經濟觀察報 記者 李靖恆 微小的細菌能做什麼？不同的人會有不同的答案，但對清華大學生命科學學院教授陳國強來說，利用合適的細菌可以開發下一代生物工業技術，並且給高分子材料產業帶來變革。
那麼，高分子材料又是什麼呢？近期，香港中文大學（深圳）副校長、加拿大工程院院士朱世平在“先進高分子材料開發及產業化前景”演講報告中介紹，高分子是由成千上萬小分子用共價鍵連結在一起的大分子，也就是分子鏈。
“高分子材料隨處可見，我們人體裡面有很多的高分子材料，像DNA、核酸、蛋白質、澱粉、纖維素、木質素，這些都是高分子。你在這個會議室裡看到的東西，目之所及大多是高分子材料做的，外面看到的樹也是，除了水，主要是纖維素和木質素，都是高分子材料。”朱世平說。
塑膠也是典型的高分子材料，比如PE（聚乙烯），PP（聚丙烯）等等。不過，據朱世平了解，現在國內的PP普通料嚴重過剩，但是醫用的都靠進口，而POE（聚烯烴彈性體）基本上全靠進口。他認為，“我們中低端產品的產能是夠的，國內市場大，做的人也多，產業鏈都是完善的，但是高階產品奇缺。”
不過，在高階高分子材料領域，目前也有一些企業在嘗試改變目前的局面。例如，珠海麥得發生物科技股份有限公司目前正在研發生產的PHA（聚羥基脂肪酸酯）具有比傳統塑膠更好的效能，被認為是是PE、PP等化學塑膠的優質替代品。
麥得發公司的業務經理周賢有在接受記者採訪時表示，諸如PE、PP等塑膠產品都是石油基材料，是不可再生的，也無法降解。這些材料直接從石油中提取，所以過程相對來說比較簡單。而PHA具有生物降解性，可以替代這些塑膠材料。
周賢有告訴記者，麥得發目前的PHA材料生產技術來源於陳國強教授。而麥得發則是幾位以陳國強為首的在奧地利留學的歸國博士創立，該公司位於粵港澳大灣區的橫琴粵澳深度合作區。
高分子材料的進階
朱世平表示，高分子材料產品高階化最主要的是高分子鏈的精確設計與生產：“高分子難就難在‘太複雜’，高分子美就美在‘太複雜’，分子量大大小小，單體組合排列無限可能，配方和工藝一個小小變化可以做出效能完全不同的材料，但挑戰就是機會。”
朱世平以乙烯聚合為例，介紹了高分子材料的開發，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，“特別是八個碳的辛烯，咱們還沒有，高階聚烯烴材料就玩不出來了，只有有了辛烯，再與乙烯精確地排列組合，才能有高階聚烯烴產品。還有諸如特種膠黏劑、智慧織物、多級孔材料、聚醯亞胺、共聚單體進料等等例子。”
周賢有向記者表示，在高分子材料領域裡，陳國強在PHA材料研發應用方面在全球應該是前列的。現在國內、國外有很多相關應用都離不開陳國強的專利，他發表的學術文章引用次數也非常高。
與普通的聚乙烯塑膠不同的是，PHA是由微生物利用多種碳源發酵產生的高分子聚酯。其具有良好的生物相容性、生物可降解性和熱加工效能，可以被應用於生物醫學材料和可降解塑膠的生產。
“這個材料的用途比較廣泛，醫用級的可以作為人體的血管夾、支架、膜等等。之所以能用於醫用，是因為我們這個材料是生物基發酵而來的，它是可降解的，在人體內3到6個月就降解掉了。而且，它甚至還可以用於製作功能性飲料。”周賢有告訴記者。
