“一期年產(chǎn)聚羥基脂肪酸酯（PHA）1萬噸,，二期年產(chǎn)量將達到3萬噸，屆時這里將成為世界上最大的PHA生產(chǎn)基地,?！鼻迦A大學合成與系統(tǒng)生物學中心主任陳國強向《中國科學報》介紹了由清華大學合成與系統(tǒng)生物學中心孵化的PHA產(chǎn)線項目。近日,，該項目已在湖北宜昌正式落地,，我國也有了自己的萬噸級PHA產(chǎn)線。
談及落地宜昌的3萬噸級PHA產(chǎn)線項目意味著什么,，陳國強介紹,，目前每年全球PHA產(chǎn)量約為5萬噸，該項目全面投產(chǎn)后,，產(chǎn)能將占全球產(chǎn)量的一半,，成為世界上最大的PHA生產(chǎn)基地。而PHA的生產(chǎn)成本也將由每噸5萬元降到3萬元,，更具市場競爭力,。
“在許多生物基材料中，PHA是唯一能完全生物合成,、可熱塑加工，并在陸地,、海洋和家庭堆肥多場景環(huán)境可降解的材料,。”陳國強深耕生物合成領域30多年,，帶領團隊打破了歐美多年來在生物材料領域生產(chǎn)菌種的專利封鎖,，打造了我國第一個擁有自主專利的大規(guī)模工業(yè)化PHA生產(chǎn)菌種,，實現(xiàn)了“菌株-工藝-裝備”全自主流程創(chuàng)新。
打開“特種菌”的“黑匣子”
PHA是一種完全由微生物合成的可生物降解高分子材料,，不僅能在自然環(huán)境中降解為水和二氧化碳,，而且具備生物相容性、對人體無害,、可較精準調(diào)控力學性能等特性,。為解決白色污染問題，全球多國限制塑料的濫用,，而PHA是傳統(tǒng)塑料的理想替代品,，被譽為“終極生物材料”。
想要生產(chǎn)PHA,，首先要找到適合的菌種,。
1994年，陳國強學成回國入職清華大學時,，國際上普遍采用羅氏真氧菌和大腸桿菌培養(yǎng)PHA材料,，但這兩個菌種的核心專利一直掌握在歐美企業(yè)手中。
“因為沒有專利,，我們要改進菌種可能面臨打官司風險,。”陳國強介紹,，利用傳統(tǒng)菌種不僅有專利困境,，也面臨著培養(yǎng)難度大等問題?！皞鹘y(tǒng)菌種在高密度培養(yǎng)中不穩(wěn)定,，容易染菌，且在大規(guī)模發(fā)酵時分離提取難度大,，導致設備成本高,。”
為了破解上述難題,，陳國強決定另辟蹊徑尋找屬于自己的菌種,。他帶領團隊分析發(fā)現(xiàn)，極端環(huán)境里可能有“皮實”的新菌種,。于是,，他和團隊開始從全國各地的極端環(huán)境中尋找。2006年,，一份從新疆艾丁湖帶回來的樣本讓陳國強有了驚喜的發(fā)現(xiàn)：“我們在艾丁湖緯度最低的地方采集了一些土樣,，并分離出非常頑強的微生物?！?/p>
艾丁湖是我國新疆吐魯番盆地的內(nèi)陸咸水湖,，也是世界最酷熱干燥的地方之一,，最熱時地表溫度能達到80攝氏度。團隊在這里找到了極端菌種Halomonas（鹽單胞菌屬）,?！斑@種微生物展現(xiàn)出極強的生命力，其他微生物很難在極端環(huán)境下與其競爭,，它就像‘特種兵’一樣,。”陳國強說,。
其他國家專利體系很少覆蓋極端環(huán)境微生物的工業(yè)應用,，特別是嗜鹽菌，但有一些學者認為高鹽環(huán)境會腐蝕設備,。不過,，陳國強團隊發(fā)現(xiàn)Halomonas作為嗜鹽菌可在堿性環(huán)境下生長，堿性環(huán)境反而會降低金屬的腐蝕速率,。
這個發(fā)現(xiàn)讓大家喜出望外,，但下一步的基因編輯環(huán)節(jié)卻讓團隊吃了不少苦頭。
傳統(tǒng)工業(yè)微生物已有成熟的基因編輯工具,，能輕松進行改造,。但Halomonas作為新的細菌，其基因調(diào)控機制如同“黑匣子”,，既無現(xiàn)成工具可用,，也沒有基礎研究積累，團隊只能自力更生,。
為揭開新菌種的奧秘,，清華大學生命科學館夜晚經(jīng)常燈火通明，實驗方案不斷修改,、重建,。陳國強回憶道：“當時我們用了所有工具都沒成功，我的兩位博士生熬了5年,，被逼得快要申請退學了,。結(jié)果就在他們要退學的那段時間，有了意外發(fā)現(xiàn),，打開了這個‘黑匣子’,。”
歷時5年,，陳國強團隊自主研發(fā)出專用的基因編輯工具,，實現(xiàn)了對該菌的精準代謝通路設計。
