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陈远童:生物合成长链二元酸产业的引领者

发表时间:2020-06-11  阅读次数:
     人生角色不同,所呈现的价值样态各异。具体到科学家而言,生命价值则体现在他的科研成果以及科研实践中。

如此说来,陈远童的生命价值则来源于他的“生物合成长链二元酸”技术成果以及相应的创新产业实践——已取得5项重要的长链二元酸科研成果,获7项授权的国家发明专利;近10年来专利成果已经转让多家公司,在国内建起2座万吨级和3座千吨级规模的长链二元酸生物合成生产工厂,总生产能力超过5万吨/年,使我国成为当今国际上唯一能够应用生物合成技术实现多种长链二元酸大规模工业化生产的国家……

如果从长远的眼光来看,陈远童的生命价值绝不止如此——长链二元酸有着广泛而重要的应用价值,再加上其技术上的锐利突破为民族产业迅猛推进排除了关键障碍的伟大意义,还有相关产业的巨大市场前景和社会效益……都不是可以简单衡量的。

极其重要的“长链二元酸”

所谓长链二元酸是指碳链中含有10个以上碳原子的脂肪族二羧酸,它们是一类用途极其广泛的重要精细化工产品,是化工上合成高性能尼龙工程塑料、高级麝香香料、高档尼龙热熔胶、高级油漆、涂料和润滑油、高温电介质、农用薄膜耐寒性增塑剂、新医药和农药等的重要原材料。

长链二元酸的主要用途:

1、合成高性能尼龙工程塑料:利用上述的长链二元酸为原料,可以合成一系列双号码长碳链尼龙:尼龙1111、尼龙1112、尼龙1212、尼龙1213、尼龙1313、尼龙1314、尼龙1414、尼龙612、尼龙614等。这些双号码尼龙具有良好的性能,耐腐蚀性好、绝缘性好和柔韧性强,可以精密注塑成型,制造各种精密零部件、降落伞绳索、纤维护套等,在航天、航空、汽车、轮胎、船舶、建筑、电子、电器和信息领域具有广泛应用,对减轻重量,降低能耗具有重要意义,还可以制造石油管道等。

利用双号码长碳链尼龙抗拉耐磨的特性,作为轮胎的子午线,这种轮胎具有高速、安全、节油、耐磨,一般能提高轮胎使用寿命5~10倍,是轮胎工业发展的方向。

双号码长碳链尼龙还可以代替进口的单号码尼龙11和12制造汽车管,如输油管、刹车管、液压管、真空管、排气管等,在汽车行业中倍受青睐。

2、合成高档热熔胶:利用微生物发酵生产的长链二元酸为原料合成的高档热熔胶在服装和家电行业中很受重用。在高档服装生产中使用高档热熔胶,使整个服装耐水洗、耐干洗、尺寸稳定、穿着挺括。我国是世界上服装出口第一大国,年销售额近200亿元,并且每年生产大量高档服装出口,年用胶量3000吨左右,全部靠进口:彩色显象管与偏转线圈粘合用胶需在100℃高温下长期使用,才能保证彩色显像管的正常工作。我国目前有6个大生产线,年产彩色显像管2000万支,年用胶量为500吨,全部靠进口。

3、合成高级尼龙粉末涂料和油漆:用微生物发酵生产的长链二元酸为原料合成的高级粉末涂料具有节约能源、降低污染、使用安全和经济实用等特点;合成的高级油漆具有色泽光亮、耐磨性好、耐冲击强度高、附着牢固和柔韧性极佳等优点。有资料表明在过去的十年中,我国消费的高级尼龙粉末涂料年平均增长率为20%以上。

4、合成高级麝香香料:麝香是一种十分珍贵的中药药材,是制备中成药的重要成分。根据不完全统计有300多种中成药必须添加麝香。天然麝香中具有生理活性的主要有效成分是麝香酮。现在,保护野生动物已成为全民的共识,因此,天然麝香的来源已经断路。用C11~C18的长链二元酸可以合成具有不同香型的大环酮香料,尤其是用微生物发酵生产的DC15为原料,合成环十五酮和麝香酮(即3-甲基环十五酮)时,合成步骤简单得多,成本大大降低,这种合成的麝香酮完全可以代替天然麝香配制中成药,在医药上有着广泛用途,为我国中医药走向世界具有十分重要的意义。DC13可合成麝香–T,它是一种高级日用香料。

