“一期年產(chǎn)聚羥基脂肪酸酯（PHA）1萬(wàn)噸，二期年產(chǎn)量將達(dá)到3萬(wàn)噸，屆時(shí)這里將成為世界上最大的PHA生產(chǎn)基地。”清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國(guó)強(qiáng)向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹了由清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心孵化的PHA產(chǎn)線項(xiàng)目。近日，該項(xiàng)目已在湖北宜昌正式落地，我國(guó)也有了自己的萬(wàn)噸級(jí)PHA產(chǎn)線。
談及落地宜昌的3萬(wàn)噸級(jí)PHA產(chǎn)線項(xiàng)目意味著什么，陳國(guó)強(qiáng)介紹，目前每年全球PHA產(chǎn)量約為5萬(wàn)噸，該項(xiàng)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(wàn)元降到3萬(wàn)元，更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)景環(huán)境可降解的材料。”陳國(guó)強(qiáng)深耕生物合成領(lǐng)域30多年，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打破了歐美多年來(lái)在生物材料領(lǐng)域生產(chǎn)菌種的專利封鎖，打造了我國(guó)第一個(gè)擁有自主專利的大規(guī)模工業(yè)化PHA生產(chǎn)菌種，實(shí)現(xiàn)了“菌株-工藝-裝備”全自主流程創(chuàng)新。
打開(kāi)“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(duì)人體無(wú)害、可較精準(zhǔn)調(diào)控力學(xué)性能等特性。為解決白色污染問(wèn)題，全球多國(guó)限制塑料的濫用，而PHA是傳統(tǒng)塑料的理想替代品，被譽(yù)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(guó)強(qiáng)學(xué)成回國(guó)入職清華大學(xué)時(shí)，國(guó)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(gè)菌種的核心專利一直掌握在歐美企業(yè)手中。
“因?yàn)闆](méi)有專利，我們要改進(jìn)菌種可能面臨打官司風(fēng)險(xiǎn)。”陳國(guó)強(qiáng)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(wèn)題。“傳統(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(shí)分離提取難度大，導(dǎo)致設(shè)備成本高。”
為了破解上述難題，陳國(guó)強(qiáng)決定另辟蹊徑尋找屬于自己的菌種。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)分析發(fā)現(xiàn)，極端環(huán)境里可能有“皮實(shí)”的新菌種。于是，他和團(tuán)隊(duì)開(kāi)始從全國(guó)各地的極端環(huán)境中尋找。2006年，一份從新疆艾丁湖帶回來(lái)的樣本讓陳國(guó)強(qiáng)有了驚喜的發(fā)現(xiàn)：“我們?cè)诎『暥茸畹偷牡胤讲杉艘恍┩翗樱⒎蛛x出非常頑強(qiáng)的微生物。”
艾丁湖是我國(guó)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(shí)地表溫度能達(dá)到80攝氏度。團(tuán)隊(duì)在這里找到了極端菌種Halomonas（鹽單胞菌屬）。“這種微生物展現(xiàn)出極強(qiáng)的生命力，其他微生物很難在極端環(huán)境下與其競(jìng)爭(zhēng)，它就像‘特種兵’一樣。”陳國(guó)強(qiáng)說(shuō)。
其他國(guó)家專利體系很少覆蓋極端環(huán)境微生物的工業(yè)應(yīng)用，特別是嗜鹽菌，但有一些學(xué)者認(rèn)為高鹽環(huán)境會(huì)腐蝕設(shè)備。不過(guò)，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Halomonas作為嗜鹽菌可在堿性環(huán)境下生長(zhǎng)，堿性環(huán)境反而會(huì)降低金屬的腐蝕速率。
這個(gè)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行改造。但Halomonas作為新的細(xì)菌，其基因調(diào)控機(jī)制如同“黑匣子”，既無(wú)現(xiàn)成工具可用，也沒(méi)有基礎(chǔ)研究積累，團(tuán)隊(duì)只能自力更生。
為揭開(kāi)新菌種的奧秘，清華大學(xué)生命科學(xué)館夜晚經(jīng)常燈火通明，實(shí)驗(yàn)方案不斷修改、重建。陳國(guó)強(qiáng)回憶道：“當(dāng)時(shí)我們用了所有工具都沒(méi)成功，我的兩位博士生熬了5年，被逼得快要申請(qǐng)退學(xué)了。結(jié)果就在他們要退學(xué)的那段時(shí)間，有了意外發(fā)現(xiàn)，打開(kāi)了這個(gè)‘黑匣子’。”
歷時(shí)5年，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出專用的基因編輯工具，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該菌的精準(zhǔn)代謝通路設(shè)計(jì)。
實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)室-產(chǎn)線”無(wú)縫銜接
雖然實(shí)驗(yàn)室里有了新突破，但要跨越到工業(yè)化應(yīng)用，還差著十萬(wàn)八千里。
