陈国强：下一代工业生物技术规模化是PHA成本问题的解药

陈国强   清华大学 生命科学学院教授

解决染菌问题

此前很多年，工业生物技术并没有太多竞争力，效率低下、过程复杂以及能耗高都是这项技术的致命弱点。“早前用微生物制造高分子材料是需要无菌环境来进行。如果环境不够严密的话，外界的微生物就会进来，引起过程污染，下一代工业生物技术要解决这几个问题，其中最关键的就是发酵过程中复杂的无菌问题。”

任何发酵都有严格的无菌操作过程。高温、密闭的灭菌过程需要消耗大量能量，过程设备都复杂。怎样才能够像化学合成一样，不需要担心染菌问题？陈国强一直想办法让生物合成变得简单高效。

天道酬勤。陈国强团队在新疆艾丁湖分离出了嗜盐微生物，这种生物的生长不受任何其他微生物的影响，不需要灭菌过程。嗜盐菌作为低成本的混合基质，以更少的淡水消耗、节能和持久的开放式连续加工，将工业生物技术转化为具有竞争力的“下一代工业生物技术”，成为量产PHA和降低成本最有希望的技术手段。

解决成本问题

PHA的技术优势没有争议，唯一的问题是成本问题。转化率低造成了成本较高。这是PHA面临的严峻挑战。

PHA产品在全球的产量不足5万吨。除价格因素外，工程化过程中存在一些困难，导致产业发展不是很快。“开始我想从学术上把材料做的更加多样性，后来发现要大规模推广使用，成本仍然是最关键的因素。虽然对于附加值不高的产品来说，价格成为最敏感的因素，但普罗大众需要这样的产品。”

在陈国强最近二十年的研究生涯里，一直在探索如何降低PHA的成本。

面对外界对PHA成本过高的质疑，陈国强从未动摇过。“我们正在与专业公司合作收集餐厨废料作为发酵原料，减少对葡萄糖的依赖。餐厨废料里含有丰富的酶、可以作为微生物生长的营养成分。”利用合成生物学技术来改造大自然里微生物的基因，创造出能批量、低价生产出PHA的微生物。这种方法将让PHA的生产成本降低很多，足以实现规模化生产和销售。

2021年，陈国强团队成立了北京微构工场生物技术有限公司（以下简称“微构工场”），将基于嗜盐菌的“下一代工业生物技术”完成转化。未来计划建设全球大型的PHA研发和生产基地，持续推动PHA等生物发酵产品的绿色低成本生物制造，为塑料替代问题提供高效解决方案。

“我们有信心在五年内把价格降到1万两千以下。微构工场就是要实现规模化、系统化生产，降低成本，希望能够大规模量产以满足环保需求。”

解决污染问题

作为国内外PHA的领军人物、973“合成生物学”以及“合成生物学”重大专项的首席科学家，陈国强和团队几乎承担了技术迭代、市场开拓、商业试错的全部成本。他坚信PHA的前景是光明的。

PHA具备独特的优点，它的降解无需堆肥，可以海洋降解，降解过程省力且具有循环利用价值。PHA降解成单体甚至可以用来做饮料，PHA本身可以研磨成饲料添加剂，对动物是完全无害的。日本就开发了PHA制成的动物饲料，用来治疗宠物肥胖。

“碳中和大背景下，化工合成成本虽低，但对环境不友好。微生物原料是吸收了二氧化碳的植物原料，更加环保。”。用PHA可制成环保的超市购物袋，可降解农用地膜、高端纺织品、环保涂层和医疗植入材料等。

“PHA从原材料到生产都非常环保，发酵合成过程没有任何化学品参与，是纯粹的生物合成。减少人类对化石能源的依赖，减少环境污染。如果要给几种主流的降解技术打分的话，PHA的碳综合指数一定是最高的。”

用可降解可食用的生物塑料PHA，取代会造成“白色污染”的石油基塑料，这是陈国强毕生为之努力的梦想。

重构物质世界

科幻小说作家亚瑟·克拉克说过：“当技术足够先进时，将变得像魔术一样。”

无论是塑料、涂料，还是催化剂，合成化学改变了我们的世界。同时，为人类带来了严重的环境污染。其实，合成化学只制造出了一部分材料，酶却可以让生物制造更多的潜在材料。

未来的生物合成技术还可以生产食品、氨基酸、维他命、药物及药物中间体。随着我们扩展自己在利用生物学方面的能力，通过各种酶的组合来制造以前并不存在的材料。

PHA材料具有多样性，已发现的PHA单体的种类已经超过了150种，构成了一个庞大的高分子家族。由于PHA的单体种类多样、彼此之间链长差别很大，这使得不同PHA的材料学性质大不相同，从坚硬质脆的硬塑料到柔软的弹性体，可谓千型百态。

“近年来，合成生物学发展特别快，它把生命科学跟工程学结合起来。合成材料的过程中，每一个节点都有可优化的元件，每个流程都有很多代谢路径可选择。这座微观世界里建立的微生物工厂，不仅可以生产可降解材料，包括很多化学品的生产，生物合成技术都可以完成。”

“我认为下一代工业生物技术，将会颠覆现有的生物制造过程。”陈国强在创新路上坚持自己的信念和行动方向，时时刻刻秉承两个原则：把成本变得更低，效率变得更高。新技术和规模化是PHA成本问题的解药

对科学家而言，这无疑是一个最好的时代。技术突飞猛进，资本如潮涌入，环保新政频出。最终的抉择权握在市场手里。PHA能否取得商业上的成功，时间就是答案。