5、合成高温电介质、润滑油:长链二元酸可以合成高温电解质,可在120℃下长期使用;合成高级润滑油,不仅耐高温,而且在零下45℃仍维持正常润滑。

6、合成耐寒性增塑剂:利用长链二元酸为原料可以合成耐寒性增塑剂,加入这种增塑剂的塑料薄膜耐寒冷、抗老化、柔软性好,适合于北方地区蔬菜和育秧大棚应用。

7、合成医药:利用长链二元酸还能合成早期卵巢癌的检测试剂、合成治疗皮肤癌、艾滋病的药物、合成长效降糖药。目前我国有关部门正在进行研究。

8、合成其他产品:长链二元酸还可以合成二元醇、二元胺、聚酯、聚酐和生物膜等。

可以看到,长链二元酸作用非常大,但国际上传统的长链二元酸制造工艺主要是化学合成方法,而这种方法迄今只能够生产出十二碳二元酸(DC12)。这种化学合成方法是以丁二烯为原料,需要9个复杂的反应步骤以及高温、高压和催化剂,工业生产的时候需要防火、防爆和防毒装置。整个生产过程存在条件苛刻、步骤多、收率低、成本高和环境污染严重等缺点。

陈远童生物合成法的优势和

创新点

针对长久以来化学合成长链二元酸技术的不足,陈远童潜心研究40年,终取得突破。

陈远童介绍,应用生物工程技术,以石油中的副产物正烷烃为原料,采用微生物发酵的方法生产长链二元酸,具有化学合成法无法比拟的优越性。此法是利用微生物特异的氧化能力,通过胞内酶的作用,在常温常压下氧化石油正烷烃两端两个甲基,加上4个氧原子,一步生成二羧酸(二元酸)。与化学合成法相比,生产工艺简单、生产条件温和,整个生产过程在常温(28~30℃)、常压(0.490×105~0.981×105Pa,即0.5~1kgf/cm2)下进行,规模大,收率高,成本低,尤其是不造成环境污染,是一种环境友好产品,是一种新发展起来的绿色化学产业。

长链二元酸微生物发酵技术中涉及油、水、气、固(菌种)多个界面,要实现工业化生产,必须解决一系列工程技术新难题。从1990年代起,陈远童研究员先后承担国家“八五”和“九五”科技攻关任务,首先开展基础理论研究,根据合成长链二元酸微生物种属关系和合成机理,发现长链二元酸生物合成是在微生物细胞内通过胞内酶的催化作用氧化生成的,ω-氧化酶催化二元酸生物合成,β-氧化酶则催化二元酸的降解。在此基础上提出了提高长链二元酸生物合成速度必须控制细胞的酶活性和增大细胞膜的通透性的创新思路,这个思路对提高二元酸的产量起到了关键作用。在长链二元酸的研发工作中取得突破性进展,创造性地解决了微生物发酵生产长链二元酸工程技术方面存在的几大难点:

(1)针对油水混合体系中菌种生长转化的难点,创造了“氧化酶活力筛选指示培养基”和“快速三步筛选法”,培育出分别生产C12~C17一系列单一长链二元酸的6株高产菌株,产酸水平提高2~3倍;

(2)创建了“三阶段控制的同步发酵法”优化了生产工艺条件和过程控制,使发酵产酸水平提高35%;

(3)加入细胞膜透性调节剂,加速反应底物和产物通过细胞膜的运转速度,产酸水平提高25%;