“我們不知道拿到工業(yè)界行不行。”在陳國(guó)強(qiáng)眼里，實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界有著不同的維度。“如果實(shí)驗(yàn)室是二維空間，工業(yè)界就是三維空間。三維視角會(huì)看到很多在二維空間看不到的問(wèn)題。”
面對(duì)工業(yè)化難題，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)決定“兵來(lái)將擋，水來(lái)土掩”。比如，在實(shí)驗(yàn)室里做離心操作很簡(jiǎn)單，可以用離心管處理，但無(wú)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(guò)形態(tài)學(xué)工程增大了細(xì)胞體積，從而提高離心效率；實(shí)驗(yàn)室中發(fā)酵時(shí)間需要數(shù)天，也不能滿足工業(yè)化效率需求，于是團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變菌種分裂方式，將發(fā)酵時(shí)間縮短到36小時(shí)；在實(shí)驗(yàn)室中氧氣供應(yīng)容易滿足，但工業(yè)上很難實(shí)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)就改造了微生物的氧氣吸收能力，發(fā)展了新的反應(yīng)器-反轉(zhuǎn)反應(yīng)器，大幅度提高了微生物生長(zhǎng)的密度。
破解了多個(gè)工業(yè)應(yīng)用難題后，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)嘗試到真正的工業(yè)生產(chǎn)線去驗(yàn)證。第一次他們?cè)谏綎|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(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到工業(yè)應(yīng)用的真正水平。隨即，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了第二次工廠試驗(yàn)，他們?cè)诟＝ㄒ患疑锲髽I(yè)實(shí)現(xiàn)了20噸發(fā)酵罐的順利生產(chǎn)。
此時(shí)，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)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。“在北京，上午工廠遇到問(wèn)題，下午就能到我們的實(shí)驗(yàn)室解決。”在清華大學(xué)的支持下，微構(gòu)工廠正式成立，團(tuán)隊(duì)從此實(shí)現(xiàn)了“實(shí)驗(yàn)室-產(chǎn)線”的無(wú)縫銜接。
一段奇妙的緣分
陳國(guó)強(qiáng)沒(méi)有忘記最初的目標(biāo)——要打破壟斷，就要繼續(xù)做大做強(qiáng)。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(shuō)起。
1987年，陳國(guó)強(qiáng)在奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)攻讀博士學(xué)位，一家中國(guó)酵母研究所前來(lái)購(gòu)買菌種和相關(guān)技術(shù)設(shè)備。在大使館的介紹下，他們找到了既懂微生物學(xué)，又精通中文、英語(yǔ)和德語(yǔ)的陳國(guó)強(qiáng)當(dāng)翻譯。
“當(dāng)時(shí)幫他們翻譯了一個(gè)月，包括接種、工業(yè)操作等，自己賺了不少零花錢，也學(xué)到了很多知識(shí)。”陳國(guó)強(qiáng)笑著回憶道，“以為他們是小打小鬧，沒(méi)想到后來(lái)做那么大。”后來(lái)，這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(guó)強(qiáng)的嗜鹽菌技術(shù)需要更大規(guī)模的工業(yè)化驗(yàn)證，恰好安琪酵母擁有225噸的發(fā)酵罐，雙方又一次開(kāi)始了合作。
當(dāng)年，世界最大產(chǎn)量的一次PHA發(fā)酵生產(chǎn)是160噸。對(duì)陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)而言，此前20噸的發(fā)酵罐試驗(yàn)還有經(jīng)驗(yàn)可以參考，但要放大到225噸，大家心里都沒(méi)底。
懷著緊張、激動(dòng)的心情，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)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(kāi)始了試驗(yàn)。“結(jié)果第一次就成功了，我們都覺(jué)得是運(yùn)氣太好了。”隨后，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)又展開(kāi)了一輪試驗(yàn)，也成功了。
這一次，全世界都關(guān)注到了他們的成績(jī)。憑借嗜鹽菌合成生物學(xué)及其“下一代工業(yè)生物技術(shù)”生產(chǎn)PHA的優(yōu)異成果，陳國(guó)強(qiáng)獲得了2023年度國(guó)際代謝工程獎(jiǎng)，成為首位獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的中國(guó)科學(xué)家。
“實(shí)驗(yàn)室工作是從0到1，工業(yè)試驗(yàn)是從1到10，接下來(lái)，我們將走在10到100的路上。”陳國(guó)強(qiáng)感慨，“每個(gè)階段的挑戰(zhàn)都不一樣，能走到今天，真的太難了。”他透露，團(tuán)隊(duì)近期和多個(gè)行業(yè)巨頭達(dá)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(lái)他們計(jì)劃繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，建立年產(chǎn)10萬(wàn)噸的PHA生產(chǎn)基地。
編輯：李華山
