法羥脯氨酸生產(chǎn)線(xiàn)

2、化工制造工業(yè)原料路線(xiàn)改變

圍繞化工制造工業(yè)原料路線(xiàn)改變，構建了丁二酸，D-乳酸等微生物細胞工廠(chǎng)，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 )建的高效丁二酸細胞工廠(chǎng)技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，依托該技術(shù)建成了國內首條年產(chǎn)2萬(wàn)噸生產(chǎn)線(xiàn)，相比石化路線(xiàn)成本降低20%，二氧化碳減排達94%，成為化工產(chǎn)品走出石油路線(xiàn)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。

國內首條最大規模2萬(wàn)噸

生物法丁二酸生產(chǎn)線(xiàn)

D-乳酸作為一種重要的手性中間體，在醫藥、農藥、材料等領(lǐng)域具有廣泛的應用。天津工業(yè)生物所以具有自主知識產(chǎn)權的D-乳酸細胞工廠(chǎng)為核心，首次實(shí)現了D-乳酸的厭氧發(fā)酵法生產(chǎn)。依托該技術(shù)，合作企業(yè)已建成國內首條年產(chǎn)萬(wàn)噸生產(chǎn)線(xiàn)，成本較傳統路線(xiàn)有了顯著(zhù)降低，產(chǎn)值達2億元/年，市場(chǎng)占有率達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。

國際最大規模萬(wàn)噸級D-乳酸生產(chǎn)線(xiàn)

3、現代發(fā)酵產(chǎn)業(yè)升級

圍繞現代發(fā)酵產(chǎn)業(yè)升級，構建了賴(lài)氨酸、谷氨酸等具有自主知識產(chǎn)權的細胞工廠(chǎng)，顯著(zhù)提升了企業(yè)自主創(chuàng )新水平和國際競爭力。

賴(lài)氨酸是人類(lèi)和動(dòng)物營(yíng)養中的第一限制性氨基酸，在醫療保健行業(yè)、飼料工業(yè)中有著(zhù)廣泛的應用。目前國內賴(lài)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多件保護專(zhuān)利的系統分析，設計構建了賴(lài)氨酸細胞工廠(chǎng)發(fā)酵生產(chǎn)工藝，突破國際專(zhuān)利封鎖，并實(shí)現產(chǎn)業(yè)化應用。新菌種為企業(yè)累計實(shí)現產(chǎn)值近20億，節約成本過(guò)億元，為我國賴(lài)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(lài)氨酸生產(chǎn)線(xiàn)

維生素B12是一種含有金屬鈷的復雜有機分子，廣泛應用在藥品、飼料、食品和化妝品等領(lǐng)域，需求逐年上升，市場(chǎng)缺口日益突出。研究所通過(guò)基因組工程技術(shù)，將5種細菌中的28個(gè)基因在大腸桿菌細胞中成功組裝、調控，實(shí)現了維生素B12的從頭合成，并已實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，每年可為企業(yè)新增利潤超過(guò)2000萬(wàn)元。

4、珍稀植物化合物生物合成

針對植物天然化合物傳統種植提取生產(chǎn)方式對土地資源的依賴(lài)性強、產(chǎn)率低、成本高、重金屬污染等問(wèn)題，將植物化合物合成基因組裝、編輯到啤酒酵母細胞中，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)品的細胞工廠(chǎng)，技術(shù)指標國際先進(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、醫藥和保健品等領(lǐng)域有廣泛的應用。天津工業(yè)生物所在國際上首次構建出同時(shí)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“人參酵母細胞”。以目前技術(shù)水平，千平米車(chē)間的人參皂苷合成能力相當于10萬(wàn)畝人參種植。

番茄紅素是自然界植物中被發(fā)現的最強抗氧化劑之一，廣泛用于食品、化妝品以及醫藥領(lǐng)域。天津工業(yè)生物所成功構建了番茄紅素微生物細胞工廠(chǎng)，生產(chǎn)速率比現有最高水平提高了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(chē)間番茄紅素的合成能力相當于6萬(wàn)畝的農業(yè)種植。

中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所以創(chuàng )建細胞工廠(chǎng)、發(fā)展綠色生物制造、構建工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展生態(tài)路線(xiàn)為使命，以生物技術(shù)推動(dòng)“農業(yè)工業(yè)化、工業(yè)綠色化、產(chǎn)業(yè)國際化”，為實(shí)施創(chuàng )新驅動(dòng)戰略、建設世界科技強國而貢獻力量！ 

原標題：《微生物細胞工廠(chǎng)的創(chuàng )制及應用 | 中國科學(xué)院創(chuàng )新成果展》