清华大学教授陈国强团队实现PHA大规模产业化，一年内获3亿融资可用于3D打印

来源: 人民日报

在可降解的生物材料研发上摸索了37年的清华大学教授、合成与系统生物学中心主任陈国强，最近终于眉头舒展：“这次接近看到曙光了。”

为减少不易降解的石化塑料造成的白色污染，科学家一直在寻找可降解材料，生物制造是路径之一。在诸多生物材料中，PHA（聚羟基脂肪酸酯）这一类材料家族，有全过程在水里合成、完全降解、动物可食用等优势，被寄予厚望。上世纪90年代，工业界试图大规模生产时，却遇到成本高、能耗高等难题。相比成熟的化工制造，生物制造PHA材料实在没有竞争力。

从80年代开始，陈国强就在做PHA研究。PHA大规模产业化被认为难以走通时，相关研究迅速降温，有观点认为：作为大宗材料，PHA没有前途。靠着从国家自然科学基金委员会和产业界争取到的资助，陈国强继续研究生物制造技术。“我坚信这是未来发展方向，咬着牙也要把它做下去。”陈国强告诉记者。其间，在科技部有关课题的持续支持下，他探索出了可行的PHA规模化生产方法，但受制于制造成本、复杂的生产流程等，实际应用的范围很小。

生物制造成本居高不下，重要原因是反应过程消耗大量淡水和能量，生产工艺复杂、设备投资巨大，生产过程中出错（染菌）率很高。能不能用海水来替代淡水？实现这一设想，前提是找到适合海水的菌种。2003年，陈国强团队得知新疆有个艾丁湖，这是一个由于酷热、干燥的气候形成的内陆咸水湖。经过多次实地土壤筛选，他们惊喜地发现，两株细菌具有高度耐盐以及快速生长的特性，且不易被其他微生物感染。这正是团队苦苦寻找的理想工业微生物菌株。

但这些嗜盐菌能否充当新一代生物制造的底盘细胞？陈国强带领团队利用合成生物学和代谢工程学方法，改造出适应能力更强、生长速度更快的菌株，并从科学上验证：基于嗜盐菌发展“下一代工业生物技术”进行制造不仅可行，而且相比上一代技术有巨大提升。2011年，陈国强团队发表的论文引起行业广泛关注，多个国际科学团队和企业纷纷跟进。沉寂多年的PHA研究，包括使用极端细菌的工业过程，成为生物制造的新热点。

从实验室走向工业化，没人清楚能否走得通。在国家多个科技项目支持下，陈国强开始了另一场远征——规模化生产技术验证。又攻关近10年，他带领团队基于嗜盐菌构建了生物制造的系列核心技术平台，解决了发酵生产中高耗能、易染菌、过程复杂、产物难提取、生产成本高等难题。无论基础研究还是工程化实现，该团队如今都走在全球前列。

“科学研究就像一场冒险，一路走来，我是幸运儿。”陈国强感慨，“37年科研生涯中，走过的弯路很多，失败探索远多于成功。走到现在，源于自己坚信：任何一个研究方向往深处钻研一定会有新发现。”

2021年10月，他带领团队完成200吨发酵罐的PHA开放生产。利用得到的PHA，他们与多个兄弟单位合作，成功制成纤维纺织品、可降解农膜、管材、3D打印材料、医用无纺布以及发光材料等。在合成生物学和“下一代工业生物技术”制造PHA生物塑料的道路上，陈国强团队使我国处于世界领先的水平。“看到下一代生物制造从梦想变成现实，我感到一切付出都值得！”他说。

一年内获3亿融资，「微构工场」如何打入万亿级塑料替代市场？

本文来自35斗公众号，作者孟星。

2021年，史上最严“限塑令”正式在全国推行，一次性不可降解塑料吸管、不可降解塑料包装等均被明确禁止使用。餐饮行业急需一种替代石油基塑料的解决方案。

然而，目前生物塑料依旧是市场中的小众之选。每年全球所生产的3亿吨塑料制品中，生物塑料所占份额不足1%。不过，据欧洲生物塑料协会（European Bioplastics）的市场数据显示，这一数字有望在未来几年飙升。华安证券指出，我国此次推动的全国范围内的禁塑政策将拉动可降解塑料国内需求稳步增长。到2025年，预计我国可降解塑料需求量为238万吨，市场规模可达477亿元；到2030年，预计需求量为428万吨，市场规模可达855亿元。我们在《农业食品大航海时代：你需要一份藏宝图》报告中梳理了新材料行业的企业，其中仅排名前6名的企业就获得了45亿美元融资，其市场前景不言而喻。

