經(jīng)濟(jì)觀察報(bào) 記者 李靖恒 微小的細(xì)菌能做什么？不同的人會(huì)有不同的答案，但對(duì)清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授陳國(guó)強(qiáng)來(lái)說(shuō)，利用合適的細(xì)菌可以開(kāi)發(fā)下一代生物工業(yè)技術(shù)，并且給高分子材料產(chǎn)業(yè)帶來(lái)變革。

那么，高分子材料又是什么呢？近期，香港中文大學(xué)（深圳）副校長(zhǎng)、加拿大工程院院士朱世平在“先進(jìn)高分子材料開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化前景”演講報(bào)告中介紹，高分子是由成千上萬(wàn)小分子用共價(jià)鍵鏈接在一起的大分子，也就是分子鏈。

“高分子材料隨處可見(jiàn)，我們?nèi)梭w里面有很多的高分子材料，像DNA、核酸、蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素、木質(zhì)素，這些都是高分子。你在這個(gè)會(huì)議室里看到的東西，目之所及大多是高分子材料做的，外面看到的樹(shù)也是，除了水，主要是纖維素和木質(zhì)素，都是高分子材料。”朱世平說(shuō)。

塑料也是典型的高分子材料，比如PE（聚乙烯），PP（聚丙烯）等等。不過(guò)，據(jù)朱世平了解，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的PP普通料嚴(yán)重過(guò)剩，但是醫(yī)用的都靠進(jìn)口，而POE（聚烯烴彈性體）基本上全靠進(jìn)口。他認(rèn)為，“我們中低端產(chǎn)品的產(chǎn)能是夠的，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大，做的人也多，產(chǎn)業(yè)鏈都是完善的，但是高端產(chǎn)品奇缺。”

不過(guò)，在高端高分子材料領(lǐng)域，目前也有一些企業(yè)在嘗試改變目前的局面。例如，珠海麥得發(fā)生物科技股份有限公司目前正在研發(fā)生產(chǎn)的PHA（聚羥基脂肪酸酯）具有比傳統(tǒng)塑料更好的性能，被認(rèn)為是是PE、PP等化學(xué)塑料的優(yōu)質(zhì)替代品。

麥得發(fā)公司的業(yè)務(wù)經(jīng)理周賢有在接受記者采訪時(shí)表示，諸如PE、PP等塑料產(chǎn)品都是石油基材料，是不可再生的，也無(wú)法降解。這些材料直接從石油中提取，所以過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。而PHA具有生物降解性，可以替代這些塑料材料。

周賢有告訴記者，麥得發(fā)目前的PHA材料生產(chǎn)技術(shù)來(lái)源于陳國(guó)強(qiáng)教授。而麥得發(fā)則是幾位以陳國(guó)強(qiáng)為首的在奧地利留學(xué)的歸國(guó)博士創(chuàng)立，該公司位于粵港澳大灣區(qū)的橫琴粵澳深度合作區(qū)。

高分子材料的進(jìn)階

朱世平表示，高分子材料產(chǎn)品高端化最主要的是高分子鏈的精確設(shè)計(jì)與生產(chǎn)：“高分子難就難在‘太復(fù)雜’，高分子美就美在‘太復(fù)雜’，分子量大大小小，單體組合排列無(wú)限可能，配方和工藝一個(gè)小小變化可以做出性能完全不同的材料，但挑戰(zhàn)就是機(jī)會(huì)。”

朱世平以乙烯聚合為例，介紹了高分子材料的開(kāi)發(fā)，POE（聚烯烴彈性體）的原料就是乙烯，先把乙烯做成丁烯、己烯、辛烯，“特別是八個(gè)碳的辛烯，咱們還沒(méi)有，高端聚烯烴材料就玩不出來(lái)了，只有有了辛烯，再與乙烯精確地排列組合，才能有高端聚烯烴產(chǎn)品。還有諸如特種膠黏劑、智能織物、多級(jí)孔材料、聚酰亞胺、共聚單體進(jìn)料等等例子。”

周賢有向記者表示，在高分子材料領(lǐng)域里，陳國(guó)強(qiáng)在PHA材料研發(fā)應(yīng)用方面在全球應(yīng)該是前列的。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)、國(guó)外有很多相關(guān)應(yīng)用都離不開(kāi)陳國(guó)強(qiáng)的專利，他發(fā)表的學(xué)術(shù)文章引用次數(shù)也非常高。

