(本文轉載自中國化工信息周刊(ID：CCN-weekly))
日前，合成生物學初創公司北京微構工場生物技術有限公司(以下簡稱“微構工場”)宣布完成近5000萬元的天使輪融資，由紅杉中國種子基金領投(以下簡稱“紅杉種子”)，無限基金SEE Fund等跟投。
據了解，微構工場成立于2021年2月4日，在其成立才不到半年的第一輪融資中，便得到紅杉種子這樣頂級投資機構的青睞，究竟是何原因呢?
微構工場表示，本次融資將用于合成生物學研發中心和千噸聚羥基脂肪酸酯(PHA)示范線的建設。
產業化品種已有4代
PHA是聚羥基脂肪酸酯類材料的總稱，是由微生物通過各種碳源發酵而合成的不同結構的脂肪族共聚聚酯，是細菌在生長條件不平衡時的產物。其化學通式和生產流程分別如下：
PHA的化學通式
PHA生產流程
PHA的大多數單體是鏈長為3～14個碳原子的3-羥基脂肪酸，側鏈是高度可變的飽和或不飽和、支鏈或直鏈、脂肪族或芳香族的基團，可以是同一種脂肪酸的均聚物，也可以是不同脂肪酸的共聚物。其中，最常見的有聚3-羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸酯(PHV)，以及PHB和PHV的共聚物——聚3-羥基丁酸酯/3-羥基戊酸酯共聚物(PHBV)。
不同類型的PHA可以通過不同的生物合成途徑，由微生物的細胞中提取，然后再經過加工成型，制備出各種性能的塑料制品。微生物合成PHA的過程中主要受碳源、菌種、發酵過程控制和提取純化技術4大因素影響。
目前，PHA的產業化品種已有4代。第一代產品的典型代表為PHB，該材料脆性大，很難大規模應用。為改善加工性能而研發了第二代產品PHBV、第三代產品3-羥基丁酸酯/3-羥基己酸酯共聚物(PHBHHx)以及第四代產品聚3-羥基丁酸酯/4-羥基丁酸酯共聚物(P34HB)。
PHA的4代產業化品種
100%可生物降解，產業化受限于生產成本
我國在2020年相繼提出升級版限塑令和雙碳目標后，替代塑料已逐步提上日程。在眾多可降解材料中，PHA的降解方式是最特別和最溫和的，使用完后可100%在生物體內降解成β-羥基丁酸、二氧化碳和水，降解時間大概 1～5 年不等。與當前偏主流的生物可降解材料PLA和PBAT相比，PHA結構多元化，可通過改變菌種、給料、發酵過程來方便調控其組成，而組成結構多樣性帶來的性能多樣化使其在應用中具有明顯優勢。
PHA特性與應用范圍
PHA在包裝、醫療、農膜等領域均有良好的應用，用于鮮品保鮮包裝時的性能甚至可與PET、PP等傳統塑料產品相媲美。此外，PHA可與其他性能優良的生物可降解材料互補，如PHBV通過與PLA共混，可用作纖維和纖維制品，能夠高效抗菌，在醫療保健行業具有良好的應用。
去年，美國公司WinCup開發出的新型突破性的可降解吸管phade就是由PHA制成，可海洋生物降解或家庭堆肥，并且保持了傳統塑料吸管的手感和用戶體驗。
5月12日，加州的材料創新公司科威(Cove)宣布計劃在年內推出首個完全由生物降解材料PHA制成的水瓶，該產品可能會是市面上第一批量產的PHA水瓶。
6月，彩虹糖制造商瑪氏箭牌宣布將和Danimer Scientific合作，于今年年底或2022年初開始，在美國推出全生物降解的PHA包裝。該包裝將采用油菜籽和大豆等植物種子提煉制成NodaxPHA聚羥基脂肪酸酯可降解材料。
此外，PHA農膜已在華北、西北、東北區域的多個省份應用于大蒜、棉花、花生、藍莓、冰菜、旱作水稻等作物，推廣面積近3500畝。
盡管我國在PHA研究方面介入較早，處于世界先進水平，但目前僅有為數不多的幾家企業擁有完整PHA生產鏈。由于成本高、產量小，PHA一直未能得到規模化應用，在可降解塑料市場中占有率僅為2%，暫時主要用于醫療器械等高附加值領域。
我國PHA產能情況 kt/年
下一代工業生物技術使PHA生產成本下降30%以上
據了解，造成PHA生產成本高的因素主要有三方面：原料成本較高、設備運行成本較高(生物反應的時間較長，需要密閉環境并嚴格控制溫度、pH值等，還需要防止雜菌生長)以及產物純化成本較高。當前，迫切需要利用合成生物學技術改造菌株，使PHA能與其他可降解塑料，甚至是石油基材料(塑料)在成本上能競爭。
清華大學教授陳國強團隊針對PHA制造成本居高不下的問題，于2006年開始研究基于嗜鹽菌的整套PHA生產技術和工藝——“下一代工業生物技術”，解決了發酵生產中高耗能、易染菌、過程復雜、產物難提取、生產成本高等難題，并已成功應用于生物可降解塑料PHA的工業化生產，使發酵產品成本降低30%以上。
下一代工業生物技術低成本生產PHA示意圖
未來5年占比將由2%提高至11.5%
陳國強教授表示，隨著PLA、PBAT、PBS、PPC和淀粉基材料等的大力發展，PHA必然被帶動。相對于其他綠色材料，PHA的降價空間和性能可調都為最大，降低PHA生產的復雜程度和制造成本，將帶來PHA發展的黃金時代。
另據European bioplastic conference數據統計顯示，2020年PHA在全球生物塑料產能中占比不超過2%，而到2025年PHA生物塑料占比將上漲至11.5%，與PBAT、PLA的使用量相接近。
當前，PHA和相關技術正在形成一個從發酵、材料、能源到醫學領域的工業價值鏈。未來，隨著成本的進一步降低以及高附加值應用的開發，PHA必將成為一種成本可被市場接受的多應用領域生物材料，成為可降解材料未來的主要發展方向之一。