(4)解决了产品分离纯化难的问题,发明了“在水中破乳分层快速分离回收残烃的方法和特殊装置”,用水或有机溶剂进行精制,提高了产品收率。

至今先后完成4种长链二元酸中试和工业生产试验,取得了C12~C15四项重要科研成果,产酸水平达到200g/L左右,经技术鉴定和查新报告均属国际领先水平。

长链二元酸微生物发酵技术

取得的重要成果

在这几年的科研实践中,陈远童和他同事们一起不断地取得了相应的突破成果:

1、十五碳二元酸(DC15):属国家“八五”攻关项目,完成2.5吨发酵罐中试,产酸170~180g/L,烷烃转化率52.5%,后处理收率平均80.5%,DC15纯度平均95.85%,已在20和200吨罐工业化生产多年,产品占领国内外全部市场。日本在实验室5L罐发酵,产酸90g/L,至今未工业生产。

2、十二碳二元酸(DC12):属国家“九五”攻关项目,完成20吨罐工业生产试验,产酸水平为190~210g/L,烷烃转化率84%左右,后处理收率83%左右,DC12纯度98.5%以上,已在25吨、50吨及200吨发酵罐工业化生产多年,产品销往欧美和日本。美国在实验室5L罐发酵,产酸达140g/L,未工业化生产。几十年来,美国杜邦公司等以丁二烯为原料化工合成生产DC12,成本高,尤其是环境污染严重。本项目用生物合成法生产DC12,成本低,尤其是没有环境污染,将逐渐替代化学合成法,已占领国内外大部分市场。

3、十三碳二元酸(DC13):完成2.5吨罐中试后,已在20吨、50吨及200吨发酵罐工业生产多年,产酸水平160~170g/L,烷烃转化率80%以上,后处理收率80%以上,纯度98%以上,产品质量好,远销日本和欧美。1987年日本开始在20吨罐中发酵生产,产酸水平130g/L左右,DC13纯度96%左右,年产200吨,因成本高、质量差,2001年停产。本项目DC13产品已占领国内外全部市场。

4、十四碳二元酸(DC14):完成25吨罐规模工业生产试验,产酸225~245g/L,烷烃转化率88%,后处理收率85%,DC14纯度98%以上,在200吨发酵罐工业生产多年,产品质量好,远销欧美等国,市场竞争力强,占领国内外全部市场。国外至今没有研究和工业生产报道。

长链二元酸技术的突破也让陈远童先后荣获多项国家、省部级大奖,其中包括国家“八五”攻关重大科技成果奖1项,“九五”攻关优秀成果奖1项,中国科学院发明奖一等奖和三等奖各1项,北京市科学技术奖和北京市发明专利奖二等奖各1项。特别是2006年,长链二元酸技术荣获国家科学技术进步二等奖。此外,该技术还获得7项授权的国家发明专利。

科技成果要成为生产力必须有产业转化。陈远童介绍,目前,我国的长链二元酸生产上拥有绝对领先的技术优势,虽然中美日德四国都进行了微生物发酵法生产长链二元酸的研究,但是真正实现工业生产的只有中日两国。但日本矿业公司在1985年建成年产200吨的十三碳二元酸发酵装置,却在2001年已经停产。因此,我国目前是国际上唯一大规模生产和出口长链二元酸的国家。

我国能在该领域取得领先,很大程度上有赖于陈远童研究员和像陈远童一样无私奋斗在该领域中的科技工作者们。

致力于成果与产业的对接

从1998~2010年,陈远童研究员的长链二元酸专利技术已先后转让山东淄博广通、上海凯赛、江苏清江石化、南通圣诺鑫和山东瀚霖生物技术公司等5家公司,建成2座万吨级和3座千吨级规模生产厂,年总生产能力5~6万吨,形成一个中国独有的、环境友好型的现代制造业——长链二元酸生物合成新产业,代替严重污染环境的化工制造业,开辟了长链二元酸的新来源并填补了空白。

