专访清大智兴 | 依托清华团队迭代四代生产技术，PDO转化率超40%

今年 7 月，广东清大智兴生物技术有限公司（以下简称“清大智兴”）与山西长清生物科技有限公司（以下简称“长清生物”）合力打造的年产 2 万吨糖法 1,3-丙二醇（PDO）生产装置一次开车成功。

清大智兴于 2017 年 1 月在东莞市松山湖国家高新技术开发区成立，是一家致力于生物基多元醇研发、生产、销售及技术服务的高新技术企业。依托清华大学、清华东莞创新中心、中拉实验室等优秀研发产业化平台，清大智兴拥有雄厚的研发实力和产业化基础。目前该公司拥有三大核心团队包括研发团队、经营销售团队和生产团队。

“其中研发团队由来自清华大学、美国麻省理工学院、普渡大学和德国汉堡工业大学等国内外著名高校顶尖科学家组成，掌握具有自主知识产权的微生物发酵法生产 PDO 的关键工艺和装备技术。研发团队将指导生产团队前期工艺优化和摸索的过程，实际稳定生产后，研发团队将继续从事在实验室的其他工艺优化和产品的研发，生产团队更多的是要保障现有生产条件和生产环节的连续稳定。”刘剑波表示。

刘剑波本科毕业于清华大学，2014 年正式加入清大智兴的研发团队，从事生产 PDO 的相关研发和产业化工作，他现为广东清大智兴生物技术有限公司总经理。

▲图丨刘剑波（来源：受访者）

“技术只有更好，没有最好”

PDO 是一种重要的化工原料，被广泛应用于聚酯、聚氨酯、化妆品、可降解塑料、医药中间体、油墨、印染和润滑剂等领域。目前 PDO 的工业生产 90% 以上采用生物法，21 世纪初期，美国杜邦公司成功利用工程菌将玉米水解的葡萄糖转化为 PDO，从此，杜邦在生物发酵法生产 PDO 技术上形成了高度垄断。

很多国家的企业和大学都在研究 PDO 的生物合成，但其大规模商业应用一直存在问题。清大智兴的技术研发负责人刘德华教授所在的团队从 1998 年就开始研究 PDO，并在一些国家项目基金和其他合作单位如河南天冠、黑龙江辰能生物和湖南海纳百川等公司的支持下进行 PDO 的小试和中试。真正第一次走向大规模工业化生产是 2010 年正式授权给江苏盛虹集团，建立了年产 2 万吨的 PDO 生产线。

刘德华现为清华大学化学工程系应化所所长，其主要研究领域为生物质综合利用的生物炼制技术，侧重于微生物发酵、酶催化转化及产品纯化工艺优化、设备研发及过程集成。主持完成国家“863”重点项目——1,3-丙二醇的生物炼制，建成万吨级生产装置两套，填补国内空白；主持研发酶法生物柴油技术及其产业化，建成全球首套酶法生物柴油工业化装置，该技术已分别在中国、巴西、马来西亚实现工业化示范。已申请 60 多项发明专利，其中多项核心专利获得全球 20 多国授权。

▲图丨刘德华教授（左）、长清生物董事长史晓军（右）（来源：受访者）

随着多年来技术的不断突破，当前，清大智兴已发展成为全球范围内唯一一家掌握“甘油+糖多原料 PDO 发酵技术”并实现产业化的高科技企业。但对于清大智兴的核心技术人员来说，技术是一个过程，技术没有最好，只有更好。据刘剑波透露，迄今为止，清大智兴已发展了四代生产 PDO 的技术路线。

前三代技术路线均以甘油为原料。2017 年年底精甘油价格上涨到七千多元/吨，为应对原材料价格波动导致生产成本上升，清大智兴团队及时尝试以价格较低的进口粗甘油为原料直接发酵生产 PDO 并获得成功 。“但粗甘油（含量 80% 左右）含有油脂、甲醇、氯化钠等杂质，尤其是氯化钠含量高达 5% 左右，对后续污水处理带来很大挑战。”

于是，清大智兴团队转向利用糖法来生产 PDO ，这即为第四代技术路线。不过糖法生产 PDO 的过程对于氧气、能源和原材料的需求较为敏感。该团队了解到煤矿资源丰富的山西长治地区，有一个正在运行的玉米深加工企业——山西长清生物科技有限公司，其原材料糖浆和能源成本都显著低于山东，并正在寻求新的发酵技术和产品替代其赖氨酸生产，清大智兴与长清生物迅速达成合作协议，将生产基地迁到了山西。

