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清华大学团队完成新技术中试 生物可降解塑料有望“白菜化”

2017-12-31 14:39:53

【文/观察者网 周远方 二水】

微胖拯救世界!

不,我们不是在讨论小姐姐,也不是在夸大其词,我们是在非常严肃地谈论一项可以改变全球石油工业和环保产业格局的技术——生物塑料的“白菜化”。

当今世界,举目所及,必有塑料。塑料造成严重的白色污染问题,给环境带来巨大负担,给无数动物带来巨大痛苦。在相当长的时间内,许多人都认为这个问题是无解的。

但是下面这个年轻团队,不但正在挑战这个问题,而且在最近迈出了巨大的一步,走在了世界前列。

清华大学生物学博士李腾镜头下的研发团队,感谢摄影者供图

让我们从头说起。

塑料给环境带来负担,主要问题在于很难降解。塑料发明至今只有100多年,石油基塑料的降解周期却是300-500年,这意味着,人类制造的第一块塑料,如果没有被烧掉的话,现在仍然存在于这个世界。

其实,这是一个关于“吃”的终极拷问。

所谓“降解”,就是被微生物吃掉,再进入食物链自然循环。

石油虽然也是来自于生物,但这种东西过了保质期实在太久了,可能也太“难吃”了,再把石油里的东西提纯聚合,变成聚乙烯,聚丙烯,愿意去吃它的生物就更少了。

对大多数生物来说,石油是一种无法接受的“黑暗料理”

生物塑料PHA(polyhydroxyalkanoates,聚羟基脂肪酸酯)(记住这三个字母!往下你会看到它长得有多…萌!)的材料学性质与传统石化塑料相似,可以在50%以上石油基塑料应用领域发挥替代作用,完全可以用来做成塑料袋、塑料餐具、塑料瓶等等。

更重要的是,PHA对许多微生物来说相当“好吃”,也是很好的营养物质,大家都非常愿意吃掉它。这意味着PHA降解很快,在土壤中3-6个月内就能降解,其他微生物吃掉这种生物塑料以后还能繁殖得更快,使土地更加肥沃。

因为,PHA本质上就是一些细菌体内自然生长出来的“肥肉”,微生物用它来储存多余的能量,相当于植物的淀粉,和动物的脂肪。

生产PHA材料,其实本质上是一种“饲养”,就是把某些微生物养肥,然后把它们的“肥肉”提炼出来。

在上世纪70年代第一次石油危机的时代背景下,生物塑料的相关研究在全球范围内蓬勃开展,不但发现了大约300多种能够积累PHA的微生物,而且发展出了较为成熟的生产工艺。

然而,PHA生物塑料到今天为止,完全没有普及。

目前,全球仅聚乙烯和聚丙烯两种最普通的石油基塑料,年产能就有13000-14000万吨。PHA的年产能只有5万吨左右,产量只是石油基塑料的一个零头。

问题就是成本。塑料太便宜,生产工艺太成熟,使用的量太大了。据国内某批发平台数据,按目前工艺生产的生物塑料(PHA)的价格,大致在普通聚乙烯和聚丙烯的3倍至10倍。

所以,要使生物塑料普及,大范围取代石油基塑料,就必须把成本降下来。

就这样,人类解决白色污染、摆脱石油依赖的难题,转化成了“如何便宜地把某些微生物养肥”的问题。

恰同学少年,清华大学“生命科学学院”、“长江学者”特聘教授陈国强老师领衔的一支年轻团队,就是想要解决这个问题!

