亚搏手机版app下载刘修才:生物材料需要从原料可再生、亚博全站APP官网登录可回收难题入手,做到成本可竞争

来源:生辉SciPhi作者: 亚搏手机版app下载日期: 2020-12-23点击数:

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2020 年 12 月 19-20 日,由深圳市发展和改革委员会、深圳市光明区人民政府主办,中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院深圳理工大学(筹)、深圳合成生物学创新研究院、DeepTech 生辉、深科(深圳)工程生物产业科技有限公司承办,中国生物工程学会合成生物学专业委员会、中国医药生物技术协会合成生物技术分会、深圳市合成生物学协会协办的 “光明科学城・2020 工程生物创新大会暨《麻省理工科技评论》中国生命科学创业大赛决赛” 在 “鹏城” 深圳光明区举办。

当日,亚搏手机版app下载董事长刘修才出席了本次会议,并在大会现场发表题目为《合成生物学与新材料》的演讲。


以下是演讲实录整理:

大家早上好!谢谢大会和组织者的邀请,我今天和大家分享一下合成生物学与新材料的方法,讲两方面:一,合成生物学与新材料创新的关系;二,公司生物学及新材料研发产业化发展过程。

全球碳排放主要是来自于能源的消耗和材料的使用,全球每年消耗高分子材料大概 5 亿吨,每吨材料释放二氧化碳 8-9 吨,人类在高分子材料上面释放的二氧化碳高达 40 亿吨 - 50 亿吨,这对地球环境问题、可持续发展问题带来了很大的困扰。

2004 年美国能源部出台了 12 个系列的基础化工原料,可以用生物法替代,国际的化工企业、材料以及农业行业都试图通过合成生物学方法制作基础化工原材料。左下角是很多公司在不同材料方面作出的努力,我把努力的结果分成两个阶段,上面是早期的案例。

从 2006 年开始,其中的四个是上市公司,七个公司里面有 5 个公司破产了,刚刚介绍的青蒿素成为一个典型的案例,目前市值 7.7 个亿,给我们树立很好的榜样,并受到了市场的广泛支持。

前期很多企业做的努力给资本市场带来了希望,尽管中间遇到了一些挫折,但很多企业仍在不停的努力,比如说 NatureWorks 已经做了将近 40 年的聚乳酸,去年终于有一家做香烟过滤嘴公司预定了 5 万吨原料,中国很多基础材料市场热了起来。

近年来资本市场又开始关注生物方面。我来举三个例子。

BEAM 公司上周的市值已经达到 45 亿美金,人造肉 Beyond Meat 现在市值达到超过 86 亿的美金,亚搏手机版app下载在合成生物领域的布局比前面公司要早,我从 1994 年回国创业,已经过去了 26 年。科创板给了我们一个机会,让我们没有 “死” 掉。

最近合成生物学取得了快速的发展,我个人认为有两个原因,第一,科学领域积极促进。深圳先进院合成生物研究所、天津工业微生物研究所都做了大量的工作,科学界的专业人士都做出了很多的努力。今年诺贝尔奖给了基因编辑,这给大家注射了一个 “兴奋剂”。一些fotosprout.com,像 IT 行业的孙正义和比尔盖茨等也把 IT 技术带到了合成生物学,给资本市场带来了很多的信心。第二,环境的压力和政策的倒逼。2020 年 9 月,国家宣布,中国争取到 2060 年实现碳中和。12 月 12 日,国家再次在气候雄心峰会上针对这一目标进一步宣布了针对二氧化碳排放、非化石能源等方面的详细指标。

欧盟在碳排放上面措施非常具体,3 月 11 日出的这份文件对产业界非常有价值,具体规定了对碳排放问题如何管理,这些具体的管理规定导致了传统化工行业的市场的竞争力相对于生物制造行业逐渐减弱,给生物合成产业带来了新机会。

回顾人类发展历史,人类从石器时代、青铜器时代、钢铁时代走到今天,下一个阶段是生物的时代。生物时代的到来一方面是满足人类可持续发展的需求,更重要是,随着生物技术不断进步让生物有能力去完成生产替代。替代主要聚焦在两个方向,1)替代现有化工高分子材料的功能;2)从节能的角度替代无机材料功能。

