2008年，清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國(guó)強(qiáng)教授和他的團(tuán)隊(duì)在新疆艾丁湖的高鹽、高堿極端環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的微生物：嗜鹽菌（Halomonas）。隨后他們將這一菌株帶回，并與清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的研究和培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。研發(fā)人員通過基因編輯和其他生物工程技術(shù)，對(duì)菌株添加并優(yōu)化了多個(gè)性能；經(jīng)過發(fā)酵、提純、測(cè)試等多個(gè)步驟后，最終成功將這個(gè)特殊的微生物從大自然引入到塑料替代品的生產(chǎn)線中。
“一般的微生物無法在高鹽、高堿的極端環(huán)境中生存，我們篩選出的微生物具有在極端環(huán)境中生存的優(yōu)勢(shì)，這種環(huán)境直接隔絕了其他潛在微生物的侵入。因此，我們能夠?qū)嵤┮环N完全開放、連續(xù)的發(fā)酵過程，極大地簡(jiǎn)化了工業(yè)生產(chǎn)體系。”北京微構(gòu)工場(chǎng)生物技術(shù)有限公司副總裁歐陽鵬飛近期接受界面新聞采訪時(shí)表示，使用這一菌種的產(chǎn)線也減少了額外的滅菌工作，有效降低了生產(chǎn)成本，并減少約50%的生產(chǎn)能耗。
“陳國(guó)強(qiáng)教授的團(tuán)隊(duì)先前也是采用傳統(tǒng)的工業(yè)生物技術(shù)（CIB），例如使用大腸桿菌作為微生物底盤。但在生產(chǎn)過程中，這種方法經(jīng)常遇到微生物污染的問題。這促使陳國(guó)強(qiáng)教授轉(zhuǎn)向開發(fā)嗜鹽菌。” 國(guó)際代謝工程獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)主席、韓國(guó)科學(xué)院化學(xué)與生物分子工程系杰出教授、代謝與生物分子工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任Sang Yup Lee（李相燁）院士評(píng)價(jià)。
隨著清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與微構(gòu)工場(chǎng)對(duì)菌株的持續(xù)性研發(fā)，2018年之后菌株已連續(xù)迭代至20余代。另外，該團(tuán)隊(duì)已完成多種材料的聚合，使產(chǎn)品性能適應(yīng)于不同市場(chǎng)需求。目前微構(gòu)工場(chǎng)的產(chǎn)線可用于生產(chǎn)生物可降解材料PHA（聚羥基脂肪酸酯）、 化妝品原料四氫嘧啶、大宗化工產(chǎn)品戊二胺、蛋白酶類等多種產(chǎn)品。PHA是一種由微生物通過發(fā)酵過程制造出來的可降解塑料，它的原料通常來自可再生資源，如糖或淀粉。
之所以尋求塑料的替代品，是因?yàn)樗芰系牟豢山到馓匦?，以及生產(chǎn)過程產(chǎn)生的能源消耗與溫室氣體排放。傳統(tǒng)塑料一般由石油或天然氣這類非可再生原料制成，這種合成聚合物可能需要幾百年或更久才能在自然環(huán)境中完全分解，對(duì)土壤、水體、生物等造成損害。相比之下，PHA可以在自然環(huán)境中通過3-6個(gè)月的時(shí)間完全分解，是一種環(huán)境友好的塑料替代品。
今年6月，微構(gòu)工場(chǎng)在湖北宜昌啟動(dòng)了預(yù)計(jì)年產(chǎn)3萬噸的PHA可降解材料綠色智能制造項(xiàng)目。去年10月，該公司也在北京中德產(chǎn)業(yè)園正式投產(chǎn)了一條采用數(shù)字孿生引擎技術(shù)的智能生產(chǎn)示范線。其中，數(shù)字孿生技術(shù)相當(dāng)于一個(gè)“虛擬實(shí)驗(yàn)室”；通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和模型，模擬整個(gè)生產(chǎn)過程，可以提前預(yù)測(cè)出一些潛在性問題。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助產(chǎn)品進(jìn)行各種測(cè)試和優(yōu)化、減少生產(chǎn)成本和提高效率。
根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的數(shù)據(jù)，孟加拉國(guó)在2002年成為全球第一個(gè)實(shí)施塑料袋禁令的國(guó)家，目的是解決塑料袋導(dǎo)致排水系統(tǒng)堵塞從而加劇洪災(zāi)的問題。接著，中國(guó)政府在2007年底發(fā)布了“限塑令”，旨在減緩塑料袋對(duì)環(huán)境造成的“白色污染”，該政策在2008年6月1日開始實(shí)施。到2017年為止，全球已經(jīng)有超過20個(gè)國(guó)家跟進(jìn)實(shí)施了類似的禁塑政策。
受到全球政策的推動(dòng)，PHA市場(chǎng)的前景逐漸明朗，并促進(jìn)了這一生物可降解材料的全球產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。全球范圍內(nèi)PHA主要的生產(chǎn)企業(yè)包括德國(guó)Biomers、日本Kaneka、美國(guó)Danimer、新加坡RWDC、美國(guó)Newlight和我國(guó)的寧波天安生物材料、藍(lán)晶微生物、珠海麥得發(fā)生物科技、微構(gòu)工場(chǎng)等。
