清華大學(xué)教授陳國強(qiáng)團(tuán)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(xué)教授、合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國強(qiáng)，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(xué)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(jì)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(qiáng)就在做PHA研究。PHA大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化被認(rèn)為難以走通時，相關(guān)研究迅速降溫，有觀點認(rèn)為：作為大宗材料，PHA沒有前途�？恐鴱膰�家自然科學(xué)基金委員會和產(chǎn)業(yè)界爭取到的資助，陳國強(qiáng)繼續(xù)研究生物制造技術(shù)�！拔覉孕胚@是未來發(fā)展方向，咬著牙也要把它做下去。”陳國強(qiáng)告訴記者。其間，在科技部有關(guān)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(fù)雜的生產(chǎn)流程等，實際應(yīng)用的范圍很小。

生物制造成本居高不下，重要原因是反應(yīng)過程消耗大量淡水和能量，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、設(shè)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(shè)想，前提是找到適合海水的菌種。2003年，陳國強(qiáng)團(tuán)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(xì)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(tuán)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(dāng)新一代生物制造的底盤細(xì)胞？陳國強(qiáng)帶領(lǐng)團(tuán)隊利用合成生物學(xué)和代謝工程學(xué)方法，改造出適應(yīng)能力更強(qiáng)、生長速度更快的菌株，并從科學(xué)上驗證：基于嗜鹽菌發(fā)展“下一代工業(yè)生物技術(shù)”進(jìn)行制造不僅可行，而且相比上一代技術(shù)有巨大提升。2011年，陳國強(qiáng)團(tuán)隊發(fā)表的論文引起行業(yè)廣泛關(guān)注，多個國際科學(xué)團(tuán)隊和企業(yè)紛紛跟進(jìn)。沉寂多年的PHA研究，包括使用極端細(xì)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(qiáng)開始了另一場遠(yuǎn)征——規(guī)�；�生產(chǎn)技術(shù)驗證。又攻關(guān)近10年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊基于嗜鹽菌構(gòu)建了生物制造的系列核心技術(shù)平臺，解決了發(fā)酵生產(chǎn)中高耗能、易染菌、過程復(fù)雜、產(chǎn)物難提取、生產(chǎn)成本高等難題。無論基礎(chǔ)研究還是工程化實現(xiàn)，該團(tuán)隊如今都走在全球前列。

“科學(xué)研究就像一場冒險，一路走來，我是幸運(yùn)兒。”陳國強(qiáng)感慨，“37年科研生涯中，走過的彎路很多，失敗探索遠(yuǎn)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(lǐng)團(tuán)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(xué)和“下一代工業(yè)生物技術(shù)”制造PHA生物塑料的道路上，陳國強(qiáng)團(tuán)隊使我國處于世界領(lǐng)先的水平�！翱吹较乱淮�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(gòu)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(yán)“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(yù)計我國可降解塑料需求量為238萬噸，市場規(guī)�？蛇_(dá)477億元；到2030年，預(yù)計需求量為428萬噸，市場規(guī)�？蛇_(dá)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(gòu)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(yīng)用場景。


一、一年融資3億，紅杉資本追加兩輪投資

「微構(gòu)工場」成立于2021年2月，是一家擁有世界領(lǐng)先技術(shù)的合成生物企業(yè)，致力于用微生物技術(shù)為人們帶來更美好的綠色生活。依托超過30年的深厚技術(shù)積累，「微構(gòu)工場」創(chuàng)新地探索著合成生物學(xué)的技術(shù)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(yīng)用于快速消費、醫(yī)療臨床、化妝、紡織等領(lǐng)域。

