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。”陳國強感慨，“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�！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的禁塑政策將拉動可降解塑料國內需求穩(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)模可達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�！跋乱淮�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