身为此种微生物饲养工业的佼佼者,他们不但找到了皮实好养的菌种,还用新兴的“合成生物学”技术,把它们进一步改造得更加温驯好养,重构了PHA的整个生产过程,实现生产总成本比现有技术降低一半,走在了世界的最前列。

日前,他们已成功完成为期8个月的生物塑料新技术工业化中试,即将在明年开始5-10万吨规模的量产。

这其实,是个相当有趣的“驯化”故事。

陈国强教授在上世纪80年代出国,从事PHA生物材料的研究,90年代回国后,一直致力于推动PHA生物塑料的基础研究和产业化。

国强教授

传统的PHA生产工艺,跟味精、酿酒等需要生物发酵的工艺类似,为了防止杂菌入侵,需要营造无菌环境,包括巨大的不锈钢发酵罐,通过消耗能源维持一定的温度湿度等。

资料图:味精、酒类等许多产品在这种巨大的无菌不锈钢发酵罐生产,控制pH值、维持无菌环境是很大一块生产成本

陈教授从小在海边长大,他从海水可以为伤口消毒得到灵感:既然盐碱环境可以抑制大部分细菌的生长,如果有一种“皮实”的细菌可以在盐碱环境中生长,又可以长出PHA的话,饲养它们就不需要封闭无菌环境了,普通的大水缸就行。

这样不但可以省下无菌发酵的设备和能耗成本,还可以用几乎取之不尽的海水来养,节约大量淡水资源。

不过,在极端艰苦的环境下(高盐碱),还能长胖(长出PHA),真的能找到这样的微生物吗?

几年时间,陈教授带着他的学生们跑遍全国的盐碱地,到处挖土,找了十几个地方后,终于在2009年来到了新疆吐鲁番盆地。

艾丁湖,位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市高昌区,湖面比海平面低154.31米,是吐鲁番盆地的最低处,也是中国陆地的最低点。该湖是世界最酷热干燥的地区之一,年降水量不到20毫米,蒸发量大于降水量的几千倍,湖水含盐量是海水6倍,年平均气温14℃,极端高温达48℃,地表温度超过80℃,日温差一般在12℃以上,最多达35℃。

在艾丁盐湖湖畔白天火辣的烈日和夜晚清冷的月光下,人不堪其忧,但有两种野菌,不改其乐。

新疆艾丁湖

陈老师的团队花了几个月,辩明了他们的真身,野生盐单胞菌(Halomonas) TD(左)和盐单胞菌LS21(右):

你无需记住他们的名字,只需知道他们长胖的本领,和为全世界作出的牺牲。

适逢新兴学科“合成生物学”技术在2014年到2015年出现了突破,通过重编DNA的方式重构微生物行为模式,开始成为可能。

这就要提到下面这位同学。

李腾,清华大学生物学博士,陈国强老师的学生,也是创业公司蓝晶微生物(Bluepha)的CEO。他和其他年轻小伙伴们一起,通过合成生物学重新定义了这两种细菌的生命模式,也重构了整个PHA的生产流程。

李腾3月份在“一席”演讲时,就提到了他们对上面两种野菌的驯化过程。

他说,生物学是一门很有趣的学科,讲到如何养胖微生物,他脸上总会露出微笑。

好接下来就是被养胖的微生物:

胖吗?还不够:

已经被肥肉撑的有点变形了……

这时,他们体80%以上都是PHA了。

不过,这还不够。终极的胖是这样的,比原先的细胞撑大了好几倍:

这是如何做到的呢?当然只靠吃是不行的。就要用到合成生物学。

陈国强老师介绍说,微生物有一种骨架蛋白,通过生物合成技术改变骨架蛋白的大小,就能改变微生物的大小。

改变它们身材的基因编辑工作,进行了大约5年。另外,还用基因编辑去除了它们生命周期中一些和长胖无关的动作。

长肥肉这个技能树到这里就算到顶了,不过这还不够。

当它们生长完以后,就需要把肥肉从他们体内“洗出来”,也就是“产物纯化”。

传统工艺是通过每分钟5000转的高速离心设备,在大规模工业生产中,设备和能耗也是相当大的一块成本。

但是通过生物编程技术,以一种相当有趣的方式省去了这个步骤。

实在吃不动了的胖子们,在生命的最后一刻互相伸出手,团结到一起,抱成一个个小团子,自己沉到水底。

这是一种怎样的精神!

