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“细菌”做流水线工人生物可降解塑料在中国的商业化实践低碳启明星

2023-10-15 新闻中心

  2008年,清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强教授和他的团队在新疆艾丁湖的高盐、高碱极端环境中发现了一种特殊的微生物:嗜盐菌(Halomonas)。随后他们将这一菌株带回,并与清华大学的科研团队进行了一系列的研究和培养实验。研发人员通过基因编辑和其他生物工程技术,对菌株添加并优化了多个性能;经过发酵、提纯、测试等多个步骤后,最终成功将这个特殊的微生物从大自然引入到塑料替代品的生产线中。

  “一般的微生物无法在高盐、高碱的极端环境中生存,我们筛选出的微生物具有在极端环境中生存的优势,这种环境直接隔绝了其他潜在微生物的侵入。因此,我们也可以实施一种完全开放、连续的发酵过程,极大地简化了工业生产体系。”北京微构工场生物技术有限公司副总裁欧阳鹏飞近期接受界面新闻采访时表示,使用这一菌种的产线也减少了额外的灭菌工作,大大降低了生产所带来的成本,并减少约50%的生产能耗。

  “陈国强教授的团队先前也是采用传统的工业生物技术(CIB),例如使用大肠杆菌作为微生物底盘。但在生产的全部过程中,这种方法经常遇到微生物污染的问题。这促使陈国强教授转向开发嗜盐菌。” 国际代谢工程奖评选委员会主席、韩国科学院化学与生物分子工程系杰出教授、代谢与生物分子工程国家实验室主任Sang Yup Lee(李相烨)院士评价。

  随着清华大学科研团队与微构工场对菌株的持续性研发,2018年之后菌株已连续迭代至20余代。另外,该团队已完成多种材料的聚合,使产品性能适应于不同市场需求。目前微构工场的产线可用来生产生物可降解材料PHA(聚羟基脂肪酸酯)、 化妆品原料四氢嘧啶、大宗化工产品戊二胺、蛋白酶类等多种产品。PHA是一种由微生物通过发酵过程制造出来的可降解塑料,它的原料通常来自可再生资源,如糖或淀粉。

  之所以寻求塑料的替代品,是因为塑料的不可降解特性,以及生产过程产生的能源消耗与温室气体排放。传统塑料一般由石油或天然气这类非可再生原料制成,这种合成聚合物在大多数情况下要几百年或更久才能在自然环境中完全分解,对土壤、水体、生物等造成损害。相比之下,PHA可以在自然环境中通过3-6个月的时间完全分解,是一种环境友好的塑料替代品。

  今年6月,微构工场在湖北宜昌启动了预计年产3万吨的PHA可降解材料绿色智能制造项目。去年10月,该公司也在北京中德产业园正式投产了一条采用数字孪生引擎技术的智能生产示范线。其中,技术相当于一个“虚拟实验室”;通过实时数据和模型,模拟整个生产的全部过程,可以出一些潜在性问题。这项技术能帮助产品进行各种测试和优化、减少生产所带来的成本和提高效率。

  根据联合国环境规划署的数据,孟加拉国在2002年成为全世界第一个实施塑料袋禁令的国家,目的是解决塑料袋导致排水系统堵塞从而加剧洪灾的问题。接着,中国政府在2007年底发布了“限塑令”,旨在减缓塑料袋对环境能够造成的“白色污染”,该政策在2008年6月1日开始实施。到2017年为止,全球已经有超过20个国家跟进实施了类似的禁塑政策。

  受到全球政策的推动,PHA市场的前景逐渐明朗,并促进了这一生物可降解材料的全球产业化发展。全世界内PHA主要的生产企业包括德国Biomers、日本Kaneka、美国Danimer、新加坡RWDC、美国Newlight和我国的宁波天安生物材料、蓝晶微生物、珠海麦得发生物科技、微构工场等。

  “中国PHA生产的规模和技术处于全球比较领先的位置。但PHA产业化仍处于起步阶段,而且下游应用有待完善。业内预计,从批量化生产到下游市场放量采购仍需2-3年的时间。” 一位国内专注研究生物基材料博士向界面新闻表示。

  微构工场欧阳鹏飞告诉界面新闻,PHA适用场景较为广泛,因为这样一种材料同时拥有生物可降解(海洋、土壤、水等自然环境可降解和家庭、工业堆肥可降解)、生物相容、光学活性等特点,材料能应用于日用品,如一次性制品、食品包装、纺织纤维;也可被应用于汽车内饰、宠物用品等;甚至在化妆品中替代传统的微珠。此外,PHA也可应用于高的附加价值的医药领域,如作为药物缓释载体、微球,用来制造心脏支架、止血夹、手术缝线等。微构工场也正在与北大口腔医院联合开发PHA口腔修复膜,该材料表现出良好的修复和促进牙龈再生的效果。

  另外,PHA还能被开发为动物饲料,也能被海洋动物消化食用。其中一个PHA的组成单体是3-HB(3-羟基丁酸),是一种具有生物活性的酮体,当将含有3-HB的PHA用作动物饲料时,这些生物活性分子可能有助于刺激动物的生长,提高动物生产效率,这一特性有望推动PHA在更多应用领域的商业化。

  1992年,英国的阿斯利康(AstraZeneca)曾计划将PHA产业化,但当时该材料的生产所带来的成本高达8-10美元/千克,远高于传统塑料,这也导致了建厂计划被搁置。过去三十年中,合成生物学的进步有望持续释放产能,逐步降低成本。PHA的产业链上游主要涉及有玉米、煤炭、活性炭、硫酸等原材料,下游主要应用于纺织业、塑料工业、农用地膜、包装材料、现代医药材料、3D打印等。

  微构工场欧阳鹏飞告诉界面新闻,PHA生产是一个很复杂的产业链条,同时也面临着复杂的研发和应用挑战。

  “由于PHA有多种不同的类型,目前我们能生产30多种不同的PHA,所以研发人需要在大量研究和测试中找到最适合特定应用场景的PHA。而且实验室的测试结果和实际应用环境中的性能有几率存在差异,这需要通过场景模拟和长期稳定性测试来确认。”欧阳鹏飞指出,“由于这些挑战涉及多个学科领域,实现PHA在各个应用领域的成功推广,需要跨学科的研究和跨行业的合作。”

  今年三月份,微构工场与20余家高校、企业展开合作并成立“+生物制造”创新联盟。此前,微构工场与全球工业酶制剂和工业微生物制造商诺维信合作,推动餐厨废弃物资源化利用,微构工场通过开发一种改造过的嗜盐菌,能够在餐厨废弃物水解物中生长,与诺维信一同推动餐厨废弃物的资源化利用。微构工场还与安琪酵母合作了一个总投资10.5亿元人民币的PHA可降解材料的智能制造项目,预计年产3万吨;与中国纺织科学研究院合作开发PHA相关的纺丝技术,为纺织行业拓展绿色生物材料提供一个可选项;与恒鑫生活合作,开发基于PHA和PLA(聚乳酸,一种新型生物降解材料,使用可再生的植物资源提出的淀粉原料制成)的共混改性产品如PHA刀叉、吸管等,恒鑫生活是喜茶、蜜雪冰城、瑞幸咖啡等多家品牌背后的供应商。