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不到半年,已取得多项关键突破!PHA开放发酵工艺年产量可超万吨
来源:DeepTech深科技    作者:侯旭东   日期:2021-11-16

从 PHA 生产的菌株开始,微构工场就首次采用自主研发的盐单胞菌作为底盘细菌,并实现了PHA发酵过程中开放生产,将综合成本降低 30% 以上。


成立至今,微构工场最近在产品、技术、市场等方面有哪些突破性的进展?在“红杉系”资本的支持下,未来可降解塑料 PHA 又有哪些亮点值得业界期待?

据悉,微构工场作为 “下一代工业生物技术” 的生物制造初创企业,现在已经完成了 PHA 生产罐体工艺开发,且具备建立年产万吨级及以上 PHA 生产基地建设的实力。基于绿色节能的新型底盘细胞系列,微构工场也在不同产品的合成制造上进行了拓展。
目前,已经开发了合成淀粉酶、糖化酶、3-羟基丙酸、戊二胺、氨基酸、戊二酸等化工原料的生产菌株,这为 “下一代工业生物技术” 低成本生产平台增加了更多的产品。

同时,微构工场也在深入推进与下游合作伙伴在终端应用场景上的开拓。在 PHA 行业的价值链中,从上游发酵所得到的 PHA 粉料,到中间改性所得到的 PHA 粒料,再到下游加工所得到的 PHA 终端产品,每个部分都有其技术的壁垒。


该公司所搭建的 PHA 粒料的定制化合成平台,进一步丰富了 PHA 的终端应用场景和提升了企业的竞争优势,已经与国内外用户建立了应用测试关系。

微构工场的创始人兼首席科学家陈国强教授曾表示:“微构工场有着三大目标,分别是:全球最大的 PHA 生产商、全球做 PHA 不同结构产品最多的企业、做质量最好(纯度、分子量等最好)的 PHA 的企业。”


图|陈国强(来源:微构工场)


这一宏大愿景如何一步一步实现呢?接下来我们从细微的颗粒度上进一步了解。

对 PHA 生产方案迭代升级,满足下游市场不同需求及场景



PHA 是个有上百种细分材料的大家族。各个细分材料由于单体链长、侧链结构、单体种类不同,在性能上具有显著的差异,因此下游应用十分广泛。据了解,PHA 的应用场景涵盖了从高端医疗应用,到中端食品包装材料和生物基纤维,再到低端快递包装和农用地膜等领域。

陈国强教授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。

目前,该公司从生产菌株、PHA 材料和生产工艺三个维度,对 PHA 生产方案进行了升级。

第一,该公司所研究的菌株主要经历了,从严格高温高压灭菌处理的不耐受污染菌株到可以开放发酵、连续培养的抗杂菌菌株的迭代。该过程前期依托清华大学技术团队用了 10 余年时间来实现,构建了 15 代具有不同性能的生产菌株,如开放培养、生长快速、能利用多种廉价底物、无需灭菌、底物易提取等。

目前,围绕基础菌株的合成生物学技术体系已经越来越完善,新菌株的开发效率以倍速提高,竞争力大幅提高。

第二,该团队已经掌握了最新一代 P34HB 的大规模生产工艺,开发了单体比例控制方法和以葡萄糖、甘油、餐厨处理物等为单一碳源生产的新技术,使综合生产成本下降了 50% 以上。

此外,他们还率先开发了由三种单体聚合形成的第五代 PHA 材料。这一新材料除了具有相比前几代材料更加优良的力学性能,还具备了较好的透明性,使得 PHA 在部分需要透明塑料的领域也拥有大规模替代的潜力。

第三,基于性能优异的底盘细胞,发酵工艺和提取工艺得到大幅简化,进一步推动了生产周期的缩短和底物转化率的提高。该团队最新的提取工艺已经可以完全在水相中完成,更加简洁环保。这些工艺上的优化进一步使综合成本降低 30% 以上。

微构工场联合创始人兰宇轩表示:“我们在完成天使轮融资后,一方面,加紧建设第一条年产千吨 PHA 智能示范线;另一方面,搭建了项目执行团队以快速拓展下游众多的应用场景。

他补充说道:“我们目前已经和包括食品、汽车、纺织、护肤品等行业的领军企业建立了合作,并共同推动下游终端产品的开发。现在,已有数批产品完成了交付并取得收入,实现了一定的造血能力。”