根據麥德發公司網站上的PHA研究介紹，到目前為止，PHA材料已被用於組織工程，植入材料，藥物緩釋，醫療保健等多個領域的研究中。比如，在陳國強開展的一項有關體內降解的動物實驗中，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），透過皮下植入體內，6個月後，與傳統植入材料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，接觸面沒有炎症。在有關軟骨修復材料的動物實驗中，PHBHHx多孔支架植入動物體內軟骨破損處，16周後，科研人員觀察到，破損軟骨完全長好。並且，這種材料80%的分子量在植入修復軟骨的過程中降解。
周賢有進一步對記者表示：“生物降解材料在國外現在特別多，因為很多地方他們要求必須使用可降解的塑膠材料，國內還在推廣階段，現在的客戶還不是特別多。不過現在很多城市也開始要求不能使用不可降解的塑膠。”
近年來，塑膠用品的可降解性在化工企業生產中越來越重要。許多地區都出臺了相應的“禁塑令”。例如，根據《海南經濟特區禁止一次性不可降解塑膠製品規定》，從去年年底起，海南開始全面禁止使用一次性不可降解塑膠製品。
據周賢有介紹，現在應用比較廣泛的可降解性塑膠是 PLA(聚乳酸)。這種塑膠使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的澱粉原料製成。不過目前很多可降解的材料也有明顯的缺點，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膠瓶。PLA其他方面的效能也遠遠比不上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）和一次性消費品方面比傳統塑膠更具吸引力。此外，陳國強團隊的研究發現，PHA還具有材料多變性、非線性光學效能、壓電效能、熱塑性等效能，使其在化工、醫藥、農業、生物能源等諸多領域都具有很大的應用前景。
重要的是生產工藝
朱世平在上述報告中還強調，高分子材料是“過程”的產品，產品質量不僅僅取決於配方，更取決於工藝。“我們吃了很多虧，經常講去買一個配方，或者說我手頭有一個配方，聽起來好象解放全人類了。但那才是萬里長征前幾步，真正做起來是工藝。國內對配方研發很重視，對生產工藝不夠重視。”他說。
朱世平以聚醯亞胺（PI）為例說明了生產工藝的重要性。聚醯亞胺是一種極其重要的材料，被稱為黃金高分子產品，目前只有極少數國家能生產。它的效能很好，優良的高低溫效能，耐化學腐蝕、耐輻射，高強高模等。聚醯亞胺有很多用途，比如汽車零部件和機電器件行業、電氣絕緣行業、柔性顯示和柔性太陽能電池行業等。
“國外對聚醯亞胺的研究時間早，產品質量好，基本壟斷市場。目前，杜邦、東麗、鍾淵和宇部4家國外企業佔據了全球聚醯亞胺市場銷售總額的70%左右。單獨一家外企的產能基本上就能夠達到我國產能之和。反觀國內，研究起步晚，正處於模仿國外研發的階段。國內的聚醯亞胺生產企業產能低，產品質量參差不齊，利潤空間小。無法生產無色透明聚醯亞胺薄膜，以及耐高溫高頻絕緣熱塑性聚醯亞胺模塑膠。”朱世平表示。
周賢有也告訴記者，麥得發公司之所以能在PHA的研發生產上取得成果也是得益於在生產工藝上的突破。很多公司之前也在研發生產PHA，但產量一直提不上來，包括國外企業的產量也不多。而陳國強團隊則開發出了能快速提高產量的生產工藝。
陳國強在自己的研究經歷中發現，在高分子材料的生產過程中，生物基培養和普通化學合成非常不一樣。在進行化學合成高分子材料的過程中，因為它是高溫，有時候是高壓的條件，有時候是有機溶劑，所以它沒有一個染菌的過程，不需要擔心有什麼外部微生物會跑進來競爭底物或營養。所以，化學合成這個過程是非常高效的，而且可以做到產物濃度非常高，這是微生物所無法做到的。在陳國強十幾年的研究生涯中，他一直在想一個方法：怎麼樣讓生物合成像化工合成那麼有效。