摆在生物制造材料前面的有两个难题需要被解决,我认为原料可再生、亚博全站APP官网登录可回收是我们的挑战,仅靠对环保有贡献这一点对于合成生物来说是远远不够的,最重要的是要做到成本可竞争,尤其是在和石油化工材料相竞争的时候,只有成本可竞争,生物材料才有机会。

首先,生物材料存在几种选择,一是目前的材料都是从石油化工作为原料制作所得,大多数这一类高分子材料并不是根据人类的需要制作的,而是为了给石化亚博全站APP官网登录一个出路。真正功能性材料的生产体量始终不大。当然,人类也有了更多的选择,其中最重要的是从合成生物学的角度,实现简单替代或同类亚博全站APP官网登录替代,生物法要做到性价比更高、可竞争性更强。

从材料概念到亚博全站APP官网登录、市场,这一过程分成两个大阶段,第一,单体研究和产业化过程,亚博全站APP官网登录直接在细胞内合成(合成生物)。我认为大家在基因工程编辑上下了很多功夫,但实际过程中,亚博全站APP官网登录的分离和纯化往往是更大的挑战。回顾整个生物材料的发展过程,中国的聚乳酸就是一个典型案例,目前限制行业发展的主要原因是转化效率和纯化技术仍面临挑战。第二,新材料应用的挑战,应用类生物材料目前还未成为主流。在材料聚合、生物发酵等方面,新材料进入市场仍受到很多阻力,除了性能开发外,使用端产生的阻力同样需要引起重视。

现在,中国材料市场有几句话值得注意,上游缺原料,因为石油依赖进口,下游缺技术,终端缺品牌,这意味中国的整个高端材料产业链基本上被国外垄断。同时,高度垄断也同样在材料应用中出现,尤其在涉及到材料标准问题的时候,绝大多数材料标准是为化工材料制定的。生物材料行业无法回避这一阻力。

我们之所以选择生物基聚酰胺,是因为在生物本身包含三大类的高分子化合物:蛋白、DNA 和多糖。这三类化合物都有独特的功能,材料上研究比较多的是蛋白酶结构,杜邦公司在将近 90 年前发明了尼龙 66,这是人类发明第一个高分子材料,科学家 Carothers Wallace Hume(Carothers,W.H.)模仿蚕丝的蛋白质结构,利用 β 折叠和 α 螺旋结构,构造了尼龙结构。他当时首先发现的是尼龙 510(5 个碳的胺和 10 个碳的二元酸聚合产生),当时由于成本的问题,始终无法完成生产。到目前为止,尼龙 66 在功能材料中仍是排在第一位的仿生材料,过了 90 年,依旧没有其他的材料可以替代它。

我今天很高兴的告诉大家,我们用生物法把尼龙 510 做出来了,并已经在手机支架、服装和食品包装膜上成功应用。

整个生物基聚酰胺模仿蛋白的核心是模仿碳结构,6 个碳的结构上,化学链间形成组合,这就导致了两个关键的功能:一个是肽键平面结构,二是氢键,构成了聚酰胺独特的性能。

自然界蛋白质结构都是利用这两种方式去构造不同特点,所有的生物反应活性都是酶(有活性的蛋白质)导致的,自然界构造这个结构有它的道理,用在材料上同样适用,所以后来人们把芳香族化合物、苯环引入结构中。我以半芳香族为例,把苯环引入后,20 个基团可以形成一个平面结构,这样就大幅度地改善了机械性能。

基于上述原因,经过过去 80 多年的产业化发展,目前形成了两大家族,半芳香族和脂肪族。从尼龙 66 到尼龙 46 再到长链尼龙 12、尼龙 11。非芳香族材料中,尼龙 46 的价格比较贵,尼龙 6 的价格最低。中国只能生产尼龙 6,因为不受原料限制,其他稍微复杂一点原材料都受到限制。

从生物的角度出发我认为有几个生产方案,一个是从单体的角度模仿尼龙 6 生物法生产内酰胺(既含酰又含胺),我们在十几年前就在探索这一方式,但发现生物法的效率不如化学生产,所以这个项目就搁置了。我相信,随着合成生物技术的提高,未来我们还有信心重新来做这件事情。

