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產(chǎn)學(xué)研聚焦生物制造關(guān)鍵共性“卡脖子”技術(shù)：合成生物可降解塑料迎放量突破窗口期
“未來生物經(jīng)濟(jì)的價(jià)值將會日益凸顯。而在生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，創(chuàng)新起著越來越重要的作用，因此連接產(chǎn)業(yè)和科研機(jī)構(gòu)是非常重要的一件事。當(dāng)下我們應(yīng)該瞄準(zhǔn)國家重大戰(zhàn)略需求，盡快開展高水平的科研，加快科研成果轉(zhuǎn)化，提升我國生物制造的全球競爭力。希望聯(lián)盟能夠在產(chǎn)學(xué)研融合方面加快協(xié)同，為中國生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。”在近日舉行的“合成生物技術(shù)與智能生物制造創(chuàng)新聯(lián)盟”成立儀式上，中國工程院院士、北京化工大學(xué)校長譚天偉指出。
據(jù)了解，聯(lián)盟由8所國內(nèi)高校和研究院所的16個(gè)研究團(tuán)隊(duì)與16家合成生物產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)聯(lián)合發(fā)起成立，這也是國內(nèi)首個(gè)集產(chǎn)學(xué)研為一體、打通合成生物技術(shù)研發(fā)和智能生物制造的創(chuàng)新聯(lián)盟。清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國強(qiáng)教授指出，合成生物是一個(gè)多學(xué)科交叉領(lǐng)域，需要加快提升生物技術(shù)的創(chuàng)新能力，加強(qiáng)原創(chuàng)性、引領(lǐng)性基礎(chǔ)研究，促進(jìn)研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)加強(qiáng)供需協(xié)同，釋放創(chuàng)新活力，該創(chuàng)新聯(lián)盟的成立將進(jìn)一步暢通高?？蒲性核推髽I(yè)的深度合作，推動(dòng)資源的共享和協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)合成生物學(xué)和智能生物制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
近年來“合成生物技術(shù)”賽道火熱，如華熙生物在年報(bào)稱，將堅(jiān)定地布局合成生物學(xué)賽道；合成生物企業(yè)微構(gòu)工場不久前完成3.59億元A+輪融資，該企業(yè)曾在2022年1月完成2.5億元A輪融資，2021年7月完成5000萬元天使輪融資，三年三輪累計(jì)融資額近7億元。
其中，利用合成生物學(xué)技術(shù)的PHA（聚羥基脂肪酸酯）生物可降解塑料領(lǐng)域也開始得到越來越多的關(guān)注。據(jù)了解，PHA是生物可降解材料的一種，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能夠在有氧和無氧條件下實(shí)現(xiàn)生物降解。由于其具有類似塑料的性能，工業(yè)上可以采用微生物批量生產(chǎn)這種聚合物，并以此替代傳統(tǒng)塑料。目前，PHA被認(rèn)為是極具前景的生物可降解材料之一，是應(yīng)對白色污染的利器。
聚焦關(guān)鍵共性“卡脖子”技術(shù)
據(jù)天津大學(xué)化工學(xué)院李炳志教授介紹，合成生物學(xué)是在工程學(xué)思想指導(dǎo)下，對生物系統(tǒng)進(jìn)行有目標(biāo)的理性設(shè)計(jì)、改造甚至重新合成具有非自然功能的生命體，既可以通過設(shè)計(jì)合成探索生命組成和調(diào)控規(guī)律，也可以設(shè)計(jì)和改造人工生物系統(tǒng)以滿足社會發(fā)展重大需求。
合成生物技術(shù)可以用于藥物生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷和治療方法開發(fā)等，材料化工也是合成生物技術(shù)應(yīng)用較多的領(lǐng)域，合成生物技術(shù)通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造生物路線對化學(xué)路線的逐步替代，具有更加高效、綠色、低能耗的優(yōu)勢。