“中國(guó)PHA生產(chǎn)的規(guī)模和技術(shù)處于全球比較領(lǐng)先的位置。但PHA產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，而且下游應(yīng)用有待完善。業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，從批量化生產(chǎn)到下游市場(chǎng)放量采購(gòu)仍需2-3年的時(shí)間?！?一位國(guó)內(nèi)專注研究生物基材料博士向界面新聞表示。
微構(gòu)工場(chǎng)歐陽鵬飛告訴界面新聞，PHA適用場(chǎng)景比較廣泛，因?yàn)檫@種材料同時(shí)擁有生物可降解（海洋、土壤、水等自然環(huán)境可降解和家庭、工業(yè)堆肥可降解）、生物相容、光學(xué)活性等特點(diǎn)，材料可以應(yīng)用于日用品，如一次性制品、食品包裝、紡織纖維；也可被應(yīng)用于汽車內(nèi)飾、寵物用品等；甚至在化妝品中替代傳統(tǒng)的微珠。此外，PHA也可應(yīng)用于高附加值的醫(yī)藥領(lǐng)域，如作為藥物緩釋載體、微球，用于制造心臟支架、止血夾、手術(shù)縫線等。微構(gòu)工場(chǎng)也正在與北大口腔醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)PHA口腔修復(fù)膜，該材料表現(xiàn)出良好的修復(fù)和促進(jìn)牙齦再生的效果。
另外，PHA還能被開發(fā)為動(dòng)物飼料，也能被海洋動(dòng)物消化食用。其中一個(gè)PHA的組成單體是3-HB（3-羥基丁酸），是一種具有生物活性的酮體，當(dāng)將含有3-HB的PHA用作動(dòng)物飼料時(shí)，這些生物活性分子可能有助于刺激動(dòng)物的生長(zhǎng)，提高動(dòng)物生產(chǎn)效率，這一特性有望推動(dòng)PHA在更多應(yīng)用領(lǐng)域的商業(yè)化。
1992年，英國(guó)的阿斯利康（AstraZeneca）曾計(jì)劃將PHA產(chǎn)業(yè)化，但當(dāng)時(shí)該材料的生產(chǎn)成本高達(dá)8-10美元/千克，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)塑料，這也導(dǎo)致了建廠計(jì)劃被擱置。過去三十年中，合成生物學(xué)的進(jìn)步有望持續(xù)釋放產(chǎn)能，進(jìn)一步降低成本。PHA的產(chǎn)業(yè)鏈上游主要涉及有玉米、煤炭、活性炭、硫酸等原材料，下游主要應(yīng)用于紡織業(yè)、塑料工業(yè)、農(nóng)用地膜、包裝材料、現(xiàn)代醫(yī)藥材料、3D打印等。
微構(gòu)工場(chǎng)歐陽鵬飛告訴界面新聞，PHA生產(chǎn)是一個(gè)非常復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈條，同時(shí)也面臨著復(fù)雜的研發(fā)和應(yīng)用挑戰(zhàn)。
“由于PHA有多種不同的類型，目前我們能生產(chǎn)30多種不同的PHA，所以研發(fā)人員需要在大量研究和測(cè)試中找到最適合特定應(yīng)用場(chǎng)景的PHA。而且實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的性能可能存在差異，這需要通過場(chǎng)景模擬和長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試來確認(rèn)?！睔W陽鵬飛指出，“由于這些挑戰(zhàn)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)PHA在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的成功推廣，需要跨學(xué)科的研究和跨行業(yè)的合作?！?/p>
今年三月份，微構(gòu)工場(chǎng)與20余家高校、企業(yè)展開合作并成立“合成生物+生物制造”創(chuàng)新聯(lián)盟。此前，微構(gòu)工場(chǎng)與全球工業(yè)酶制劑和工業(yè)微生物生產(chǎn)廠商諾維信合作，推動(dòng)餐廚廢棄物資源化利用，微構(gòu)工場(chǎng)通過開發(fā)一種改造過的嗜鹽菌，能夠在餐廚廢棄物水解物中生長(zhǎng)，與諾維信共同推動(dòng)餐廚廢棄物的資源化利用。微構(gòu)工場(chǎng)還與安琪酵母合作了一個(gè)總投資10.5億元人民幣的PHA可降解材料的智能制造項(xiàng)目，預(yù)計(jì)年產(chǎn)3萬噸；與中國(guó)紡織科學(xué)研究院合作開發(fā)PHA相關(guān)的紡絲技術(shù)，為紡織行業(yè)拓展綠色生物材料提供一個(gè)可選項(xiàng)；與恒鑫生活合作，開發(fā)基于PHA和PLA（聚乳酸，一種新型生物降解材料，使用可再生的植物資源提出的淀粉原料制成）的共混改性產(chǎn)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包裝材料供應(yīng)商。