“四代生产 PDO 的技术路线不断优化，也得到了令人满意的效果。第一代技术的发酵液浓度只能做到 6%，甘油到 PDO 的质量转化率在 30% 左右；第二代技术的发酵液浓度提高到了 8% ，甘油到 PDO 的质量转化率提高到了 35% 左右；第三代技术的发酵液浓度接近 10%，甘油到 PDO 的质量转化率在 45% 左右，副产物也进一步减少；第四代技术，以葡萄糖为原料，发酵液浓度超过 10%，转化率也达到了 42-45%。”

不断优化菌种和工业过程以提高 PDO 产率

这些成果都依赖于清大智兴对技术的不断改进与更新，具体包括两大方面，其一是对菌种进行基因工程的修饰，使其副产物更少，转化率提高。今年 1 月，该团队的技术核心人员陈振、刘德华等发表了名为“Systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for high-level production of 1,3-propanediol from glucose and xylose” 的论文。

论文中通过系统的代谢网络模拟对以谷氨酸棒杆菌为底盘的 PDO 合成过程进行设计，为 PDO 的生物制造提供了不同于杜邦的设计与优化方案，并且该路线具有更广的底物利用谱，可以有效地利用葡萄糖、木糖、蔗糖、纤维水解液等为原料生产 PDO 。这一技术不但可以实现多种原料到 PDO 的转化，生产过程也不需要用到酵母粉等昂贵的辅料，经过中试过程的优化，产量、得率、生产效率、产品纯度等关键指标达到或超过了杜邦的工业化水平。

其二是对于工业过程的优化，如何在发酵生产过程中进行最优的补给措施、如何在实验过程中找到最佳的分离设备并使成本降到最优。“首先，微生物生长需要碳、氮、氢、磷和钾等元素，因此需要合适的补给措施使其正常生长；其次，PDO 的分离过程需要经过过滤、脱盐、浓缩、精馏和脱色等环节，每个环节都需要严格把控。以过滤为例，在该环节中，膜是采用陶瓷膜、有机膜还是不锈钢膜，过滤的精度是使用超滤、微滤还是纳滤都需要认真比较测试找到相对最优的工艺方案。”刘剑波说道。

他补充道，没有时间的积累，没有设备资金的投入，没有足够的发酵生产的实践，是无法找到最优的生产工艺的。理论上，每个环节都会有损失，但产品浓度不同，副产物成分不同，最终的产品收率也不同。在 PDO 的产业化过程中，PDO 总的收率超过 80% 已是不错，若能做到 90% 以上当然就更有成本竞争力。相比之下，在实验室里进行菌种改造和基因工程的修饰，尽管技术难度较高，但更容易在实验室完成和验证。后续的工艺优化则需要更多的时间、精力和资金。

计划生产多种二元醇和二元胺

从 1998 年开始，24 年来，在清华大学刘德华老师的带领下，经过多次小试、中试、大型工业性试验、规模化 2 万吨工业生产线建设与运行，清大智兴积累了丰富的产业化经验，现为国内具有较丰富生产 PDO 经验的企业。

前期，更多的科研院所都在实验室研究 PDO 的发酵，通常采用很小的摇瓶或 5L 、50L 的发酵罐，而一旦进入中试规模，则需要 500 升、5 立方米甚至 50 立方米的发酵罐来模拟大规模生产（200-800m³ 的发酵罐），最终才能走向大规模工业化生产。而这将由很多因素决定，如菌种的转化水平和发酵条件如温度、营养、搅拌的速率和空气量大小等，而发酵液的分离纯化工艺、设备、收率、能耗等等，直到最终规模化生产的综合成本，才决定了项目是否能够真正走向产业化，具备竞争力。

随着 PDO 的规模化生产，它也将作为生产 PTT（聚对苯二甲酸丙二醇酯）纤维的原料被使用。而清大智兴主要选择与大型化纤集团进行集团化的合作方式，发挥其各自的长处。除此之外，清大智兴团队也构建了生产 1,3-丁二醇、2,3-丁二醇、1,4-丁二醇和乙二醇等二元醇、丁二胺、戊二胺等二元胺产品的代谢途径和菌种，未来将逐步推进相关产品的产业化。