近日，35斗采访了「微构工场」的副总裁、联合创始人兰宇轩，他为我们讲述了生物材料PHA的解决方案及目前的应用场景。


一、一年融资3亿，红杉资本追加两轮投资

「微构工场」成立于2021年2月，是一家拥有世界领先技术的合成生物企业，致力于用微生物技术为人们带来更美好的绿色生活。依托超过30年的深厚技术积累，「微构工场」创新地探索着合成生物学的技术前沿，搭建全新一代生物智能创生引擎，产品矩阵包括PHA（聚羟基脂肪酸酯）、3-羟基丙酸、类胡萝卜素、赖氨酸和戊二胺、苏氨酸等，可广泛应用于快速消费、医疗临床、化妆、纺织等领域。

「微构工场」成立不到半年，即获红杉种子基金领投的近5000万元天使轮融资。随即，又获得混改基金领投的2.5亿融资，融资总额近3亿元人民币。下表是「微构工场」两轮融资情况。


图：一年内获3亿融资

「微构工场」联合创始人兰宇轩，本科就读于清华大学生命科学学院，当时的毕业论文导师就是清华大学陈国强教授。后赴加州大学伯克利分校攻读生物工程专业，当时的课程中一半是生物工程，一半是哈斯商学院的联合课程，这为他以后创业提供了来自生物学和商业两种背景的训练。后来还曾到斯坦福大学做研究访问学者。

「微构工场」的创始人、首席科学家陈国强教授是清华大学合成与系统生物学中心主任。他从博士时期便开始做 PHA 相关研究，30 余年的经验积累使他对合成生物技术以及 PHA的工艺都非常熟悉，并且也申请了一系列的专利，这正是公司核心之所在。依托陈国强团队开发的低碳环保 “下一代工业生物技术” 体系，「微构工场」可以合成 30 余种不同性能的 PHA 材料，以满足不同应用的需求。由斯坦福大学John P.A.Ioannidis教授团队与Elsevier旗下Mendeley Data发布的 《全球前2%顶尖科学家榜单2020-中国（年度影响力TOP200）》 中， 陈国强教授在生物技术领域国内排名第一。


图：微构工场创始人、首席科学家陈国强教授

“下一代工业生物技术”（Next Generation Industrial Biotechnology, NGIB）是陈国强教授首先提出并发展完善的一种低成本生物制造技术，其核心是利用生长在特殊环境中的极端微生物，如嗜盐菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜冷菌、嗜热菌等作为底盘细胞建立开放、无灭菌的连续发酵生产体系。该理论提出的背景是突破现有生产工艺的瓶颈，主流的生产方式包括化工、传统生物发酵等，存在易燃易爆、效率低、污染大、失败率高、成本高等问题。“下一代工业生物技术”希望将传统的化工、生物发酵方式的优势结合在一起，同时摒弃两者的问题，将生物技术提高到一个新的境界。

具体而言，采用了全新的底盘细菌，该细菌是团队在新疆艾丁湖中发现的极端微生物，与一般微生物不同，它在具有一定渗透压碱性环境下生存，所以没有染菌的风险。因此，在工业发酵过程中最大的优势是不需要灭菌，这系统性解决了灭菌过程中的耗能高和操作复杂的问题。同时，这一新型底盘细菌适宜高密度培养，可以使发酵产物的浓度大幅提高。未来，这一新型底盘细胞将在越来越多的领域取代传统底盘细胞，成为最重要的工业生物技术底盘之一。