过去 20 年主要利用生物法生产氨基、羧基为主的化合物和作为聚合单体,除了能合成一系列聚酰胺以替代传统尼龙,最主要目标是 “以塑代钢”,想做真正的大宗材料。

从现有的市场来看,现有的尼龙行业有一千万吨,有两千亿到三千亿的市场价值,生物法的生产成本更便宜,性能可替代钢铁,这个市场将在材料方向拥有无限大的可能。

下面我为大家介绍一下附加值稍微高的长链酸。我们用了将近 20 年的时间取代了化学法的市场,我认为这是目前为止生物材料唯一一个在商业化上把化学法同类亚博全站APP官网登录替代掉的亚博全站APP官网登录,替代的过程主要包括两个角度,第一,构造简单合成转化过程;第二,把整个生物体系清理干净。合成路线越短越好,原材料越便宜越好,反应条件接近产物 pH,最好不要用酸碱调节 pH,避免产生无机盐,少加营养物质,这样才能控制好成本。

替代了化学法后,我们也在扩展亚博全站APP官网登录,开发了包含 10 个碳的二元酸,今年已经实验了上千吨。十个碳的二元酸,随着碳数的降低,生物体的抑制性作用就会增强,因此,改造基因的过程中要克服这一问题。

其次,纯化问题。化学法癸二酸亚博全站APP官网登录的纯化问题一直困扰到尼龙 610 的生产,现在证明生物法可以做得非常成功。

在此基础上,我们利用一项新的技术把长链做成了 “超长链”,进而替代尼龙 11、尼龙 12 这样附加值特别高的亚博全站APP官网登录。其中包含两个关键参数,聚合物一定要有耐候性和高温力学性能,这是做长链尼龙的两个最关键因素。目前为止我们构造了生物基长链尼龙,有机会把尼龙 11、尼龙 12 也用生物法进行替代。加上 9 碳的二元酸,有 30 万吨亚博全站APP官网登录的市场可以用生物法长链酸进行替代。此前我们用 13 年的时间替代了 2 万吨化学法亚博全站APP官网登录,但 2016 年开始,我们仅用 3 年时间(2019 年)就把市场规模提高到五万三千吨。我们希望摆脱传统的长链二元酸应用市场的范围,最关键是构造新的功能和大幅度降低成本。

聚酰胺生产必须利用二元胺,现在二元胺的碳原子数量几乎都是偶数,唯一一个奇数碳是九碳二元胺成本特别高,低成本构造一个奇数碳的二元胺对于整个聚酰胺行业来说非常重要,生物法可以通过赖氨酸脱羧酶的作用生产,亚搏手机版app下载这个领域研究了很久,现在我们把这个问题解决了。第一代,我们实现了五万吨的生产;第二代,我们绕过了中间体,第三代,不通过单体直接到盐。

基于产业化二元胺生产技术,我们生产了一系列生物级聚酰胺,可以完美替代化学法所生产的所有的尼龙。

我举三个例子,我们的三个品牌 1273、2260、6300,拥有不同的熔点、吸湿性和热变型温度。比如在应用环节中,在纺织行业吸湿性是最重要的指标,我们生物基聚酰胺泰纶的吸湿排放指标在所有纺织材料中最优。在聚合时构造了一款聚合物,使它既不产生凝胶又不产生寡聚物,可以从熔体直接纺织,纺织成本大幅降低。尼龙 66 因为易产生凝胶,纺丝成本往往超过 1 万元。而尼龙 6 因为产生寡聚物所以纺织成本大概是在七千块钱左右。我们第一次把聚酰胺做成可以熔融直纺。

纺织行业将成为未来关注点,全世界都在看中国的纺织业,我认为这一亚博全站APP官网登录会对纺织业带来很大的贡献。在电子电器方面,我们也在和一些客户合作生产亚博全站APP官网登录样本,在汽车行业里面生产小众部件,都要经过长期的研发。

最近行业的发展重点是做轻量化,全世界都在讲轻量化,但大部分都在说聚氨酯、环氧树脂、PVC 等,而这些都是不可回收的塑料。欧洲有文件明确指示,将来不能回收的塑料都需要禁止使用,需要寻找替代的亚博全站APP官网登录。我非常高兴的是,上个礼拜我们已经做出来了一款可回收的轻量化材料。

我们经历了 20 年的时间,目前我们单品的产量从过去的五千吨到 2018 年已经实现了 7 万吨。今年刚刚在山西签约做个一百万吨级、十一平方公里的生产基地,我们希望做成一个完整的产业链,我们的目标是和西门子等公司一起合作,用清洁能源打造一个零碳产业园,希望实现原料可再生、亚博全站APP官网登录可回收、成本有竞争力。谢谢大家!