清華大學(xué)教授陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)實(shí)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(lái)源: 人民日?qǐng)?bào)

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(guó)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(lèi)材料家族，有全過(guò)程在水里合成、完全降解、動(dòng)物可食用等優(yōu)勢(shì)，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(shí)，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(shí)在沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。

從80年代開(kāi)始，陳國(guó)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(shí)，相關(guān)研究迅速降溫，有觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為：作為大宗材料，PHA沒(méi)有前途。靠著從國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和產(chǎn)業(yè)界爭(zhēng)取到的資助，陳國(guó)強(qiáng)繼續(xù)研究生物制造技術(shù)�！拔覉�(jiān)信這是未來(lái)發(fā)展方向，咬著牙也要把它做下去�！标悋�(guó)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(shí)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(guò)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(guò)程中出錯(cuò)（染菌）率很高。能不能用海水來(lái)替代淡水？實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，前提是找到適合海水的菌種。2003年，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)得知新疆有個(gè)艾丁湖，這是一個(gè)由于酷熱、干燥的氣候形成的內(nèi)陸咸水湖。經(jīng)過(guò)多次實(shí)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(zhǎng)的特性，且不易被其他微生物感染。這正是團(tuán)隊(duì)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(pán)細(xì)胞？陳國(guó)強(qiáng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)速度更快的菌株，并從科學(xué)上驗(yàn)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(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文引起行業(yè)廣泛關(guān)注，多個(gè)國(guó)際科學(xué)團(tuán)隊(duì)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(guò)程，成為生物制造的新熱點(diǎn)。

從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化，沒(méi)人清楚能否走得通。在國(guó)家多個(gè)科技項(xiàng)目支持下，陳國(guó)強(qiáng)開(kāi)始了另一場(chǎng)遠(yuǎn)征——規(guī)�；�生產(chǎn)技術(shù)驗(yàn)證。又攻關(guān)近10年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)基于嗜鹽菌構(gòu)建了生物制造的系列核心技術(shù)平臺(tái)，解決了發(fā)酵生產(chǎn)中高耗能、易染菌、過(guò)程復(fù)雜、產(chǎn)物難提取、生產(chǎn)成本高等難題。無(wú)論基礎(chǔ)研究還是工程化實(shí)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)如今都走在全球前列。

“科學(xué)研究就像一場(chǎng)冒險(xiǎn)，一路走來(lái)，我是幸運(yùn)兒。”陳國(guó)強(qiáng)感慨，“37年科研生涯中，走過(guò)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(jiān)信：任何一個(gè)研究方向往深處鉆研一定會(huì)有新發(fā)現(xiàn)。”

2021年10月，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成200噸發(fā)酵罐的PHA開(kāi)放生產(chǎn)。利用得到的PHA，他們與多個(gè)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(wú)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(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)使我國(guó)處于世界領(lǐng)先的水平。“看到下一代生物制造從夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)，我感到一切付出都值得！”他說(shuō)。

一年內(nèi)獲3億融資，「微構(gòu)工場(chǎng)」如何打入萬(wàn)億級(jí)塑料替代市場(chǎng)？

本文來(lái)自35斗公眾號(hào)，作者孟星。

2021年，史上最嚴(yán)“限塑令”正式在全國(guó)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(chǎng)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(guò)，據(jù)歐洲生物塑料協(xié)會(huì)（European Bioplastics）的市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，這一數(shù)字有望在未來(lái)幾年飆升。華安證券指出，我國(guó)此次推動(dòng)的全國(guó)范圍內(nèi)的禁塑政策將拉動(dòng)可降解塑料國(guó)內(nèi)需求穩(wěn)步增長(zhǎng)。到2025年，預(yù)計(jì)我國(guó)可降解塑料需求量為238萬(wàn)噸，市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)477億元；到2030年，預(yù)計(jì)需求量為428萬(wàn)噸，市場(chǎng)規(guī)�？蛇_(dá)855億元。我們?cè)凇掇r(nóng)業(yè)食品大航海時(shí)代：你需要一份藏寶圖》報(bào)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(chǎng)前景不言而喻。

近日，35斗采訪(fǎng)了「微構(gòu)工場(chǎng)」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(chǎng)景。


一、一年融資3億，紅杉資本追加兩輪投資

「微構(gòu)工場(chǎng)」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(lái)更美好的綠色生活。依托超過(guò)30年的深厚技術(shù)積累，「微構(gòu)工場(chǎng)」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(lèi)胡蘿卜素、賴(lài)氨酸和戊二胺、蘇氨酸等，可廣泛應(yīng)用于快速消費(fèi)、醫(yī)療臨床、化妝、紡織等領(lǐng)域。

「微構(gòu)工場(chǎng)」成立不到半年，即獲紅杉種子基金領(lǐng)投的近5000萬(wàn)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(chǎng)」兩輪融資情況。


圖：一年內(nèi)獲3億融資

「微構(gòu)工場(chǎng)」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(shí)的畢業(yè)論文導(dǎo)師就是清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)教授。后赴加州大學(xué)伯克利分校攻讀生物工程專(zhuān)業(yè)，當(dāng)時(shí)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(lái)自生物學(xué)和商業(yè)兩種背景的訓(xùn)練。后來(lái)還曾到斯坦福大學(xué)做研究訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。