图丨兰宇轩(来源:微构工场)


在生产方面,该公司的经营团队侧重对于整体工厂建设和工艺的把控,而科研团队则着重开发新菌株并优化稳定反应体系。

在下游合作方面,经营团队侧重于确定市场方向与寻找合作伙伴,科研团队则围绕具体的合作内容展开研究。

另据悉,该公司目前已经招募了一批在行业内非常有经验的工程师,平均工作年限在 10 年以上,极大地推动了该公司的产业化进程。

全方位构建核心壁垒,加深公司在 PHA 领域的护城河



成立不到半年,微构工场为何能够在后疫情时代逆势获得由红杉种子基金领投的 5000 万元天使轮融资?

作为一家创新性合成生物学公司,新技术的持续开发和应用是推动公司创新发展的源动力,而新技术的载体主要是专利。

该公司从成立之初就非常重视专利的布局工作。公司在开发自有专利的同时,也与外界著名研究机构合作,联合开发其他专利。

据悉,微构工场已经与清华大学、华南理工大学等著名高校签订了技术委托开发协议,在新菌株优化领域进行深度合作。通过与清华大学的全方位合作获得了多 项相关技术专利的排他许可使用权,同时与清华大学、华南理工大学联合申请专利,公司单独获批专利多项。通过自主研发和委托开发两种途径,该公司已经搭建起一条成熟的专利体系。

除此之外,该公司还基于 PHA 价值链全方位构建核心壁垒。从 PHA 生产的菌株开始,该团队就选择了采用自主研发的盐单胞菌作为底盘细菌,首次实现了 PHA 发酵过程中无需灭菌,将综合成本降低 30% 以上。

此外,对于这一新的底盘细菌,该团队还开发了一系列独有的基因编辑工具和代谢元件。例如,通过添加血红蛋白的表达基因以提升底盘细菌的氧气利用率、修改细胞骨架去表达更大的 PHA 颗粒以提升纯化效率、调整分裂周期和形式以促进细菌的快速增殖等,使其更加适应工业生产。

该团队还不断向下游延伸,从造粒走向终端应用场景,进而在整条价值链上进行完善的布局。

克服材料的 “成本” 难题,在 PHA 及相关领域深度布局


PHA 是一种在自然环境下可以快速降解的生物材料,常见的膜袋、水瓶、餐具等在海洋、土壤、河流中 3 个月到 6 年即可完全降解。PHA 的降解产物对人体和环境无害,PHA 材料种类多样、性能各异,是全面替代传统石化塑料的最佳材料,未来的应用前景广阔。


然而,PHA 材料在产业化过程中却面临一定的难题,其中最大挑战是 “成本”,这也是所有 PHA 企业研发的重点。针对以上问题,该公司主要从三方面进行优化调整:


一是不断提高菌株性能。利用合成生物学技术优化菌株的代谢路径,提高酶促反应效率、底物转化率、产物产量、菌株生长速度和稳定性,并降低产物提取难度;


二是开拓廉价底物途径。结合微构底盘细胞不需要灭菌的优势,该公司开发了来源广泛、价格低廉的新底物,包括餐厨垃圾处理物、活性污泥处理物、农用秸秆糖等。这些新底物的应用将使 PHA 成本进一步下降 30% 以上。


三是优化整体工艺运行效率。通过模型推算和实践,该公司建立了从细胞培养到分离提取的全流程优化方案,使整个生产过程在最佳条件下运行,达到节能降耗的目的。


与石油等不可循环的碳源传统塑料相比,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,这对响应“碳中和”“碳达峰”具有非常重要的意义。


值得关注的是,该团队还将以往发酵过程中的能耗大户用高温高压灭菌去除,综合能耗比以往的 PHA 生产进一步降低 50% 以上,最大程度减少了碳足迹。


目前,该团队正在和测量碳排放的第三方权威机构进行沟通,准备在第一个示范线运行后进行 LCA 生命周期评价,更准确、科学地评估整个生产过程对于环境的影响,并进行不断优化和改善。


在创投资金的支持下,针对 PHA 产业化模式,该团队制定了详细的规划。兰宇轩表示:“ 作为一种新产品,客户的需求和接受需要一定的时间,我们将采用逐步扩大、稳步推进的模式进行市场布局。”


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