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科研智慧引领化工革命 绿色产业撑起民族脊梁

——记中国科学院微生物研究所研究员 陈远童

http://www.gkong.com 2010-12-27 17:21 来源:中国自动化学会专家咨询工作委员会

   党的十七大报告提到,国际竞争从根本上说是科技的竞争,特别是自主创新能力的竞争。而科技成果向现实生产力的转化,则是科技对经济社会发展提供持久动力有力保证。

  当下及未来,低碳环保的理念势必会导引着科技发展的趋势,一些高能耗、高污染的化学工业必将被逐渐淘汰,新型生物技术以其绿色高效及巨大的社会效益必将会而备受青睐。

  科研智慧及创新能力是科技产业革命成败的关键,而我们的科研思想是否走在世界最前沿,科技成果和现实生产力能否有效对接,则考验着一个民族的科技智慧和科技方略。

  “为学无他,争千秋勿争一日”。不论是在现在还是将来,陈远童这个名字和“长链二元酸”一起,必将彪炳科技史册。

  而将二者联系在一起的是陈远童研究员潜心科研四十年的重大成果:长链二元酸技术。这项技术随着相关项目的产业化正日益彰显着它难以估量的价值。

  长链二元酸的科技及社会价值

  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。通过长链二元酸合成的化工衍生产品极多,除了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、高温电介质等多种用途外,其在医药开发方面应用更是异军突起。近年来,长链二元酸逐渐在合成医药中间体、乳腺癌检测试剂、治疗皮肤癌和艾滋病的药物、合成新型降血糖药等方面显露出特殊作用和广阔前景。

  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)。“该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”。

  而陈远童研究员长链二元酸技术是利用微生物发酵生产,该技术的研究的成功和工业化生产的实现,解决了用纯化学方法难以合成的难题,并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。

  更重要的是这项技术将推动相关产业的发展和技术创新,创造出几十种乃至上百种具有中国自主知识产权的新产品,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,从而广泛应用于航天航空、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,对提高我国综合国力产生巨大和深远的影响,使中国绿色化学产业在激烈的国际竞争中占据重要位置。

  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。

  而更令人骄傲和欣喜的是,我国在这种拥有广阔前景的长链二元酸生产上拥有绝对领先的技术优势。据陈远童研究员介绍:“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。据陈远童介绍,1985年,日本矿业公司曾建成年产200吨的十三碳二元酸发酵装置,但是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。”

  精勤不倦,厚积薄发。不经意间,潜心专注科研的陈远童引领了国内乃至国际绿色化学的新一轮革命。

  惕厉不懈破难题

  陈远童投身这项事业是在1972年。那一年,他追随中国科学院方心芳院士,开始在石油微生物领域开展基础理论研究和应用开发研究。

  在科研实践中,勤奋认真、严谨求实、恪尽职守的陈远童迅速成长起来,以出色的表现成为方心芳院士的接班人,挑起课题组组长的重担,并先后承担横向委托、国家自然科学基金和国家“八五”、“九五”科技攻关重大课题,在单一长链二元酸系列产品的应用开发方面开始了认真的研究和大胆的探索。

  找到合适的微生物菌种,是这一技术的关键所在。陈远童带领课题组的科技人员一起将常规方法和生物技术方法相结合,开始对生产菌株进行反复的诱变和筛选。经过不懈努力,陈远童独创氧化酶活力筛选指示培养基和快速三步筛选法,使筛选效率提高近百倍。此后,他与课题组人员一起先后对50多万株突变株进行高通量筛选,获得5000多株生产长链二元酸较多的突变株后,通过实验室摇瓶产酸试验,培育出6株专门生产C12-C17各种长链二元酸的优良高产突变株,摇瓶产酸水平分别从每升十几克、几十克提高到一百克左右。事实证明,这是他们后来取得巨大成功的关键因素。

