2019提名国家技术发明奖项目-化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化

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2019年度国家技术发明奖提名公示材料
项目名称        化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化
提名单位        教育部


提名意见
（不超过600字）        该项目创造性地将生物催化和化学催化耦合，构建简洁高效的化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术并实现产业化。烟酰胺是我国“十一五”、“十二五”重点发展的重大维生素品种，是不可或缺的维生素类添加剂。但其生产核心技术被国外公司垄断和封锁二十余年，我国从“十一五”开始立项攻关，始终未有实质性突破，技术难度极大。我国亟需研究具有自主知识产权的高效制造技术，构建绿色的烟酰胺工业化生产体系。
    该项目以973 计划等为依托，发明了化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术，建成高效、安全、绿色的化学-酶法烟酰胺工业化生产体系。总体技术处于国际先进水平，部分技术指标国际领先。使我国烟酰胺生产技术突破封锁，实现跨越式发展。目前获授权国家发明专利13件，实用新型专利25件，制定国家标准2项，具有完整自主知识产权。
    该项目在南京红太阳股份有限公司成功应用，建成2万吨/年烟酰胺和7.5万吨/年吡啶生产线，节能减排降耗效果显著。除国内市场外还远销德国、澳大利亚等12个国家和地区，烟酰胺全球市场占有率30%，近三年累计新增销售39.97亿元，新增利润8.31亿元，取得了显著社会经济和环境效益。
对照国家技术发明奖授奖条件，我部决定提名该项目为2019年度国家技术发明奖二等奖。
项目简介        烟酰胺（维生素B3）是重大维生素品种之一、是食品饲料行业不可或缺的维生素类添加剂，目前全球年产量4.5万吨左右，产值约25亿元。随着我国养殖业从小型分散养殖向规模化集中养殖转型升级，未来烟酰胺年需求量将快速增长至约3.2万吨，成为烟酰胺使用大国，但年产量却不足2000吨。20世纪50年代，国外开始采用化学法生产烟酰胺，瑞士LONZA公司1995年独资在我国广州建厂开始应用生物法生产烟酰胺。由于和化学法相比，生物法具有产品质量高、生产成本低、三废排放少等优势，LONZA公司由此迅速占据全球市场的垄断地位，至今已逾二十余年，我国自“十一五”以来持续立项进行技术攻关未能取得实质性突破。
该项目在973 计划、国家自然科学基金重点项目等资助下，创制我国自己的“化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术”，研制出全新的高效基因工程生物催化剂、创制出高底物浓度清水生物反应新技术、构建了主副产比例可调的绿色高效3-氰基吡啶生产新工艺，形成了具有自主知识产权、技术水平国际先进的化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术，并实现产业化。


主要技术发明为：
1）发明了基于肽指纹图谱和序列分析的基因挖掘、同义突变基因改造、N端肽融合异源基因表达的腈水合酶基因操作新方法。突破传统从土壤筛选获得产腈水合酶菌株再经诱变育种得到工业用菌株的方法，获得了来源于锰氧化橙单胞菌的腈水合酶新基因nhase_08，构建了具有自主知识产权高产腈水合酶的基因工程菌株（E. coli BL21(DE3)/pET-30a(+)-NHase）。
2）发明了基于反馈补料的高密度发酵产酶和两次投酶连续补料清水酶催化3-氰基吡啶水合反应新技术。实现酶制剂低成本制造，以及无需添加缓冲盐的高产物烟酰胺浓度、大时空产率的3-氰基吡啶高效水合；突破现有腈水合酶生产及催化腈水合反应技术壁垒，建成国内首条万吨级酶催化3-氰基吡啶水合装置。
3）发明了基于自主创制新一代醛氨催化剂的产物比例可调的绿色高效3-氰基吡啶生产新工艺。建立了物料回收套用、产物比例可调节、釜残多甲基吡啶高值化利用和剧毒尾气无毒化排放等新技术，突破烟酰胺生产原料3-氰基吡啶制造的技术瓶颈，实现了烟酰胺/吡啶产品链的市场适应性和安全洁净生产。
该项目已在南京红太阳股份有限公司实施产业化，建成国内首条年产2万吨烟酰胺和7.5万吨吡啶新生产线。烟酰胺产能约占全球的30%，成为全球龙头制造商。产品经SGS（国际计量认证）检验，达到欧洲质量标准，远销德国、澳大利亚等12个国家和地区。近三年累计新增销售39.97亿元，新增利润8.31亿元。新技术节能减排降耗效果显著，三废处理难度大大降低。
获授权国家发明专利13件、实用新型专利25件，构筑了覆盖产酶菌株构建、高密度发酵产酶、高效催化水合、催化剂创制、反应和分离等方面的专利群。制定2项国家标准和4项企业标准。获得2018年度高等学校技术发明奖一等奖、2017年度中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖。


