“細菌”做流水線(xiàn)工人，生物可降解塑料在中國的商業(yè)化實(shí)踐｜低碳啟明星⑪

2008年，清華大學(xué)合成與系統生物學(xué)中心主任陳國強教授和他的團隊在新疆艾丁湖的高鹽、高堿極端環(huán)境中發(fā)現了一種特殊的微生物：嗜鹽菌（Halomonas）。隨后他們將這一菌株帶回，并與清華大學(xué)的科研團隊進(jìn)行了一系列的研究和培養實(shí)驗。研發(fā)人員通過(guò)基因編輯和其他生物工程技術(shù)，對菌株添加并優(yōu)化了多個(gè)性能；經(jīng)過(guò)發(fā)酵、提純、測試等多個(gè)步驟后，最終成功將這個(gè)特殊的微生物從大自然引入到塑料替代品的生產(chǎn)線(xiàn)中。

“一般的微生物無(wú)法在高鹽、高堿的極端環(huán)境中生存，我們篩選出的微生物具有在極端環(huán)境中生存的優(yōu)勢，這種環(huán)境直接隔絕了其他潛在微生物的侵入。因此，我們能夠實(shí)施一種完全開(kāi)放、連續的發(fā)酵過(guò)程，極大地簡(jiǎn)化了工業(yè)生產(chǎn)體系�！北本┪�構工場(chǎng)生物技術(shù)有限公司副總裁歐陽(yáng)鵬飛近期接受界面新聞采訪(fǎng)時(shí)表示，使用這一菌種的產(chǎn)線(xiàn)也減少了額外的滅菌工作，有效降低了生產(chǎn)成本，并減少約50%的生產(chǎn)能耗。

“陳國強教授的團隊先前也是采用傳統的工業(yè)生物技術(shù)（CIB），例如使用大腸桿菌作為微生物底盤(pán)。但在生產(chǎn)過(guò)程中，這種方法經(jīng)常遇到微生物污染的問(wèn)題。這促使陳國強教授轉向開(kāi)發(fā)嗜鹽菌�！� 國際代謝工程獎評選委員會(huì )主席、韓國科學(xué)院化學(xué)與生物分子工程系杰出教授、代謝與生物分子工程國家實(shí)驗室主任Sang Yup Lee（李相燁）院士評價(jià)。

隨著(zhù)清華大學(xué)科研團隊與微構工場(chǎng)對菌株的持續性研發(fā)，2018年之后菌株已連續迭代至20余代。另外，該團隊已完成多種材料的聚合，使產(chǎn)品性能適應于不同市場(chǎng)需求。目前微構工場(chǎng)的產(chǎn)線(xiàn)可用于生產(chǎn)生物可降解材料PHA（聚羥基脂肪酸酯）、 化妝品原料四氫嘧啶、大宗化工產(chǎn)品戊二胺、蛋白酶類(lèi)等多種產(chǎn)品。PHA（聚羥基脂肪酸酯）是一種由微生物通過(guò)發(fā)酵過(guò)程制造出來(lái)的可降解塑料，它的原料通常來(lái)自可再生資源，如糖或淀粉。

之所以尋求塑料的替代品，是因為塑料的不可降解特性，以及生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的能源消耗與溫室氣體排放。傳統塑料一般由石油或天然氣這類(lèi)非可再生原料制成，這種合成聚合物可能需要幾百年或更久才能在自然環(huán)境中完全分解，對土壤、水體、生物等造成損害。相比之下，PHA可以在自然環(huán)境中通過(guò)3-6個(gè)月的時(shí)間完全分解，是一種環(huán)境友好的塑料替代品。

今年6月，微構工場(chǎng)在湖北宜昌啟動(dòng)了預計年產(chǎn)3萬(wàn)噸的PHA可降解材料綠色智能制造項目。去年10月，該公司也在北京中德產(chǎn)業(yè)園正式投產(chǎn)了一條采用數字孿生引擎技術(shù)的智能生產(chǎn)示范線(xiàn)。其中，數字孿生技術(shù)相當于一個(gè)“虛擬實(shí)驗室”；通過(guò)實(shí)時(shí)數據和模型，模擬整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，可以提前預測出一些潛在性問(wèn)題。這項技術(shù)可以幫助產(chǎn)品進(jìn)行各種測試和優(yōu)化、減少生產(chǎn)成本和提高效率。