二、将清华大学科研成果转化为商业化运营产品，从实验室到市场有多远？

「微构工场」的第一个拳头产品是PHA（聚羟基脂肪酸酯），是一种生物可降解材料，可以被用于消费、医疗、化妆、纺织、农业等各种场景，高端应用包括心脏支架、血管支架等医用材料，PHA构成的微球可以用来容纳并培养干细胞，微球可在一年内降解，而降解产物可以帮助细胞生长；中端应用包括咖啡胶囊、食品包装薄膜、包装袋等，低端应用包括塑料袋、农膜、餐具等。


图：PHA产品的应用场景

以吸管为例，「微构工场」正在和大型的乳制品企业合作，帮助他们替换掉原本使用的不可降解吸管。相比传统吸管，PHA吸管有两个优势：一是相比石油基塑料、PLA材料等，全生产过程中碳排放量少；二是降解性能好，PHA吸管可以完全被土壤、海水等降解，可以直接遗弃到自然环境中。


与一些不进行可循环的传统塑料产品相比，PHA 最大的优势是，其生产底物都是可以循环的碳源（例如淀粉糖、餐厨垃圾处理物、秸秆水解糖等）。并且，PHA 的整个聚合过程是生物聚合而非化学聚合，显著地减少了生产过程的碳排放。PHA产品具有性能更优、可靠性更高、成本更低等优势，是真正意义上的消费级可降解产品。

将技术从实验室迁移到市场并不容易。兰宇轩认为，实验室是验证概念、进行可行性研究的地方，而产业化的过程实际上是将技术体系放大的过程。在产业化之前，团队已经在清华大学的实验室扎根了10多年，从小试到中试、再到量产，成功将实验室里的成果规模化。这一过程，伴随着上游菌株的迭代，工艺的优化。在产品达到一定的生产能力后，才开始积极的探索下游的应用市场。

实验室和市场是不同的语境，当技术被迁移到市场时，「微构工场」团队也开始更加关注成本问题。

成本是市场关心的问题之一，兰宇轩告诉35斗，「微构工场」的成本在同等规模下比其他PHA公司低30%-50%，这是由于底层技术和菌株下游生产能力较强。但是目前仍然处于初期阶段，尚未达到规模效应。团队正在探索将餐厨垃圾作为PHA发酵生产的原料，减少对更为昂贵的葡萄糖的依赖，2021年3月，「微构工场」和诺维信合作开启餐厨合成PHA研发，将利用诺维信丰富的酶制剂资源，推动PHA产业化。

三、多家企业抛来合作橄榄枝，PHA是终极解决方案吗？

PHA材料是塑料的终极解决方案吗？兰宇轩认为，任何一种塑料或材料都不会成为终极的解决方案，因为不同材料有不同应用场景，但是PHA作为一个有广泛的分子单体的、可扩展的性能的材料，会在很多领域产生影响。

PHA是一个很大的家族，单体就有150多种，可以通过调节单体及单体的比例来满足不同场景的需求，比如需要一定刚性的吸管，需要成膜性、韧性强的农膜等。兰宇轩认为，“PHA是一个有望对众多塑料场景进行替换的大家族聚合物。”

兰宇轩向我们透露，目前正在和一些企业合作研发食品包装新材料，希望能共同将PHA材料的性能和应用场景建立起来。等量产线完工后，市面上会出现更多生物塑料的产品。

目前正在建设年产一千吨的工厂，预计今年6月投产。未来将扩展到万吨线，届时「微构工场」的生产成本将低于市面上主流可降解塑料。

「微构工场」已经和不少企业签订了合作，共同开发更加绿色、可持续的解决方案。通过对下游应用场景的建立，逐步打开国内外市场，为将来大规模的生产和销售奠定基础。未来将邀请更多企业，共同开发生物材料的应用场景。

「微构工场」未来将在三个方向发力：一是扩展PHA单品的产能，目标是做质量最好、种类最多、产能最大的PHA企业；二是立足第一个拳头产品PHA开发一系列产品；三是探索更多高附加值产品，比如化妆品中的活性成分。未来，微构将不断推动高新合成生物技术与智能自动化的结合，探索生命未来、打造绿色基底，推动生物工业革命的全面落地。

（图源：受访者）

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