清華大學教授陳國強團隊實現(xiàn)PHA大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,，一年內(nèi)獲3億融資可用于3D打印

來源: 人民日報

在可降解的生物材料研發(fā)上摸索了37年的清華大學教授、合成與系統(tǒng)生物學中心主任陳國強,，最近終于眉頭舒展：“這次接近看到曙光了。”

為減少不易降解的石化塑料造成的白色污染,，科學家一直在尋找可降解材料，生物制造是路徑之一,。在諸多生物材料中,，PHA（聚羥基脂肪酸酯）這一類材料家族，有全過程在水里合成,、完全降解,、動物可食用等優(yōu)勢，被寄予厚望,。上世紀90年代,，工業(yè)界試圖大規(guī)模生產(chǎn)時，卻遇到成本高,、能耗高等難題,。相比成熟的化工制造，生物制造PHA材料實在沒有競爭力,。

從80年代開始,，陳國強就在做PHA研究。PHA大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化被認為難以走通時,，相關研究迅速降溫,，有觀點認為：作為大宗材料，PHA沒有前途,�,？恐鴱膰�家自然科學基金委員會和產(chǎn)業(yè)界爭取到的資助，陳國強繼續(xù)研究生物制造技術,�,！拔覉孕胚@是未來發(fā)展方向，咬著牙也要把它做下去,�,！标悋鴱姼嬖V記者。其間,，在科技部有關課題的持續(xù)支持下,，他探索出了可行的PHA規(guī)�,；�生產(chǎn)方法，但受制于制造成本,、復雜的生產(chǎn)流程等,，實際應用的范圍很小。

生物制造成本居高不下,，重要原因是反應過程消耗大量淡水和能量,，生產(chǎn)工藝復雜、設備投資巨大,，生產(chǎn)過程中出錯（染菌）率很高,。能不能用海水來替代淡水？實現(xiàn)這一設想,，前提是找到適合海水的菌種,。2003年，陳國強團隊得知新疆有個艾丁湖,，這是一個由于酷熱,、干燥的氣候形成的內(nèi)陸咸水湖。經(jīng)過多次實地土壤篩選,，他們驚喜地發(fā)現(xiàn),，兩株細菌具有高度耐鹽以及快速生長的特性，且不易被其他微生物感染,。這正是團隊苦苦尋找的理想工業(yè)微生物菌株,。

但這些嗜鹽菌能否充當新一代生物制造的底盤細胞？陳國強帶領團隊利用合成生物學和代謝工程學方法,，改造出適應能力更強,、生長速度更快的菌株，并從科學上驗證：基于嗜鹽菌發(fā)展“下一代工業(yè)生物技術”進行制造不僅可行,，而且相比上一代技術有巨大提升,。2011年，陳國強團隊發(fā)表的論文引起行業(yè)廣泛關注,，多個國際科學團隊和企業(yè)紛紛跟進。沉寂多年的PHA研究,，包括使用極端細菌的工業(yè)過程,，成為生物制造的新熱點。

從實驗室走向工業(yè)化,，沒人清楚能否走得通,。在國家多個科技項目支持下，陳國強開始了另一場遠征——規(guī)�,；�生產(chǎn)技術驗證,。又攻關近10年,，他帶領團隊基于嗜鹽菌構建了生物制造的系列核心技術平臺，解決了發(fā)酵生產(chǎn)中高耗能,、易染菌,、過程復雜、產(chǎn)物難提取,、生產(chǎn)成本高等難題,。無論基礎研究還是工程化實現(xiàn)，該團隊如今都走在全球前列,。

“科學研究就像一場冒險,，一路走來，我是幸運兒,�,！标悋鴱姼锌�，��37年科研生涯中,，走過的彎路很多,，失敗探索遠多于成功。走到現(xiàn)在,，源于自己堅信：任何一個研究方向往深處鉆研一定會有新發(fā)現(xiàn),。”