「微構(gòu)工場(chǎng)」的創(chuàng)始人、首席科學(xué)家陳國(guó)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(shí)期便開(kāi)始做 PHA 相關(guān)研究，30 余年的經(jīng)驗(yàn)積累使他對(duì)合成生物技術(shù)以及 PHA的工藝都非常熟悉，并且也申請(qǐng)了一系列的專(zhuān)利，這正是公司核心之所在。依托陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(chǎng)」可以合成 30 余種不同性能的 PHA 材料，以滿(mǎn)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(duì)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(guó)（年度影響力TOP200）》 中， 陳國(guó)強(qiáng)教授在生物技術(shù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)排名第一。


圖：微構(gòu)工場(chǎng)創(chuàng)始人、首席科學(xué)家陳國(guó)強(qiáng)教授

“下一代工業(yè)生物技術(shù)”（Next Generation Industrial Biotechnology, NGIB）是陳國(guó)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(zhǎng)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(pán)細(xì)胞建立開(kāi)放、無(wú)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(wèn)題�！跋乱淮�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(shì)結(jié)合在一起，同時(shí)摒棄兩者的問(wèn)題，將生物技術(shù)提高到一個(gè)新的境界。

具體而言，采用了全新的底盤(pán)細(xì)菌，該細(xì)菌是團(tuán)隊(duì)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(méi)有染菌的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中最大的優(yōu)勢(shì)是不需要滅菌，這系統(tǒng)性解決了滅菌過(guò)程中的耗能高和操作復(fù)雜的問(wèn)題。同時(shí)，這一新型底盤(pán)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(lái)，這一新型底盤(pán)細(xì)胞將在越來(lái)越多的領(lǐng)域取代傳統(tǒng)底盤(pán)細(xì)胞，成為最重要的工業(yè)生物技術(shù)底盤(pán)之一。

二、將清華大學(xué)科研成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)化運(yùn)營(yíng)產(chǎn)品，從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)有多遠(yuǎn)？

「微構(gòu)工場(chǎng)」的第一個(gè)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(fèi)、醫(yī)療、化妝、紡織、農(nóng)業(yè)等各種場(chǎng)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(lái)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(zhǎng)；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(chǎng)景

以吸管為例，「微構(gòu)工場(chǎng)」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(gè)優(yōu)勢(shì)：一是相比石油基塑料、PLA材料等，全生產(chǎn)過(guò)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(shì)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(gè)聚合過(guò)程是生物聚合而非化學(xué)聚合，顯著地減少了生產(chǎn)過(guò)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(shì)，是真正意義上的消費(fèi)級(jí)可降解產(chǎn)品。

將技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室遷移到市場(chǎng)并不容易。蘭宇軒認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室是驗(yàn)證概念、進(jìn)行可行性研究的地方，而產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程實(shí)際上是將技術(shù)體系放大的過(guò)程。在產(chǎn)業(yè)化之前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室扎根了10多年，從小試到中試、再到量產(chǎn)，成功將實(shí)驗(yàn)室里的成果規(guī)模化。這一過(guò)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(kāi)始積極的探索下游的應(yīng)用市場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)室和市場(chǎng)是不同的語(yǔ)境，當(dāng)技術(shù)被遷移到市場(chǎng)時(shí)，「微構(gòu)工場(chǎng)」團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始更加關(guān)注成本問(wèn)題。

成本是市場(chǎng)關(guān)心的問(wèn)題之一，蘭宇軒告訴35斗，「微構(gòu)工場(chǎng)」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(duì)正在探索將餐廚垃圾作為PHA發(fā)酵生產(chǎn)的原料，減少對(duì)更為昂貴的葡萄糖的依賴(lài)，2021年3月，「微構(gòu)工場(chǎng)」和諾維信合作開(kāi)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(dòng)PHA產(chǎn)業(yè)化。

三、多家企業(yè)拋來(lái)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(huì)成為終極的解決方案，因?yàn)椴煌�材料有不同�?yīng)用場(chǎng)景，但是PHA作為一個(gè)有廣泛的分子單體的、可擴(kuò)展的性能的材料，會(huì)在很多領(lǐng)域產(chǎn)生影響。

PHA是一個(gè)很大的家族，單體就有150多種，可以通過(guò)調(diào)節(jié)單體及單體的比例來(lái)滿(mǎn)足不同場(chǎng)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(gè)有望對(duì)眾多塑料場(chǎng)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(chǎng)景建立起來(lái)。等量產(chǎn)線(xiàn)完工后，市面上會(huì)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(chǎng)，預(yù)計(jì)今年6月投產(chǎn)。未來(lái)將擴(kuò)展到萬(wàn)噸線(xiàn)，屆時(shí)「微構(gòu)工場(chǎng)」的生產(chǎn)成本將低于市面上主流可降解塑料。

「微構(gòu)工場(chǎng)」已經(jīng)和不少企業(yè)簽訂了合作，共同開(kāi)發(fā)更加綠色、可持續(xù)的解決方案。通過(guò)對(duì)下游應(yīng)用場(chǎng)景的建立，逐步打開(kāi)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，為將來(lái)大規(guī)模的生產(chǎn)和銷(xiāo)售奠定基礎(chǔ)。未來(lái)將邀請(qǐng)更多企業(yè)，共同開(kāi)發(fā)生物材料的應(yīng)用場(chǎng)景。

「微構(gòu)工場(chǎng)」未來(lái)將在三個(gè)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(lèi)最多、產(chǎn)能最大的PHA企業(yè)；二是立足第一個(gè)拳頭產(chǎn)品PHA開(kāi)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(lái)，微構(gòu)將不斷推動(dòng)高新合成生物技術(shù)與智能自動(dòng)化的結(jié)合，探索生命未來(lái)、打造綠色基底，推動(dòng)生物工業(yè)革命的全面落地。

（圖源：受訪(fǎng)者）

生物工業(yè)革命