不論國際市場還是國內(nèi)市場，合成生物產(chǎn)業(yè)均在快速發(fā)展。根據(jù)Reportlinker發(fā)布的《2022年合成生物學(xué)全球市場報(bào)告》，截至2021年底，合成生物學(xué)全球市場規(guī)模為100.7億美元，預(yù)計(jì)2022年將以30.2%的年增速增至131.1億美元。
《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出，要加快推進(jìn)生物科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，重點(diǎn)發(fā)展生物醫(yī)藥、生物育種、生物材料、生物能源等領(lǐng)域，做大做強(qiáng)生物經(jīng)濟(jì)。力爭到2025年，我國生物經(jīng)濟(jì)總量達(dá)到22萬億元。其中合成生物學(xué)和生物制造作為生物經(jīng)濟(jì)的重要底層技術(shù)，將發(fā)揮關(guān)鍵性的推動(dòng)作用。
合成生物學(xué)在我國雖起步較晚，但發(fā)展迅速。據(jù)弗若斯特沙利文報(bào)告數(shù)據(jù)，2021年中國合成生物學(xué)市場規(guī)模約為64.16億美元，較2020年增長39.38億美元。
另外據(jù)國際頂尖的合成生物學(xué)“社區(qū)”SynBioBeta統(tǒng)計(jì)，2018-2022年中國合成生物學(xué)一級市場共完成1039個(gè)投融資事件?？苿?chuàng)大數(shù)據(jù)分析平臺睿獸分析的數(shù)據(jù)顯示，2021年至今，國內(nèi)已有92家合成生物學(xué)賽道公司獲得融資，融資總額達(dá)289.78億元。
隨著今年2月微構(gòu)工場完成3.59億元A+輪融資，利用合成生物學(xué)的PHA市場關(guān)注度開始增加，而且值得注意的是，2022年11月，義翹神州曾發(fā)布公告稱出資5000萬元認(rèn)購微構(gòu)工場2.55%股權(quán)，關(guān)聯(lián)方拉薩愛力克投資咨詢有限公司出資4500萬元認(rèn)購微構(gòu)工場2.3%股權(quán)，合計(jì)收購該公司4.85%股權(quán)。
此次創(chuàng)新聯(lián)盟的成立也是為了集聚合成生物學(xué)與智能生物制造領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用優(yōu)勢資源，面向醫(yī)療醫(yī)藥、化學(xué)品、生物材料、生物能源、農(nóng)業(yè)和食品等領(lǐng)域，聚焦關(guān)鍵共性“卡脖子”技術(shù)，瞄準(zhǔn)重大需求，聚焦高精尖合成生物學(xué)領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)突破,研發(fā)具有先發(fā)優(yōu)勢的關(guān)鍵技術(shù)、引領(lǐng)未來發(fā)展的基礎(chǔ)前沿技術(shù)，以提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全為目標(biāo)，以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新、產(chǎn)出重大科技成果、創(chuàng)制高價(jià)值專利和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為任務(wù)，組織開展協(xié)同攻關(guān)。最終推動(dòng)合成生物學(xué)與智能生物制造產(chǎn)業(yè)升級，實(shí)現(xiàn)生物經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。
據(jù)了解，其首批次重點(diǎn)攻關(guān)的內(nèi)容包括：開發(fā)新型數(shù)字化、智能化細(xì)胞工廠；開發(fā)經(jīng)典細(xì)胞工廠高效高產(chǎn)化編輯改造技術(shù)；構(gòu)建非糧原料基礎(chǔ)代謝模型，建立新型原料生物制造技術(shù)路線；開發(fā)RNA工藝路徑使用的關(guān)鍵酶；搭建全細(xì)胞生物催化制備特種化學(xué)品和手性醫(yī)藥中間體平臺；搭建RNA藥物設(shè)計(jì)平臺；建立代謝分子動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)平臺；打造微反應(yīng)器連續(xù)化生物催化新工藝；打造基于人工智能的發(fā)酵過程控制技術(shù)；探索產(chǎn)學(xué)研深度融合發(fā)展新范式；探索加快成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用的新機(jī)制；搭建企業(yè)交流互助資源共享平臺；搭建產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展平臺；探索促進(jìn)生物制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的新路徑。