根據聯(lián)合國環(huán)境規劃署的數據，孟加拉國在2002年成為全球第一個(gè)實(shí)施塑料袋禁令的國家，目的是解決塑料袋導致排水系統堵塞從而加劇洪災的問(wèn)題。接著(zhù)，中國政府在2007年底發(fā)布了“限塑令”，旨在減緩塑料袋對環(huán)境造成的“白色污染”，該政策在2008年6月1日開(kāi)始實(shí)施。到2017年為止，全球已經(jīng)有超過(guò)20個(gè)國家跟進(jìn)實(shí)施了類(lèi)似的禁塑政策。

受到全球政策的推動(dòng)，PHA市場(chǎng)的前景逐漸明朗，并促進(jìn)了這一生物可降解材料的全球產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。全球范圍內PHA主要的生產(chǎn)企業(yè)包括德國B(niǎo)iomers、日本Kaneka、美國Danimer、新加坡RWDC、美國Newlight和我國的寧波天安生物材料、藍晶微生物、珠海麥得發(fā)生物科技、微構工場(chǎng)等。

“中國PHA生產(chǎn)的規模和技術(shù)處于全球比較領(lǐng)先的位置。但PHA產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，而且下游應用有待完善。業(yè)內預計，從批量化生產(chǎn)到下游市場(chǎng)放量采購仍需2-3年的時(shí)間�！� 一位國內專(zhuān)注研究生物基材料博士向界面新聞表示。

微構工場(chǎng)歐陽(yáng)鵬飛告訴界面新聞，PHA適用場(chǎng)景比較廣泛，因為這種材料同時(shí)擁有生物可降解（海洋、土壤、水等自然環(huán)境可降解和家庭、工業(yè)堆肥可降解）、生物相容、光學(xué)活性等特點(diǎn)，材料可以應用于日用品，如一次性制品、食品包裝、紡織纖維；也可被應用于汽車(chē)內飾、寵物用品等；甚至在化妝品中替代傳統的微珠。此外，PHA也可應用于高附加值的醫藥領(lǐng)域，如作為藥物緩釋載體、微球，用于制造心臟支架、止血夾、手術(shù)縫線(xiàn)等。微構工場(chǎng)也正在與北大口腔醫院聯(lián)合開(kāi)發(fā)PHA口腔修復膜，該材料表現出良好的修復和促進(jìn)牙齦再生的效果。

另外，PHA還能被開(kāi)發(fā)為動(dòng)物飼料，也能被海洋動(dòng)物消化食用。其中一個(gè)PHA的組成單體是3-HB（3-羥基丁酸），是一種具有生物活性的酮體，當將含有3-HB的PHA用作動(dòng)物飼料時(shí)，這些生物活性分子可能有助于刺激動(dòng)物的生長(cháng)，提高動(dòng)物生產(chǎn)效率，這一特性有望推動(dòng)PHA在更多應用領(lǐng)域的商業(yè)化。

1992年，英國的阿斯利康（AstraZeneca）曾計劃將PHA產(chǎn)業(yè)化，但當時(shí)該材料的生產(chǎn)成本高達8-10美元/千克，遠高于傳統塑料，這也導致了建廠(chǎng)計劃被擱置。過(guò)去三十年中，合成生物學(xué)的進(jìn)步有望持續釋放產(chǎn)能，進(jìn)一步降低成本。PHA的產(chǎn)業(yè)鏈上游主要涉及有玉米、煤炭、活性炭、硫酸等原材料，下游主要應用于紡織業(yè)、塑料工業(yè)、農用地膜、包裝材料、現代醫藥材料、3D打印等。

微構工場(chǎng)歐陽(yáng)鵬飛告訴界面新聞，PHA生產(chǎn)是一個(gè)非常復雜的產(chǎn)業(yè)鏈條，同時(shí)也面臨著(zhù)復雜的研發(fā)和應用挑戰。

“由于PHA有多種不同的類(lèi)型，目前我們能生產(chǎn)30多種不同的PHA，所以研發(fā)人員需要在大量研究和測試中找到最適合特定應用場(chǎng)景的PHA。而且實(shí)驗室的測試結果和實(shí)際應用環(huán)境中的性能可能存在差異，這需要通過(guò)場(chǎng)景模擬和長(cháng)期穩定性測試來(lái)確認�！睔W陽(yáng)鵬飛指出，“由于這些挑戰涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，實(shí)現PHA在各個(gè)應用領(lǐng)域的成功推廣，需要跨學(xué)科的研究和跨行業(yè)的合作�！