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


圖：一年內(nèi)獲3億融資

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

「微構(gòu)工場」的創(chuàng)始人、首席科學(xué)家陳國強(qiáng)教授是清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任。他從博士時期便開始做 PHA 相關(guān)研究，30 余年的經(jīng)驗積累使他對合成生物技術(shù)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(qiáng)團(tuán)隊開發(fā)的低碳環(huán)保 “下一代工業(yè)生物技術(shù)” 體系，「微構(gòu)工場」可以合成 30 余種不同性能的 PHA 材料，以滿足不同應(yīng)用的需求。由斯坦福大學(xué)John P.A.Ioannidis教授團(tuán)隊與Elsevier旗下Mendeley Data發(fā)布的 《全球前2%頂尖科學(xué)家榜單2020-中國（年度影響力TOP200）》 中， 陳國強(qiáng)教授在生物技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)排名第一。


圖：微構(gòu)工場創(chuàng)始人、首席科學(xué)家陳國強(qiáng)教授

“下一代工業(yè)生物技術(shù)”（Next Generation Industrial Biotechnology, NGIB）是陳國強(qiáng)教授首先提出并發(fā)展完善的一種低成本生物制造技術(shù)，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(xì)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(shù)”希望將傳統(tǒng)的化工、生物發(fā)酵方式的優(yōu)勢結(jié)合在一起，同時摒棄兩者的問題，將生物技術(shù)提高到一個新的境界。

具體而言，采用了全新的底盤細(xì)菌，該細(xì)菌是團(tuán)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(fēng)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(fù)雜的問題。同時，這一新型底盤細(xì)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(xì)胞將在越來越多的領(lǐng)域取代傳統(tǒng)底盤細(xì)胞，成為最重要的工業(yè)生物技術(shù)底盤之一。

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

「微構(gòu)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(yīng)用包括心臟支架、血管支架等醫(yī)用材料，PHA構(gòu)成的微球可以用來容納并培養(yǎng)干細(xì)胞，微球可在一年內(nèi)降解，而降解產(chǎn)物可以幫助細(xì)胞生長；中端應(yīng)用包括咖啡膠囊、食品包裝薄膜、包裝袋等，低端應(yīng)用包括塑料袋、農(nóng)膜、餐具等。


圖：PHA產(chǎn)品的應(yīng)用場景

以吸管為例，「微構(gòu)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(jìn)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(xué)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(shù)從實驗室遷移到市場并不容易。蘭宇軒認(rèn)為，實驗室是驗證概念、進(jìn)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(shù)體系放大的過程。在產(chǎn)業(yè)化之前，團(tuán)隊已經(jīng)在清華大學(xué)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)�；�。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(dá)到一定的生產(chǎn)能力后，才開始積極的探索下游的應(yīng)用市場。

實驗室和市場是不同的語境，當(dāng)技術(shù)被遷移到市場時，「微構(gòu)工場」團(tuán)隊也開始更加關(guān)注成本問題。

成本是市場關(guān)心的問題之一，蘭宇軒告訴35斗，「微構(gòu)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(shù)和菌株下游生產(chǎn)能力較強(qiáng)。但是目前仍然處于初期階段，尚未達(dá)到規(guī)模效應(yīng)。團(tuán)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(gòu)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(rèn)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(yīng)用場景，但是PHA作為一個有廣泛的分子單體的、可擴(kuò)展的性能的材料，會在很多領(lǐng)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(qiáng)的農(nóng)膜等。蘭宇軒認(rèn)為，“PHA是一個有望對眾多塑料場景進(jìn)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(yīng)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(shè)年產(chǎn)一千噸的工廠，預(yù)計今年6月投產(chǎn)。未來將擴(kuò)展到萬噸線，屆時「微構(gòu)工場」的生產(chǎn)成本將低于市面上主流可降解塑料。

「微構(gòu)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(yīng)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(chǔ)。未來將邀請更多企業(yè)，共同開發(fā)生物材料的應(yīng)用場景。

「微構(gòu)工場」未來將在三個方向發(fā)力：一是擴(kuò)展PHA單品的產(chǎn)能，目標(biāo)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(gòu)將不斷推動高新合成生物技術(shù)與智能自動化的結(jié)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