当然,生产胖子的最佳材料,就是垃圾食品,字面意义的垃圾食品:

他们还改变了这种细菌的繁殖方式,让它从一变二的分裂方式转换成指数级的增长方式。陈国强老师说,这个也做了很久,有99%的人都放弃了,有一个特别顽固的同学说,“我再试试吧”,结果就做成了。

这样,他们就十分巧妙地实现了生产成本上的突破,并且在8个月的工业化中试试验中取得了成功。

在中试期间,两位合成生物学界的专家,格雷戈里(Gregory Stephanopoulos ,麻省理工学院教授,美国化学工程学会会长,下图左六)和奈杰尔(Nigel Scrutton ,曼彻斯特大学教授,英国合成生物学中心主任,左四),受陈国强教授的邀请,前来生产基地参观。

蓝晶微生物BluephaLab微信公号图

格雷戈里和奈杰尔两位教授亲自目睹了无灭菌开放连续发酵的过程后,还参观了PHA连续生产的完整生产线,纷纷表示赞许。格雷戈里教授兴奋地表示:在来参观之前,一直以为这可能只是paper work,没想到竟然真的可以在放大生产中实现。

中试发酵用的透明大塑料罐(科学网图)

在央视播出试验成功的消息后,李腾和叶建文在蓝晶微生物BluephaLab的微信公号上写道:

“今天,我们终于可以宣布:用于PHA全生物基可降解材料生产的下一代工业生物技术完成了全技术链条中试实验,具备完全工业化条件。

不是简单的走通了工艺,而是完成了从PHA合成、产物纯化、高分子加工改性到产品化的全流程。我们和众多的合作伙伴一起,用中试生产线合成的PHA制成了可生物降解的农用地膜,超市购物袋,快递和外卖的包装材料,甚至把PHA制成了纱线,进而纺成布料用以代替丝绸。”

“八个月前中试正式开始之后,我们做了很多有意思的事情:

在东北的玉米田和花生田测试了PHA农用地膜的田间效果;

在清华校园里找了个小山坡挖洞做PHA的土壤自然降解实验,每隔一阵取样观察直到完全找不到PHA而用做对照的其他塑料还完好无损;

用PHA喂养小猪和鱼,发现PHA竟然可以作为饲料的添加剂让一些动物增重;

我们甚至通过参加科研项目在海南文昌卫星发射中心把PHA送上了太空。

“而所有的这一切,都源自八年前艾丁湖边那个直径500纳米的小生命。还有比这更神奇的事情吗?

“我们把这个神奇的微生物命名为Halomonas bluephagenesis,意思是”Bluepha的起源”。自然界创造了这个神奇的微生物,我们给它赋予了全新的意义。”

目前,PHA粒料已经被应用于可降解农膜、一次性的木粉共混及纯PHA餐具、彩色3D打印丝、电纺纤维、购物袋等终端产品:

部分终端产品样本(科学网图)

PHA还被发现有很好的医用价值,它有很好的生物相容性,PHA中的P4HB已经作为手术缝线,在美国批准进入了临床,被看好用于开发软骨修复材料、神经导管、人工食道等。

感谢来自新疆的小胖子微生物们。

最后,看看这个年轻的团队~

一群致力于把细菌养胖的年轻人

再次感谢陈国强老师和这支年轻的团队!

祝福他们!

附:创业公司蓝晶微生物(Bluepha)的CEO李腾“一席”演讲

主要参考资料:

微信公号蓝晶实验室BluephaLab


下一代工业生物技术完成中试 新生材料低价量产

清华陈国强教授:一个可能引领未来生命科学发展的新方向 — PHBHHx和它的衍生物

李腾“一席”演讲

央视新闻等

周远方

周远方

战忽局暗中观察哨

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来源:观察者网 | 责任编辑:周远方
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