陳國強(qiáng)教授也指出，合成生物是一個(gè)多學(xué)科交叉領(lǐng)域，需要加快提升生物技術(shù)的創(chuàng)新能力，加強(qiáng)原創(chuàng)性、引領(lǐng)性基礎(chǔ)研究，促進(jìn)研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)加強(qiáng)供需協(xié)同，釋放創(chuàng)新活力。相信創(chuàng)新聯(lián)盟的成立，將進(jìn)一步暢通高?？蒲性核推髽I(yè)的深度合作，推動(dòng)資源的共享和協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)合成生物學(xué)和智能生物制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
600億市場規(guī)模量產(chǎn)系競爭關(guān)鍵
在合成生物市場中，利用合成生物學(xué)技術(shù)的PHA（聚羥基脂肪酸酯）生物可降解塑料領(lǐng)域也開始得到越來越多的關(guān)注。
據(jù)了解，PHA是生物可降解材料的一種，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能夠在有氧和無氧條件下實(shí)現(xiàn)生物降解。由于其具有類似塑料的性能，工業(yè)上可以采用微生物批量生產(chǎn)這種聚合物，并以此替代傳統(tǒng)塑料。目前，PHA被認(rèn)為是極具前景的生物可降解材料之一，是應(yīng)對白色污染的利器。
根據(jù)普華永道發(fā)布的《PHA生物可降解塑料產(chǎn)業(yè)白皮書》，PHA優(yōu)秀的降解與物理性能、日漸成熟的生產(chǎn)技術(shù)，不斷擴(kuò)大的市場規(guī)模等，都為PHA的成長提供強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力，使其成為最具成長潛力的生物可降解材料。預(yù)計(jì)在未來3-5年內(nèi)，PHA市場規(guī)模將達(dá)到629億人民幣，主要市場集中在不便于回收的強(qiáng)需求場景，如一次性包裝材料、一次性餐飲具等。
而碳中和、能源轉(zhuǎn)型以及環(huán)保領(lǐng)域的各項(xiàng)政策，或許是這一市場蓬勃發(fā)展的重要因素。
山西證券研報(bào)分析，隨著國內(nèi)外政策逐步出臺、落地，生物可降解塑料前景廣闊。據(jù)梳理，近年來，我國塑料污染治理頂層設(shè)計(jì)不斷完善，2020年1月19日，根據(jù)國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》(業(yè)內(nèi)又稱新“限塑令”)，按照2020年、2022年、2025年三個(gè)時(shí)間段，分步驟、分領(lǐng)域，積極穩(wěn)妥推進(jìn)塑料污染治理整體工作，在部分地區(qū)、部分領(lǐng)域禁止或限制部分塑料制品生產(chǎn)、銷售和使用。
在相關(guān)政策的推動(dòng)下，可降解塑料替代率快速上升，市場需求量呈快速增長趨勢。目前國內(nèi)的PLA、PBAT已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用，并且還有大批生產(chǎn)線正在建設(shè)或計(jì)劃建設(shè)中，PHA、PCL、PPC等生物降解塑料的產(chǎn)能、應(yīng)用量和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。
按照原料來源分類，生物可降解塑料可分為石油基和生物基，石油基可降解塑料主要包括PBAT、PBS、PCL，生物基可降解塑料主要包括PLA、PHA。