與普通的聚乙烯塑料不同的是，PHA是由微生物利用多種碳源發(fā)酵產(chǎn)生的高分子聚酯。其具有良好的生物相容性、生物可降解性和熱加工性能，可以被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)材料和可降解塑料的生產(chǎn)。

“這個(gè)材料的用途比較廣泛，醫(yī)用級(jí)的可以作為人體的血管夾、支架、膜等等。之所以能用于醫(yī)用，是因?yàn)槲覀冞@個(gè)材料是生物基發(fā)酵而來(lái)的，它是可降解的，在人體內(nèi)3到6個(gè)月就降解掉了。而且，它甚至還可以用于制作功能性飲料。”周賢有告訴記者。

根據(jù)麥德發(fā)公司網(wǎng)站上的PHA研究介紹，到目前為止，PHA材料已被用于組織工程，植入材料，藥物緩釋，醫(yī)療保健等多個(gè)領(lǐng)域的研究中。比如，在陳國(guó)強(qiáng)開(kāi)展的一項(xiàng)有關(guān)體內(nèi)降解的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，PHA家族中的一種微生物材料—PHBHHx（3-羥基丁酸與3-羥基己酸的共聚酯），通過(guò)皮下植入體內(nèi)，6個(gè)月后，與傳統(tǒng)植入材料PLA（聚乳酸）、PHB(聚苯酯)相比，只有它保持了原型。也只有這種材料的的組織相容性最好，接觸面沒(méi)有炎癥。在有關(guān)軟骨修復(fù)材料的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，PHBHHx多孔支架植入動(dòng)物體內(nèi)軟骨破損處，16周后，科研人員觀察到，破損軟骨完全長(zhǎng)好。并且，這種材料80%的分子量在植入修復(fù)軟骨的過(guò)程中降解。

周賢有進(jìn)一步對(duì)記者表示：“生物降解材料在國(guó)外現(xiàn)在特別多，因?yàn)楹芏嗟胤剿麄円蟊仨毷褂每山到獾乃芰喜牧希瑖?guó)內(nèi)還在推廣階段，現(xiàn)在的客戶還不是特別多。不過(guò)現(xiàn)在很多城市也開(kāi)始要求不能使用不可降解的塑料。”

近年來(lái)，塑料用品的可降解性在化工企業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越重要。許多地區(qū)都出臺(tái)了相應(yīng)的“禁塑令”。例如，根據(jù)《海南經(jīng)濟(jì)特區(qū)禁止一次性不可降解塑料制品規(guī)定》，從去年年底起，海南開(kāi)始全面禁止使用一次性不可降解塑料制品。

據(jù)周賢有介紹，現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的可降解性塑料是 PLA(聚乳酸)。這種塑料使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。不過(guò)目前很多可降解的材料也有明顯的缺點(diǎn)，比如密封性不好。而PHA的密封性就比較好，可以替代密封性要求比較高的塑料瓶。PLA其他方面的性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上PHA。

PHA的疏水性、阻氣性和可生物降解特性使其在包裝（尤其是食品包裝）和一次性消費(fèi)品方面比傳統(tǒng)塑料更具吸引力。此外，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，PHA還具有材料多變性、非線性光學(xué)性能、壓電性能、熱塑性等性能，使其在化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、生物能源等諸多領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用前景。

重要的是生產(chǎn)工藝

朱世平在上述報(bào)告中還強(qiáng)調(diào)，高分子材料是“過(guò)程”的產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量不僅僅取決于配方，更取決于工藝。“我們吃了很多虧，經(jīng)常講去買(mǎi)一個(gè)配方，或者說(shuō)我手頭有一個(gè)配方，聽(tīng)起來(lái)好象解放全人類了。但那才是萬(wàn)里長(zhǎng)征前幾步，真正做起來(lái)是工藝。國(guó)內(nèi)對(duì)配方研發(fā)很重視，對(duì)生產(chǎn)工藝不夠重視。”他說(shuō)。