①山东淄博广通化工有限责任公司(原淄博龙泉煤矿)。1997年底,广通公司在淄博龙泉地区建成年产300吨二元酸的发酵工厂,发酵罐体积为20吨,一次试车成功,并于1998年正式工业生产,1999年底二期工程建成后,年生产能力扩大到1,000吨,成为国际上首家千吨级规模的长链二元酸生物发酵厂。用水进行后处理,产品质量好,1999年通过ISO9000国家质量认证,产品除满足国内需要外,还远销欧美和日本,产生较好的经济效益和社会效益,使一个濒临破产的百年老矿重新焕发了生机,完成转产任务,安排200多人劳动就业。2004年生产的产品达到1,500吨。广通公司长链二元酸产业化的成功和多年生产实践,证明中科院微生物所的专利技术成熟,产酸水平高,生产稳定。

②上海凯赛控股有限公司。该公司高层领导经过翔实的市场和技术调研,对长链二元酸产品的广阔用途和巨大市场十分满意,公司受让了中科院微生物所成熟的技术成果后,2002年底在山东济宁地区建成一座年产7,000吨长链二元酸的发酵工厂,发酵罐体积借鉴广通公司20吨罐成功的经验,放大为200吨,试车成功后,于2003年8月正式投产。成为当时国际上石油发酵生产二元酸规模最大的发酵工厂,产品质量好,远销欧美等地。2006年产量达到8,000多吨,2007年完成二期工程建设,生产能力扩大到1.8万吨/年。

③江苏清江石油化工有限公司。转让中科院微生物所的专利技术,承担国家发改委支持的微生物发酵生产长链二元酸产业化示范工程项目,2006年一座年产1,500吨的长链二元酸生物发酵新工厂在淮安建成,并试车成功,其特点是技术水平高、自动化程度高。

④江苏达成生物科技有限公司(南通圣诺鑫生物科技有限公司)。该公司克服了资金不足的困难,精打细算,在节约能源上下功夫,建起一座千吨级规模生产工厂,试车成功后,正在扩大生产。

⑤山东翰霖生物技术公司,2008年转让中国科学院微生物研究所长链二元酸专利技术,计划集资30亿元人民币,5年内分三期完成6万吨/年的长链二元酸生产线,第一期工程年生产能力1万吨,2009年7月份建成试车后投产;二期工程投资10亿元人民币,设计年生产能力2万吨,目前正在设备安装调试;三期工程投资15亿元人民币,设计年生产能力3万吨,计划于2014年竣工投产。三期工程完成后,每年新增产值将达到30多亿元,年创利税12~14亿元人民币。

任何事物都是相互的,产业彰显了科学技术的伟大价值,科学技术也造就了企业的发展和活力。但不管如何,一项项活生生的产业实例正在不断地验证着陈远童这些专利技术的广阔前景和巨大价值。

广阔的市场前景和巨大的社会效益

微生物发酵生产长链二元酸研究的成功和工业化生产,解决了用纯化学方法难以合成的问题,开辟了长链二元酸的新来源,为尼龙工程塑料、热熔胶、涂料和香料等十几大类高档产品的化学合成提供了丰富的原材料,推动这些产业及相关行业的发展和技术创新,将创造出几十上百种具有中国自主知识产权的新产品,将在我国逐渐形成具有独立特征的产业链和精细化工产品树,从而在航天航空、汽车、轮船、轮胎、建筑、纺织、服装、电子电器、信息领域以及人民日常生活中医药卫生、保健等方面有广泛的应用,将为提高我国综合国力产生巨大和深远影响,将在激烈的国际竞争中占有一席之地。

美国权威专家说,全世界每年以二元酸为原料生产出来的各种产品,总价值为420亿美元。

杜邦、汉高、拜尔、德固赛、阿托、汽巴、雨布等十几家国际500强大公司,近几年来都纷纷转向中国,购买生物合成法工业化生产的长链二元酸产品,用于合成高性能尼龙工程塑料、高级麝香香料、油漆、涂料和润滑油、高温电介质、医药中间体和农药等,其需求量与日俱增。许多有实力有远见的大公司都看好长链二元酸生物合成这一高新技术产业及其相关行业。事实证明,长链二元酸生物合成法必将代替化工合成法。