  培育出高产菌株后,还必须根据石油发酵特点对发酵条件和发酵工艺进行不断优化,从而获得最理想的结果。实验数据显示,石油微生物在同化和氧化正烷烃生长和产酸的过程中,有一个潜伏期,它与以往的糖发酵不同,糖溶于水,接种后能马上生长;而烷烃不溶于水,必须经过一段时间的乳化,菌体才能接触到烷烃原料,才能生长和产酸。发现这一特点之后,他们采用物理和生物的方法,不断加速烷烃乳化,缩短潜伏期,从而提高产酸量。当然,在他们的不懈努力下,在2吨罐中试和20吨罐工业生产时,配合其他条件的优化控制,产酸量从每升100克以下逐渐提升到150克至200克的国际领先水平。

  陈远童研究员带领的研发团队,经过几十年的艰苦奋斗,克服重重困难,最终在长链二元酸技术方面取得了实质性成果。很快,诸多的荣誉回馈了陈远童和相关科技人员的艰辛付出。长链二元酸技术先后荣获多项国家、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,技术成果转让多家工厂。

  成就是让人欣喜和自豪,然而,在陈远童心里,前面的路仍将很长——在他看来,重要的是如何使长链二元酸实现产业化应用。

  科技价值在生产力的转化中彰显

  作为一个科技工作者,陈远童深深懂得,只有将长链二元酸产业化,才能彰显这项技术的价值,也才能造福于祖国。

  要实现产品的产业化应用,就必须解决后处理问题。于是,产品中残存的烷烃成了陈远童以及课题组成员首先要解决的技术难题。当时,国内外一般采用高速离心机处理,不但费时费电,效果还不理想,导致成品质量差,应用受影响。面对困难,他们又一次迎难而上,经过长期的试验,终于找到一种简便、经济可行的破乳分层方法,实现了残余烷烃的回收再利用,不但降低了成本,又方便了二元酸的处理,提高了产品的质量。同时,他们还率先将水作为有机溶剂的替代品进行分离提取和精制,受到工厂的普遍欢迎。

  科技只有实实在地转化成生产力才能造福于社会。所以陈远童研究员一方面潜心科研,一方面积极运作,大胆尝试,将长链二元酸生产技术不断地推向了产业化应用。

  1997年底,山东淄博广通化工有限责任公司(原淄博龙泉煤矿)建成年产300吨二元酸的发酵工厂,发酵罐体积20吨,一次试车成功,1998年正式工业生产。紧接着,1999年底二期工程建成,年生产能力扩大到1000吨,成为国际上首家千吨级规模的长链二元酸生物发酵厂。由于质量好,1999年,产品通过ISO 9000国家质量认证,除了满足国内化工生产需要外,还远销欧美和日本,产生了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,完成了转产任务。2004年,该厂生产的产品达到1500吨。

  由于看好长链二元酸产品广阔的用途和巨大的市场前景,上海凯赛控股有限公司受让了中科院微生物所成熟的技术成果,并于2002年底在山东济宁地区建成一座年产7000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,一次试车成功后,于2003年8月正式投产。目前,已经成为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8000多吨,2007年底完成二期工程建设后,生产能力扩大到1.8万吨/年。

  山东翰霖生物技术公司在2008年受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。第一期工程为1万吨/年,2009年7月份建成试车成功后,9月份开始正式投产,同时,第二期工程2万吨/年正式开工建设,计划2010年5、6月份建成,成为世界最大的长链二元酸生产基地,三期工程3万吨/年建成后,总生产能力达到6万吨/年,每年总产值将达到30亿元人民币以上,年创利税超过10亿元人民币。2009年3月,国家发改委和国家财政部等领导在参观长链二元酸项目及产业化基地后,对项目的建设给予了充分肯定和大力支持。

  目前,中国科学院微生物研究所已经将多项二元酸专利技术转让给多家公司,截止2009年底,已建成2座万吨级和3座千吨级规模生产工厂,总生产能力达到3.3万吨/年,山东省已成为长链二元酸生产基地和生产大省。

  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,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。被国际公司青睐有加正是基于长链二元酸的科技含量,这项绿色化学工业的革命其后续的影响无疑会难以估量。而更广地服务社会,也是陈远童心底的目标和努力的方向。

  “为学无他,争千秋勿争一日”,这是一个成功科学家所追求的最高境界,而灌注着陈远童心血和汗水的长链二元酸技术相信必将在科技界流芳万古。

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