微構(gòu)工場董事長徐絢明向21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道介紹，PHA與傳統(tǒng)塑料不同之處在于其屬于全生物基，有很好的可降解性。“傳統(tǒng)的塑料如聚乙烯的漁線在海洋里面可能需要上百年降解，但同樣的PHA制品如PHA袋子、礦泉水瓶，大概只需三個(gè)月到三年的時(shí)間。”未來PHA材料有望應(yīng)用在高附加值領(lǐng)域，如醫(yī)療手術(shù)縫線、人工心臟瓣膜、人工骨釘、人體緩釋微球等。
徐絢明表示，其實(shí)合成生物整體競爭壁壘較高，例如菌株的提取、開發(fā)和優(yōu)化，需要數(shù)百個(gè)博士生的研究團(tuán)隊(duì)花費(fèi)10年以上時(shí)間，最終才能完成對應(yīng)體系的建立。“自然環(huán)境中微生物差別非常大，每一個(gè)底盤細(xì)胞可能都需要有一套對應(yīng)的體系，同時(shí)優(yōu)化菌株性能、開發(fā)合成生物學(xué)調(diào)控工具、優(yōu)化產(chǎn)品代謝通路、調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)等，都需要花費(fèi)大量時(shí)間精力，一步步累積和推進(jìn)。”
除了存在較高技術(shù)壁壘，從同業(yè)競爭情況來看，上述白皮書還顯示，從現(xiàn)在起到2027年，是PHA行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)發(fā)展自身技術(shù)、實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，擴(kuò)大與競爭對手差距的重要窗口期。
此情況下，領(lǐng)先企業(yè)應(yīng)重點(diǎn)構(gòu)建四項(xiàng)競爭力，包括通過菌株研發(fā)工藝優(yōu)化，提高原料利用率、降低生產(chǎn)成本等；具備資金優(yōu)勢和組織能力，快速大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)；完成產(chǎn)業(yè)鏈向上游的延伸；以及拓展PHA下游應(yīng)用，探索材料的多樣性。
值得關(guān)注的是，規(guī)模量產(chǎn)似乎是PHA領(lǐng)域競爭的關(guān)鍵問題。目前由于PHA發(fā)展階段較短，PHA行業(yè)處于產(chǎn)業(yè)化初期，供給量有限，因此價(jià)格相比PLA、PBAT較高。如果未來能通過大規(guī)模制造來降低成本，令普及率變高，將對于解決白色污染起到很大的推動(dòng)作用。
據(jù)陳國強(qiáng)分析，在學(xué)術(shù)界，很多突破是在上游，例如菌種設(shè)計(jì)和篩選，而對于發(fā)酵工藝環(huán)節(jié)沒有獲得足夠重視。不管終端產(chǎn)品是化工品、藥物、還是護(hù)膚品，最終都需要通過發(fā)酵來大規(guī)模制造，這就導(dǎo)致在大規(guī)模制造的過程中會遇到工藝放大的問題。對于產(chǎn)業(yè)界來說，能否量產(chǎn)則決定“生死”。
作為生物基材料，PHA的制造過程和化工材料的制造過程截然不同。在化工工藝流程中，沒有無菌操作的概念，而無菌恰恰是生物合成最重要的生產(chǎn)條件，沒有無菌的操作環(huán)境，生物合成無從談起。
以往業(yè)界常用大腸桿菌、羅氏桿菌、芽孢桿菌等容易操作的底盤菌去制造PHA，但在工藝放大的過程中，往往會遇到染菌問題，污染整個(gè)體系，導(dǎo)致PHA轉(zhuǎn)化效率下降，甚至幾百噸發(fā)酵液成為廢水。
基于這樣苛刻的生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)PHA的工業(yè)大規(guī)模量產(chǎn)就必須要解決制造過程中絕對無菌這一難題，可以通過引入部分具有強(qiáng)大生命力的菌類來有效降低生產(chǎn)成本。微構(gòu)工場則是利用嗜鹽菌代替?zhèn)鹘y(tǒng)底盤細(xì)胞，可以在大規(guī)模發(fā)酵時(shí)不染菌，保證PHA的轉(zhuǎn)化效率，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)千噸PHA量產(chǎn)，并計(jì)劃建設(shè)3萬噸PHA產(chǎn)線。規(guī)模化生產(chǎn)問題一旦得到解決，PHA將擁有廣闊的應(yīng)用前景。
來源：21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道
作者：朱萍 武瑛港 皮光宇
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