朱世平以聚酰亞胺（PI）為例說(shuō)明了生產(chǎn)工藝的重要性。聚酰亞胺是一種極其重要的材料，被稱為黃金高分子產(chǎn)品，目前只有極少數(shù)國(guó)家能生產(chǎn)。它的性能很好，優(yōu)良的高低溫性能，耐化學(xué)腐蝕、耐輻射，高強(qiáng)高模等。聚酰亞胺有很多用途，比如汽車(chē)零部件和機(jī)電器件行業(yè)、電氣絕緣行業(yè)、柔性顯示和柔性太陽(yáng)能電池行業(yè)等。

“國(guó)外對(duì)聚酰亞胺的研究時(shí)間早，產(chǎn)品質(zhì)量好，基本壟斷市場(chǎng)。目前，杜邦、東麗、鐘淵和宇部4家國(guó)外企業(yè)占據(jù)了全球聚酰亞胺市場(chǎng)銷售總額的70%左右。單獨(dú)一家外企的產(chǎn)能基本上就能夠達(dá)到我國(guó)產(chǎn)能之和。反觀國(guó)內(nèi)，研究起步晚，正處于模仿國(guó)外研發(fā)的階段。國(guó)內(nèi)的聚酰亞胺生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能低，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，利潤(rùn)空間小。無(wú)法生產(chǎn)無(wú)色透明聚酰亞胺薄膜，以及耐高溫高頻絕緣熱塑性聚酰亞胺模塑料。”朱世平表示。

周賢有也告訴記者，麥得發(fā)公司之所以能在PHA的研發(fā)生產(chǎn)上取得成果也是得益于在生產(chǎn)工藝上的突破。很多公司之前也在研發(fā)生產(chǎn)PHA，但產(chǎn)量一直提不上來(lái)，包括國(guó)外企業(yè)的產(chǎn)量也不多。而陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)則開(kāi)發(fā)出了能快速提高產(chǎn)量的生產(chǎn)工藝。

陳國(guó)強(qiáng)在自己的研究經(jīng)歷中發(fā)現(xiàn)，在高分子材料的生產(chǎn)過(guò)程中，生物基培養(yǎng)和普通化學(xué)合成非常不一樣。在進(jìn)行化學(xué)合成高分子材料的過(guò)程中，因?yàn)樗歉邷兀袝r(shí)候是高壓的條件，有時(shí)候是有機(jī)溶劑，所以它沒(méi)有一個(gè)染菌的過(guò)程，不需要擔(dān)心有什么外部微生物會(huì)跑進(jìn)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)底物或營(yíng)養(yǎng)。所以，化學(xué)合成這個(gè)過(guò)程是非常高效的，而且可以做到產(chǎn)物濃度非常高，這是微生物所無(wú)法做到的。在陳國(guó)強(qiáng)十幾年的研究生涯中，他一直在想一個(gè)方法：怎么樣讓生物合成像化工合成那么有效。

目前用于PHA生產(chǎn)的工業(yè)生物技術(shù)包括幾個(gè)主要步驟：菌株開(kāi)發(fā)、搖瓶?jī)?yōu)化、實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵罐預(yù)發(fā)酵，以及工業(yè)規(guī)模放大。周賢有表示，首先菌種的選擇就非常關(guān)鍵。很多菌種其實(shí)都可以做出PHA來(lái)的，但是那些菌體是比較難發(fā)酵的，因?yàn)槠浒l(fā)酵過(guò)程必須要防止其他細(xì)菌的污染。其實(shí)一九六幾年的時(shí)候美國(guó)那邊就開(kāi)始做這種材料，但到目前的產(chǎn)能都上不來(lái)，就是因?yàn)榧?xì)菌發(fā)酵的產(chǎn)量不多。

據(jù)悉，多種不同的菌種都可以用于生產(chǎn)不同鏈長(zhǎng)的PHA，工程化的大腸桿菌也常用于幾種PHA的生產(chǎn)。盡管已經(jīng)成功地進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，但這些菌株在發(fā)酵后仍需要徹底滅菌以杜絕污染。據(jù)周賢有介紹，之前其他的公司生產(chǎn)PHA，做完一批之后，要?dú)⒕荆缓蟛拍茏鱿乱慌缇酒鋵?shí)也比較復(fù)雜，是很耗人力財(cái)力時(shí)間的一個(gè)環(huán)節(jié)，這也是制約PHA產(chǎn)量的一個(gè)重要因素之一。