客观评价        1、国内外同类技术先进性对比
该项目的主要技术指标明显优于国外龙头企业，三废处理难度大大降低，减排降耗效果显著，实现了技术跨越，引领世界烟酰胺生产技术进入新阶段。
2、中国石油和化学工业联合会科学技术成果鉴定意见：
2017年5月8日，中国石油和化学工业联合会在安徽省马鞍山市组织欧阳平凯院士，陈芬儿院士等7位同行专家对浙江大学、安徽国星生物化学有限公司、安徽瑞邦生物科技有限公司完成的“酶催化生产烟酰胺及吡啶产业优化技术”项目进行了科技成果鉴定。专家组一致认为：“项目成功实现产业化，经济社会效益显著。成果有自主知识产权，整体技术达到国际先进水平，多甲基吡啶分离纯化技术和用于生产烟酰胺的腈水合酶发酵水平国际领先。”
3、权威部门产品检测报告
    经通标标准技术服务（上海）有限公司（SGS，国际计量认证），安徽省产品质量监督检验研究院和泰州市产品质量监督检验所（CMA，中国计量认证）对烟酰胺、吡啶、3-甲基吡啶、3-氰基吡啶、2,3-二甲基吡啶，3,5-二甲基吡啶，2,3,5-三甲基吡啶进行检测，得出如下结论：样品分别按照国家标准或企业标准检验合格。产品达到欧洲质量标准。
4、项目验收意见
973项目“生物制造手性化学品的科学基础”(2011年)自立项实施以来，总体执行情况较好，达到了预期目标，予以通过验收。验收结果为“良好”。
5、用户评价
    产品烟酰胺由广州市诚一水产科技有限公司、玉林市今朝饲料科技有限公司和佛山市信豚生物科技有限公司等采购用于生产工业配合饲料；产品吡啶由山东科信生物化学有限公司等采购用于生产高效低毒环保农药，深受用户好评。
6、省部级奖励情况
    项目成果获得2018年度教育部高等学校技术发明一等奖，和2017 年度中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖，证书号码2017JB0299-1-1。
7、知识产权情况
构筑了覆盖产酶菌株构建、高密度发酵产酶、高效催化水合、催化剂创制、反应和分离等方面的专利群，构建了具有完全自主知识产权的技术体系，申请国家发明专利20件，已授权13件；授权实用新型专利25件，在国际权威刊物上发表SCI收录论文6篇。参与起草制定国家标准2项，制定企业标准4项。


8、科技查新
1）针对发明点1查新结论：根据查新报告，未见所检有关来源于锰氧化橙单胞菌的腈水合酶基nhase_08开发和利用，及其在大肠杆菌（E. coli BL21(DE3)/pET-30a(+) -NHase）中异源表达，以及通过N端短肽融合、核糖体结合位点改造、亚基均衡表达等策略增强腈水合酶在大肠杆菌中的异源表达效率（腈水合酶比活力≥600U/mg）的中外文文献报道。
2）针对发明点2查新结论：根据查新报告，未见有关高密度发酵培养大肠杆菌，并制备重组腈水合酶Nhase_08，细胞密度≥50g细胞干重/L发酵液，酶活力≥6000U/mL发酵液的中外文文献报道。未见有关该重组腈水合酶Nhase_08催化三氰基吡啶水合生产烟酰胺，产物浓度≥400g/L，时空产率≥100g/L/h/g干细胞的中外文文献报道。
3）针对发明点3查新结论：根据查新报告，本委托项目所述3-甲基吡啶/吡啶摩尔比例0.5-0.7之间可调，收率达到91%；低温结晶熔融法和草酸成盐法分离纯化多甲基吡啶；以及废气实现套用，年回收高质蒸汽2.6万吨在所检国内外公开文献中未见述及。
应用情况        该技术已在南京红太阳股份有限公司进行了产业化应用，打破了国外公司对烟酰胺产品市场的垄断。建成了年产2万吨烟酰胺和7.5万吨吡啶新生产线（单套产能2.5万吨/年，全球最大，也是世界上规模最大的吡啶生产企业），产品全球市场占有率30%，成为全球这两个产品的制造巨头和领导者。
产品销售覆盖北京、上海、天津、广东、江苏、浙江、山东、安徽、辽宁、福建、云南等省市，产品还远销德国、澳大利亚、印度、阿根廷、南非、泰国、越南、巴拉圭、印度尼西亚、尼日利亚、坦桑尼亚、香港等12个国家和地区。产品烟酰胺由广州市诚一水产科技有限公司、玉林市今朝饲料科技有限公司和佛山市信豚生物科技有限公司等采购用于生产工业配合饲料；产品吡啶由山东科信生物化学有限公司等采购用于生产高效低毒环保农药，产生了巨大的经济社会效益。