實現(xiàn)“實驗室-產(chǎn)線”無縫銜接
雖然實驗室里有了新突破，但要跨越到工業(yè)化應用,，還差著十萬八千里。
“我們不知道拿到工業(yè)界行不行,?！痹陉悋鴱娧劾铮瑢嶒炇液凸I(yè)界有著不同的維度,?！叭绻麑嶒炇沂嵌S空間，工業(yè)界就是三維空間,。三維視角會看到很多在二維空間看不到的問題,。”
面對工業(yè)化難題,，陳國強團隊決定“兵來將擋,，水來土掩”。比如,，在實驗室里做離心操作很簡單,，可以用離心管處理，但無法滿足工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的大批處理需求,，于是他們通過形態(tài)學工程增大了細胞體積,，從而提高離心效率；實驗室中發(fā)酵時間需要數(shù)天,，也不能滿足工業(yè)化效率需求,，于是團隊通過改變菌種分裂方式，將發(fā)酵時間縮短到36小時,；在實驗室中氧氣供應容易滿足,，但工業(yè)上很難實現(xiàn)，團隊就改造了微生物的氧氣吸收能力,，發(fā)展了新的反應器-反轉(zhuǎn)反應器,，大幅度提高了微生物生長的密度。
破解了多個工業(yè)應用難題后,，陳國強團隊嘗試到真正的工業(yè)生產(chǎn)線去驗證,。第一次他們在山東找到了合作工廠，順利生產(chǎn)出5噸PHA,，首戰(zhàn)告捷讓大家興奮不已,。高興之余，他們也很清楚,，5噸還遠遠達不到工業(yè)應用的真正水平,。隨即，團隊開始了第二次工廠試驗，他們在福建一家生物企業(yè)實現(xiàn)了20噸發(fā)酵罐的順利生產(chǎn),。
此時,，陳國強團隊已經(jīng)有信心挑戰(zhàn)更大規(guī)模的生產(chǎn)，他們決定在北京建立產(chǎn)線,?！霸诒本衔绻S遇到問題,，下午就能到我們的實驗室解決,。”在清華大學的支持下,，微構工廠正式成立,，團隊從此實現(xiàn)了“實驗室-產(chǎn)線”的無縫銜接。
一段奇妙的緣分
陳國強沒有忘記最初的目標——要打破壟斷,，就要繼續(xù)做大做強,。可是,，哪里能找到更大規(guī)模的發(fā)酵罐呢,？這還得從一段奇妙的緣分說起。
1987年,，陳國強在奧地利格拉茨工業(yè)大學攻讀博士學位,，一家中國酵母研究所前來購買菌種和相關技術設備。在大使館的介紹下,，他們找到了既懂微生物學,，又精通中文、英語和德語的陳國強當翻譯,。
“當時幫他們翻譯了一個月,，包括接種、工業(yè)操作等,，自己賺了不少零花錢,，也學到了很多知識?！标悋鴱娦χ貞浀?，“以為他們是小打小鬧，沒想到后來做那么大,?！焙髞恚@家酵母研究所逐步發(fā)展成為世界第二大酵母企業(yè)——安琪酵母,。
2021年,，陳國強的嗜鹽菌技術需要更大規(guī)模的工業(yè)化驗證，恰好安琪酵母擁有225噸的發(fā)酵罐，雙方又一次開始了合作,。
當年,，世界最大產(chǎn)量的一次PHA發(fā)酵生產(chǎn)是160噸。對陳國強團隊而言,，此前20噸的發(fā)酵罐試驗還有經(jīng)驗可以參考,，但要放大到225噸，大家心里都沒底,。
懷著緊張、激動的心情,，陳國強團隊在安琪酵母工程師們的幫助下,，在四層樓高的發(fā)酵罐里開始了試驗?！敖Y(jié)果第一次就成功了,，我們都覺得是運氣太好了?！彪S后,，陳國強團隊又展開了一輪試驗，也成功了,。
這一次,，全世界都關注到了他們的成績。憑借嗜鹽菌合成生物學及其“下一代工業(yè)生物技術”生產(chǎn)PHA的優(yōu)異成果,，陳國強獲得了2023年度國際代謝工程獎,，成為首位獲得該獎項的中國科學家。
“實驗室工作是從0到1,，工業(yè)試驗是從1到10,，接下來，我們將走在10到100的路上,?！标悋鴱姼锌懊總€階段的挑戰(zhàn)都不一樣,，能走到今天,，真的太難了?！彼嘎?，團隊近期和多個行業(yè)巨頭達成合作，范圍包括PHA的環(huán)保紙張,、可降解農(nóng)膜,、環(huán)境友好包裝材料等。未來他們計劃繼續(xù)擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，建立年產(chǎn)10萬噸的PHA生產(chǎn)基地,。
編輯：李華山