2021年10月,，他帶領團隊完成200噸發(fā)酵罐的PHA開放生產(chǎn),。利用得到的PHA，他們與多個兄弟單位合作,，成功制成纖維紡織品,、可降解農(nóng)膜、管材,、3D打印材料,、醫(yī)用無紡布以及發(fā)光材料等。在合成生物學和“下一代工業(yè)生物技術”制造PHA生物塑料的道路上,，陳國強團隊使我國處于世界領先的水平,。“看到下一代生物制造從夢想變成現(xiàn)實,，我感到一切付出都值得,！”他說。

一年內(nèi)獲3億融資，「微構工場」如何打入萬億級塑料替代市場？

本文來自35斗公眾號,，作者孟星,。

2021年，史上最嚴“限塑令”正式在全國推行,，一次性不可降解塑料吸管,、不可降解塑料包裝等均被明確禁止使用。餐飲行業(yè)急需一種替代石油基塑料的解決方案,。

然而,，目前生物塑料依舊是市場中的小眾之選。每年全球所生產(chǎn)的3億噸塑料制品中,，生物塑料所占份額不足1%,。不過，據(jù)歐洲生物塑料協(xié)會（European Bioplastics）的市場數(shù)據(jù)顯示,，這一數(shù)字有望在未來幾年飆升,。華安證券指出，我國此次推動的全國范圍內(nèi)的禁塑政策將拉動可降解塑料國內(nèi)需求穩(wěn)步增長,。到2025年,，預計我國可降解塑料需求量為238萬噸，市場規(guī)�,？蛇_477億元,；到2030年，預計需求量為428萬噸,，市場規(guī)�,？蛇_855億元。我們在《農(nóng)業(yè)食品大航海時代：你需要一份藏寶圖》報告中梳理了新材料行業(yè)的企業(yè),，其中僅排名前6名的企業(yè)就獲得了45億美元融資,，其市場前景不言而喻。

近日,，35斗采訪了「微構工場」的副總裁,、聯(lián)合創(chuàng)始人蘭宇軒，他為我們講述了生物材料PHA的解決方案及目前的應用場景,。


一,、一年融資3億，紅杉資本追加兩輪投資

「微構工場」成立于2021年2月,，是一家擁有世界領先技術的合成生物企業(yè),，致力于用微生物技術為人們帶來更美好的綠色生活。依托超過30年的深厚技術積累,，「微構工場」創(chuàng)新地探索著合成生物學的技術前沿，搭建全新一代生物智能創(chuàng)生引擎,，產(chǎn)品矩陣包括PHA（聚羥基脂肪酸酯）,、3-羥基丙酸,、類胡蘿卜素、賴氨酸和戊二胺,、蘇氨酸等,，可廣泛應用于快速消費、醫(yī)療臨床,、化妝,、紡織等領域。

「微構工場」成立不到半年,，即獲紅杉種子基金領投的近5000萬元天使輪融資,。隨即，又獲得混改基金領投的2.5億融資,，融資總額近3億元人民幣,。下表是「微構工場」兩輪融資情況。


圖：一年內(nèi)獲3億融資

「微構工場」聯(lián)合創(chuàng)始人蘭宇軒,，本科就讀于清華大學生命科學學院,，當時的畢業(yè)論文導師就是清華大學陳國強教授。后赴加州大學伯克利分校攻讀生物工程專業(yè),，當時的課程中一半是生物工程,，一半是哈斯商學院的聯(lián)合課程，這為他以后創(chuàng)業(yè)提供了來自生物學和商業(yè)兩種背景的訓練,。后來還曾到斯坦福大學做研究訪問學者,。