主要知识产权和标准规范等目录
知识产权（标准）类别        知识产权（标准）具体名称        国家（地区）        授权号（标准编号）        授权（标准发布）日期        证书编号（标准批准发布部门）        权利人（标准起草单位）        发明人（标准起草人）        发明专利（标准）有效状态
发明专利        一种重组腈水合酶的高效表达方法        中国        ZL201710910450.8        2018.09.28        3092099        浙江大学        杨立荣，周海胜，郭法谋，吴坚平，徐刚        有效
发明专利        一种重组腈水合酶大肠杆菌基因工程菌的高密度发酵工艺        中国        ZL201710962094.4        2018.09.28        3091344        浙江大学        杨立荣，周海胜，张红玉，吴坚平，徐刚        有效
发明专利        一种烟酰胺的生产工艺        中国        ZL201710962095.9        2018.11.06        3137773        浙江大学        杨立荣，周海胜，吴坚平，徐刚        有效
发明专利        腈水合酶及其应用        中国        ZL201410758150.9        2017.07.07        2544046        浙江大学        杨立荣，郭法谋，王丽燕，吴坚平，徐刚        有效
发明专利        腈水合酶及其编码基因和应用        中国        ZL201410621651.2        2017.10.03        2645005        浙江大学        杨立荣，郭法谋，王丽燕，吴坚平，徐刚        有效
发明专利        酰胺酶及其编码基因和应用        中国        ZL201410618993.9        2017.07.21        2561113        浙江大学        杨立荣,郭法谋, 吴坚平,徐刚        有效
发明专利        用于生产吡啶碱的催化剂及其制备方法        中国        ZL200710021347.4        2009.09.16        550181        安徽国星        薛谊,陶峻,徐强,蒋剑华        有效
发明专利        一种利用离子化液体萃取剂萃取吡啶类化合物的方法        中国        ZL201210008920.9        2014.07.09        1437079        红太阳股份        江涛；薛谊；郭畅；秦必政；武强；陶兴标；蒋剑华        有效
发明专利        一种3,5-二甲基吡啶的提纯方法        中国        ZL201510267462.4        2017.07.18        2557451        红太阳股份        薛谊;岳瑞宽;蒋剑华;陈洪龙        有效
发明专利        一种粗吡啶的提纯方法        中国        ZL200810124678.5        2010.12.01        705338        安徽国星        薛谊,芮忠南,徐强,陶峻,刘善和,蒋剑华        有效


主要完成人情况        杨立荣、1、无、教授、浙江大学、浙江大学、负责“化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化”技术的总体设计和研究，协调校企间合作。1）发明点一中腈水合酶的产酶菌株构建研究；2）发明点二中高密度发酵产酶和酶催化水合技术研究；3）发明点三中3-氰基吡啶氨氧化技术研究。
薛谊、2、副总裁、教授级高工、南京红太阳股份有限公司、南京红太阳股份有限公司、负责“化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化”发明点三主副产比例可调的3-氰基吡啶生产技术研究及项目建设和生产技术管理工作，具体负责醛氨缩合催化剂制备技术和产品分离技术研究。
徐刚、3、无、副教授、浙江大学、浙江大学、负责“化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化”项目中：1）发明点一中高效腈水合酶的重组表达；2）发明点二3-氰基吡啶氨氧化技术研究。
吴坚平、4、研究所所长、教授、浙江大学、浙江大学、负责“化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化”发明点一中重组腈水合酶的研制和发明点二高浓度底物水合工艺研究。
陶峻、5、副总裁、工程师、南京红太阳股份有限公司、南京红太阳股份有限公司、负责“化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化” 发明点三主副产比例可调的3-氰基吡啶生产技术的产业化，具体参与醛氨缩合催化剂制备技术和产品分离技术研究。
刘善和、6、无、高级工程师、南京红太阳股份有限公司、南京红太阳股份有限公司、负责“化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化” 发明点三主副产比例可调的3-氰基吡啶生产技术总体研究以及烟酰胺生产技术的产业化应用，具体参与粗吡啶的提纯方法研究。
完成人合作关系说明        第一完成人杨立荣作为项目总负责人，负责“化学-酶级联法烟酰胺生产成套技术及其产业化”技术路线的制定和具体研究计划的执行，并总体负责研制全新的高效基因工程生物催化剂、创制高底物浓度清水生物反应新技术，与其它项目完成人分工协作，共同完成本项目的研究和产业化。薛谊主要负责醛氨缩合催化剂制备和产品分离技术研究和产业化，徐刚主要负责高效腈水合酶的重组表达和3-氰基吡啶氨氧化生产技术研究，吴坚平主要负责重组腈水合酶的研制和酶催化水合工艺研究，陶峻主要负责主副产比例可调的3-氰基吡啶生产技术的产业化，刘善和主要负责化学催化技术总体研究以及烟酰胺生产技术的产业化。