尋找頑強(qiáng)“嗜鹽菌”

經(jīng)過(guò)探尋，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)找到了一種很好的細(xì)菌，該種細(xì)菌是他們?cè)谛陆陌『l(fā)現(xiàn)的。艾丁湖位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市高昌區(qū)，是吐魯番盆地的最低處，也是中國(guó)陸地的最低點(diǎn)。這一地區(qū)也是世界上最酷熱、干燥的地區(qū)之一，年降水量不到20毫米，蒸發(fā)量大于降水量好幾千倍，年平均氣溫14℃，極端高溫達(dá)到48℃，地表溫度超過(guò)80℃。2011年7月14日，艾丁湖區(qū)域自動(dòng)氣象站最高氣溫50.2℃，這是中國(guó)陸地首次觀測(cè)到的超過(guò)50℃的記錄，成為全國(guó)最熱的地方。

而陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌能夠在幾乎沒(méi)有水的情況下，在鹽的濃度超過(guò)200克/升、晝夜極端溫差接近100度的環(huán)境下生存。陳國(guó)強(qiáng)他們?cè)诎『锊闪撕芏嗤翗樱蛛x出了一些生命力非常頑強(qiáng)的微生物。

經(jīng)過(guò)篩選，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)獲得了兩株具有高度適應(yīng)性的耐鹽細(xì)菌——野生 HalomonasTD和LS21。這類細(xì)菌被稱為“嗜鹽菌”，它們的生長(zhǎng)不受周?chē)魏纹渌⑸锏挠绊懀话愕募?xì)菌也無(wú)法在高鹽度的環(huán)境中生存。利用這些來(lái)源于艾丁湖的頑強(qiáng)嗜鹽微生物，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始開(kāi)發(fā)下一代工業(yè)生物技術(shù)。

陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這兩株耐鹽細(xì)菌都能產(chǎn)生PHA。并且，HalomonasTD的操作不需要在無(wú)菌條件下進(jìn)行。因?yàn)楸旧砀啕}、高堿的特性，讓它不易被其他細(xì)菌污染，可實(shí)現(xiàn)無(wú)滅菌發(fā)酵，并且還可以連續(xù)培養(yǎng)，這意味著生產(chǎn)制造成本將大大降低。而且，因?yàn)檫@些細(xì)菌能在海水中快速生長(zhǎng)，還解決了現(xiàn)有生物制造需要大量耗費(fèi)淡水的缺點(diǎn)。

周賢有對(duì)記者表示，這種新技術(shù)可以連續(xù)一批一批地生產(chǎn)PHA，所以產(chǎn)能一下子就提升上來(lái)。“可以連續(xù)性地生產(chǎn)，我們就把本來(lái)復(fù)雜化的過(guò)程給簡(jiǎn)單化了。之前的公司做這種發(fā)酵都是需要博士碩士去操控這個(gè)過(guò)程的，但我們工廠普通工人都可以做這個(gè)工序了。”

今年8月份，麥德發(fā)控股子公司廣東荷風(fēng)生物科技有限公司完成了千噸級(jí)PHA生產(chǎn)線的建設(shè)，并且開(kāi)始投產(chǎn)。周賢有告訴記者，目前公司還在擴(kuò)產(chǎn)中，力圖以后的產(chǎn)量能達(dá)到萬(wàn)噸級(jí)。“如果能達(dá)到每年1萬(wàn)噸產(chǎn)能的話，在全球的產(chǎn)量都屬于前列的。通過(guò)陳國(guó)強(qiáng)教授的核心技術(shù)，我們的工藝得到了一個(gè)質(zhì)的飛躍，所以才能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。”

周賢有進(jìn)一步表示，PHA之前由于產(chǎn)量不大，所以普及程度不高。目前相對(duì)普及的PLA材料不同質(zhì)量的產(chǎn)品價(jià)格一般在每噸2萬(wàn)元到5萬(wàn)元之間，而每噸PHA的價(jià)格預(yù)計(jì)在明后年會(huì)達(dá)到6萬(wàn)元。如果產(chǎn)能進(jìn)一步上升到上萬(wàn)噸的話，PHA的價(jià)格有望能降到3萬(wàn)元一噸，屆時(shí)普及程度也會(huì)有所提升。