「微構工場」的創(chuàng)始人、首席科學家陳國強教授是清華大學合成與系統(tǒng)生物學中心主任,。他從博士時期便開始做 PHA 相關研究,，30 余年的經(jīng)驗積累使他對合成生物技術以及 PHA的工藝都非常熟悉，并且也申請了一系列的專利,，這正是公司核心之所在,。依托陳國強團隊開發(fā)的低碳環(huán)保 “下一代工業(yè)生物技術” 體系，「微構工場」可以合成 30 余種不同性能的 PHA 材料,，以滿足不同應用的需求,。由斯坦福大學John P.A.Ioannidis教授團隊與Elsevier旗下Mendeley Data發(fā)布的 《全球前2%頂尖科學家榜單2020-中國（年度影響力TOP200）》 中， 陳國強教授在生物技術領域國內(nèi)排名第一,。


圖：微構工場創(chuàng)始人,、首席科學家陳國強教授

“下一代工業(yè)生物技術”（Next Generation Industrial Biotechnology, NGIB）是陳國強教授首先提出并發(fā)展完善的一種低成本生物制造技術，其核心是利用生長在特殊環(huán)境中的極端微生物,，如嗜鹽菌,、嗜酸菌、嗜堿菌、嗜冷菌,、嗜熱菌等作為底盤細胞建立開放,、無滅菌的連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)體系。該理論提出的背景是突破現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的瓶頸,，主流的生產(chǎn)方式包括化工,、傳統(tǒng)生物發(fā)酵等，存在易燃易爆,、效率低,、污染大、失敗率高,、成本高等問題,。“下一代工業(yè)生物技術”希望將傳統(tǒng)的化工,、生物發(fā)酵方式的優(yōu)勢結合在一起,，同時摒棄兩者的問題，將生物技術提高到一個新的境界,。

具體而言,，采用了全新的底盤細菌，該細菌是團隊在新疆艾丁湖中發(fā)現(xiàn)的極端微生物,，與一般微生物不同,，它在具有一定滲透壓堿性環(huán)境下生存，所以沒有染菌的風險,。因此,，在工業(yè)發(fā)酵過程中最大的優(yōu)勢是不需要滅菌，這系統(tǒng)性解決了滅菌過程中的耗能高和操作復雜的問題,。同時,，這一新型底盤細菌適宜高密度培養(yǎng)，可以使發(fā)酵產(chǎn)物的濃度大幅提高,。未來,，這一新型底盤細胞將在越來越多的領域取代傳統(tǒng)底盤細胞，成為最重要的工業(yè)生物技術底盤之一,。

二,、將清華大學科研成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)化運營產(chǎn)品，從實驗室到市場有多遠,？

「微構工場」的第一個拳頭產(chǎn)品是PHA（聚羥基脂肪酸酯）,，是一種生物可降解材料，可以被用于消費,、醫(yī)療,、化妝,、紡織、農(nóng)業(yè)等各種場景,，高端應用包括心臟支架,、血管支架等醫(yī)用材料，PHA構成的微球可以用來容納并培養(yǎng)干細胞,，微球可在一年內(nèi)降解，而降解產(chǎn)物可以幫助細胞生長,；中端應用包括咖啡膠囊,、食品包裝薄膜、包裝袋等,，低端應用包括塑料袋,、農(nóng)膜、餐具等,。


圖：PHA產(chǎn)品的應用場景

以吸管為例,，「微構工場」正在和大型的乳制品企業(yè)合作，幫助他們替換掉原本使用的不可降解吸管,。相比傳統(tǒng)吸管,，PHA吸管有兩個優(yōu)勢：一是相比石油基塑料、PLA材料等,，全生產(chǎn)過程中碳排放量少,；二是降解性能好，PHA吸管可以完全被土壤,、海水等降解,，可以直接遺棄到自然環(huán)境中。


與一些不進行可循環(huán)的傳統(tǒng)塑料產(chǎn)品相比,，PHA 最大的優(yōu)勢是,，其生產(chǎn)底物都是可以循環(huán)的碳源（例如淀粉糖、餐廚垃圾處理物,、秸稈水解糖等）,。并且，PHA 的整個聚合過程是生物聚合而非化學聚合,，顯著地減少了生產(chǎn)過程的碳排放,。PHA產(chǎn)品具有性能更優(yōu)、可靠性更高,、成本更低等優(yōu)勢,，是真正意義上的消費級可降解產(chǎn)品。