目前用於PHA生產的工業生物技術包括幾個主要步驟：菌株開發、搖瓶最佳化、實驗室發酵罐預發酵，以及工業規模放大。周賢有表示，首先菌種的選擇就非常關鍵。很多菌種其實都可以做出PHA來的，但是那些菌體是比較難發酵的，因為其發酵過程必須要防止其他細菌的汙染。其實一九六幾年的時候美國那邊就開始做這種材料，但到目前的產能都上不來，就是因為細菌發酵的產量不多。
據悉，多種不同的菌種都可以用於生產不同鏈長的PHA，工程化的大腸桿菌也常用於幾種PHA的生產。儘管已經成功地進行了工業規模生產，但這些菌株在發酵後仍需要徹底滅菌以杜絕汙染。據周賢有介紹，之前其他的公司生產PHA，做完一批之後，要殺菌消毒，然後才能做下一批。滅菌消毒其實也比較複雜，是很耗人力財力時間的一個環節，這也是制約PHA產量的一個重要因素之一。
尋找頑強“嗜鹽菌”
經過探尋，陳國強團隊找到了一種很好的細菌，該種細菌是他們在新疆的艾丁湖發現的。艾丁湖位於新疆維吾爾自治區吐魯番市高昌區，是吐魯番盆地的最低處，也是中國陸地的最低點。這一地區也是世界上最酷熱、乾燥的地區之一，年降水量不到20毫米，蒸發量大於降水量好幾千倍，年平均氣溫14℃，極端高溫達到48℃，地表溫度超過80℃。2011年7月14日，艾丁湖區域自動氣象站最高氣溫50.2℃，這是中國陸地首次觀測到的超過50℃的記錄，成為全國最熱的地方。
而陳國強團隊發現的細菌能夠在幾乎沒有水的情況下，在鹽的濃度超過200克/升、晝夜極端溫差接近100度的環境下生存。陳國強他們在艾丁湖裡採了很多土樣，分離出了一些生命力非常頑強的微生物。
經過篩選，陳國強團隊獲得了兩株具有高度適應性的耐鹽細菌——野生 HalomonasTD和LS21。這類細菌被稱為“嗜鹽菌”，它們的生長不受周圍任何其他微生物的影響，一般的細菌也無法在高鹽度的環境中生存。利用這些來源於艾丁湖的頑強嗜鹽微生物，陳國強團隊開始開發下一代工業生物技術。
陳國強團隊發現，這兩株耐鹽細菌都能產生PHA。並且，HalomonasTD的操作不需要在無菌條件下進行。因為本身高鹽、高鹼的特性，讓它不易被其他細菌汙染，可實現無滅菌發酵，並且還可以連續培養，這意味著生產製造成本將大大降低。而且，因為這些細菌能在海水中快速生長，還解決了現有生物製造需要大量耗費淡水的缺點。
周賢有對記者表示，這種新技術可以連續一批一批地生產PHA，所以產能一下子就提升上來。“可以連續性地生產，我們就把本來複雜化的過程給簡單化了。之前的公司做這種發酵都是需要博士碩士去操控這個過程的，但我們工廠普通工人都可以做這個工序了。”
今年8月份，麥德發控股子公司廣東荷風生物科技有限公司完成了千噸級PHA生產線的建設，並且開始投產。周賢有告訴記者，目前公司還在擴產中，力圖以後的產量能達到萬噸級。“如果能達到每年1萬噸產能的話，在全球的產量都屬於前列的。透過陳國強教授的核心技術，我們的工藝得到了一個質的飛躍，所以才能達到這個目標。”
周賢有進一步表示，PHA之前由於產量不大，所以普及程度不高。目前相對普及的PLA材料不同質量的產品價格一般在每噸2萬元到5萬元之間，而每噸PHA的價格預計在明後年會達到6萬元。如果產能進一步上升到上萬噸的話，PHA的價格有望能降到3萬元一噸，屆時普及程度也會有所提升。