统计显示,自20世纪90年代中期起,中国每年进口工程塑料150万吨左右,耗用外汇近20亿美元,且保持着15%~20%的年增产速度。特别是一些高性能工程塑料,目前仍主要依赖于国外进口。2000年以来,中国汽车水性底漆、建筑水性乳胶涂料、粉末防腐涂料、水性防腐蚀涂料等高性能涂料的需求量超过100万吨/年;2001年,中国进口的高性能工程塑料约为1万吨,高档热熔胶约3000t,共耗费约2亿美元外汇。业内权威人士指出:长链二元酸在国内外有巨大的市场需求,发展前景十分广阔。有关专家估计,到2015年,中国每年长链二元酸的需求量将达到(4~5)万吨。市场空间巨大,产业化规模正在逐步扩大,前景越来越好。

影响力在发展中愈加彰显

陈远童和其长链二元酸技术的影响力是全方面的——

技术成果本身的价值:虽然中美日德四国都进行了微生物发酵法生产长链二元酸的研究,但是真正实现工业生产的只有中日两国,但日本矿业公司曾在1985年建成年产200吨的十三碳二元酸发酵装置,却在2001年已经停产,因此,我国目前是国际上唯一大规模生产和出口长链二元酸的国家;

产业价值:国内的产业推广的风生水起,产生了巨大的经济和社会效益,但在陈远童心里,长链二元酸的市场绝不仅仅止于国内,而事实上,由于陈远童技术的优势,杜邦、汉高、拜尔、德固赛等十几家国际500强大公司,近几年来都纷纷转向中国,购买生物合成法工业化生产的长链二元酸产品;

其他影响: 每年一度的两院院士评选中国和世界十大科技进展新闻,是科技界、新闻界极其关注的一项活动。这项活动是由中国科学院院士工作局、中国工程院学部工作局和科学时报社共同主办,由557名中国科学院院士和中国工程院院士共同投票来评选。该活动对宣传、普及科学技术起到了积极作用,在科技界有着广泛的影响力。正是由于山东瀚霖生物公司在陈远童长链二元酸技术的产业化过程中的影响力,才荣幸地参与“瀚霖杯2010年中国十大科技进展新闻和世界十大科技进展新闻”评选活动,而瀚霖杯的“双十”评选活动也让山东瀚霖生物公司企业形象和影响力大增。

这样的荣光也让担任山东翰霖生物技术公司首席科学家的陈远童研究员感到幸福,因为这说明了科技界对他们广大科技工作者努力付出的一种肯定。这种肯定也深深地激励着陈远童不断地超越自我、向更广阔的天地前行。

生命的价值,在不断地前行中愈加饱满,但陈远童研究员仍怀着一颗对科学无比热爱的心,寻找着实践与创新最佳的契合点,在孜孜不倦的探索中,努力为生命价值最大化的实现寻找着方向。

个人简介:

陈远童,广东普宁市人,北京大学化学系本科毕业,中国科学院微生物研究所研究员,博士生导师,政府特殊津贴获得者,中共党员。

在中国科学院微生物研究所从事微生物发酵生产长链二元酸的基础理论研究和应用开发研究近40年。从1987年起,先后承担横向委托、国家自然科学基金、国家“八五”和“九五”科技攻关项目,在生物合成生产长链二元酸系列产品的应用开发研究中,取得5项重要的长链二元酸科研成果,获7项授权的国家发明专利,近10年来专利成果已经转让多家公司,在国内建起2座万吨级和3座千吨级规模的长链二元酸生物合成生产工厂,总生产能力超过5万吨/年,使我国成为当今国际上唯一能够应用生物合成技术实现多种长链二元酸大规模工业化生产的国家,形成一个中国特有的,具有自主知识产权的民族新产业。技术水平和产业化都处于国际领先地位。

先后获得国家“八五”科技攻关重大科技成果奖和“九五”国家重点科技攻关计划优秀科技成果奖各1项,国家科技进步二等奖1项,中国科学院发明一等奖和三等奖各1项,中国科学院与省市、企业合作奖个人二等奖1项,北京市科学技术二等奖和北京市发明专利奖二等奖各1项。
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