將技術從實驗室遷移到市場并不容易,。蘭宇軒認為,，實驗室是驗證概念,、進行可行性研究的地方，而產(chǎn)業(yè)化的過程實際上是將技術體系放大的過程,。在產(chǎn)業(yè)化之前,，團隊已經(jīng)在清華大學的實驗室扎根了10多年，從小試到中試,、再到量產(chǎn),，成功將實驗室里的成果規(guī)模化,。這一過程,，伴隨著上游菌株的迭代，工藝的優(yōu)化,。在產(chǎn)品達到一定的生產(chǎn)能力后,，才開始積極的探索下游的應用市場。

實驗室和市場是不同的語境,，當技術被遷移到市場時,，「微構工場」團隊也開始更加關注成本問題。

成本是市場關心的問題之一,，蘭宇軒告訴35斗,，「微構工場」的成本在同等規(guī)模下比其他PHA公司低30%-50%，這是由于底層技術和菌株下游生產(chǎn)能力較強,。但是目前仍然處于初期階段,，尚未達到規(guī)模效應。團隊正在探索將餐廚垃圾作為PHA發(fā)酵生產(chǎn)的原料,，減少對更為昂貴的葡萄糖的依賴,，2021年3月，「微構工場」和諾維信合作開啟餐廚合成PHA研發(fā),，將利用諾維信豐富的酶制劑資源,，推動PHA產(chǎn)業(yè)化。

三,、多家企業(yè)拋來合作橄欖枝,，PHA是終極解決方案嗎？

PHA材料是塑料的終極解決方案嗎,？蘭宇軒認為,，任何一種塑料或材料都不會成為終極的解決方案，因為不同材料有不同應用場景,，但是PHA作為一個有廣泛的分子單體的,、可擴展的性能的材料，會在很多領域產(chǎn)生影響,。

PHA是一個很大的家族,，單體就有150多種,，可以通過調(diào)節(jié)單體及單體的比例來滿足不同場景的需求，比如需要一定剛性的吸管,，需要成膜性,、韌性強的農(nóng)膜等。蘭宇軒認為,，“PHA是一個有望對眾多塑料場景進行替換的大家族聚合物,。”

蘭宇軒向我們透露,，目前正在和一些企業(yè)合作研發(fā)食品包裝新材料,，希望能共同將PHA材料的性能和應用場景建立起來。等量產(chǎn)線完工后,，市面上會出現(xiàn)更多生物塑料的產(chǎn)品。

目前正在建設年產(chǎn)一千噸的工廠,，預計今年6月投產(chǎn),。未來將擴展到萬噸線，屆時「微構工場」的生產(chǎn)成本將低于市面上主流可降解塑料,。

「微構工場」已經(jīng)和不少企業(yè)簽訂了合作,，共同開發(fā)更加綠色、可持續(xù)的解決方案,。通過對下游應用場景的建立,，逐步打開國內(nèi)外市場，為將來大規(guī)模的生產(chǎn)和銷售奠定基礎,。未來將邀請更多企業(yè),，共同開發(fā)生物材料的應用場景。

「微構工場」未來將在三個方向發(fā)力：一是擴展PHA單品的產(chǎn)能,，目標是做質(zhì)量最好,、種類最多、產(chǎn)能最大的PHA企業(yè),；二是立足第一個拳頭產(chǎn)品PHA開發(fā)一系列產(chǎn)品,；三是探索更多高附加值產(chǎn)品，比如化妝品中的活性成分,。未來,，微構將不斷推動高新合成生物技術與智能自動化的結合，探索生命未來,、打造綠色基底,，推動生物工業(yè)革命的全面落地。

（圖源：受訪者）

生物工業(yè)革命