寻找嗜盐菌——产学协力攻关高分子材料

admin 2022-03-25 新闻资讯 54

寻找嗜盐菌——产学协力攻关高分子材料

经济观察报 记者 李靖恒 微小的细菌能做什么?不同的人会有不同的答案,但对清华大学生命科学学院教授陈国强来说,利用合适的细菌可以开发下一代生物工业技术,并且给高分子材料产业带来变革。

那么,高分子材料又是什么呢?近期,香港中文大学(深圳)副校长、加拿大工程院院士朱世平在“先进高分子材料开发及产业化前景”演讲报告中介绍,高分子是由成千上万小分子用共价键链接在一起的大分子,也就是分子链。

“高分子材料随处可见,我们人体里面有很多的高分子材料,像DNA、核酸、蛋白质、淀粉、纤维素、木质素,这些都是高分子。你在这个会议室里看到的东西,目之所及大多是高分子材料做的,外面看到的树也是,除了水,主要是纤维素和木质素,都是高分子材料。”朱世平说。

塑料也是典型的高分子材料,比如PE(聚乙烯),PP(聚丙烯)等等。不过,据朱世平了解,现在国内的PP普通料严重过剩,但是医用的都靠进口,而POE(聚烯烃弹性体)基本上全靠进口。他认为,“我们中低端产品的产能是够的,国内市场大,做的人也多,产业链都是完善的,但是高端产品奇缺。”

不过,在高端高分子材料领域,目前也有一些企业在尝试改变目前的局面。例如,珠海麦得发生物科技股份有限公司目前正在研发生产的PHA(聚羟基脂肪酸酯)具有比传统塑料更好的性能,被认为是是PE、PP等化学塑料的优质替代品。

麦得发公司的业务经理周贤有在接受记者采访时表示,诸如PE、PP等塑料产品都是石油基材料,是不可再生的,也无法降解。这些材料直接从石油中提取,所以过程相对来说比较简单。而PHA具有生物降解性,可以替代这些塑料材料。

周贤有告诉记者,麦得发目前的PHA材料生产技术来源于陈国强教授。而麦得发则是几位以陈国强为首的在奥地利留学的归国博士创立,该公司位于粤港澳大湾区的横琴粤澳深度合作区。

高分子材料的进阶

朱世平表示,高分子材料产品高端化最主要的是高分子链的精确设计与生产:“高分子难就难在‘太复杂’,高分子美就美在‘太复杂’,分子量大大小小,单体组合排列无限可能,配方和工艺一个小小变化可以做出性能完全不同的材料,但挑战就是机会。”

朱世平以乙烯聚合为例,介绍了高分子材料的开发,POE(聚烯烃弹性体)的原料就是乙烯,先把乙烯做成丁烯、己烯、辛烯,“特别是八个碳的辛烯,咱们还没有,高端聚烯烃材料就玩不出来了,只有有了辛烯,再与乙烯精确地排列组合,才能有高端聚烯烃产品。还有诸如特种胶黏剂、智能织物、多级孔材料、聚酰亚胺、共聚单体进料等等例子。”

周贤有向记者表示,在高分子材料领域里,陈国强在PHA材料研发应用方面在全球应该是前列的。现在国内、国外有很多相关应用都离不开陈国强的专利,他发表的学术文章引用次数也非常高。

与普通的聚乙烯塑料不同的是,PHA是由微生物利用多种碳源发酵产生的高分子聚酯。其具有良好的生物相容性、生物可降解性和热加工性能,可以被应用于生物医学材料和可降解塑料的生产。

“这个材料的用途比较广泛,医用级的可以作为人体的血管夹、支架、膜等等。之所以能用于医用,是因为我们这个材料是生物基发酵而来的,它是可降解的,在人体内3到6个月就降解掉了。而且,它甚至还可以用于制作功能性饮料。”周贤有告诉记者。

根据麦德发公司网站上的PHA研究介绍,到目前为止,PHA材料已被用于组织工程,植入材料,药物缓释,医疗保健等多个领域的研究中。比如,在陈国强开展的一项有关体内降解的动物实验中,PHA家族中的一种微生物材料—PHBHHx(3-羟基丁酸与3-羟基己酸的共聚酯),通过皮下植入体内,6个月后,与传统植入材料PLA(聚乳酸)、PHB(聚苯酯)相比,只有它保持了原型。也只有这种材料的的组织相容性最好,接触面没有炎症。在有关软骨修复材料的动物实验中,PHBHHx多孔支架植入动物体内软骨破损处,16周后,科研人员观察到,破损软骨完全长好。并且,这种材料80%的分子量在植入修复软骨的过程中降解。

周贤有进一步对记者表示:“生物降解材料在国外现在特别多,因为很多地方他们要求必须使用可降解的塑料材料,国内还在推广阶段,现在的客户还不是特别多。不过现在很多城市也开始要求不能使用不可降解的塑料。”

近年来,塑料用品的可降解性在化工企业生产中越来越重要。许多地区都出台了相应的“禁塑令”。例如,根据《海南经济特区禁止一次性不可降解塑料制品规定》,从去年年底起,海南开始全面禁止使用一次性不可降解塑料制品。

据周贤有介绍,现在应用比较广泛的可降解性塑料是 PLA(聚乳酸)。这种塑料使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。不过目前很多可降解的材料也有明显的缺点,比如密封性不好。而PHA的密封性就比较好,可以替代密封性要求比较高的塑料瓶。PLA其他方面的性能也远远比不上PHA。

PHA的疏水性、阻气性和可生物降解特性使其在包装(尤其是食品包装)和一次性消费品方面比传统塑料更具吸引力。此外,陈国强团队的研究发现,PHA还具有材料多变性、非线性光学性能、压电性能、热塑性等性能,使其在化工、医药、农业、生物能源等诸多领域都具有很大的应用前景。

重要的是生产工艺

朱世平在上述报告中还强调,高分子材料是“过程”的产品,产品质量不仅仅取决于配方,更取决于工艺。“我们吃了很多亏,经常讲去买一个配方,或者说我手头有一个配方,听起来好象解放全人类了。但那才是万里长征前几步,真正做起来是工艺。国内对配方研发很重视,对生产工艺不够重视。”他说。

朱世平以聚酰亚胺(PI)为例说明了生产工艺的重要性。聚酰亚胺是一种极其重要的材料,被称为黄金高分子产品,目前只有极少数国家能生产。它的性能很好,优良的高低温性能,耐化学腐蚀、耐辐射,高强高模等。聚酰亚胺有很多用途,比如汽车零部件和机电器件行业、电气绝缘行业、柔性显示和柔性太阳能电池行业等。

“国外对聚酰亚胺的研究时间早,产品质量好,基本垄断市场。目前,杜邦、东丽、钟渊和宇部4家国外企业占据了全球聚酰亚胺市场销售总额的70%左右。单独一家外企的产能基本上就能够达到我国产能之和。反观国内,研究起步晚,正处于模仿国外研发的阶段。国内的聚酰亚胺生产企业产能低,产品质量参差不齐,利润空间小。无法生产无色透明聚酰亚胺薄膜,以及耐高温高频绝缘热塑性聚酰亚胺模塑料。”朱世平表示。

周贤有也告诉记者,麦得发公司之所以能在PHA的研发生产上取得成果也是得益于在生产工艺上的突破。很多公司之前也在研发生产PHA,但产量一直提不上来,包括国外企业的产量也不多。而陈国强团队则开发出了能快速提高产量的生产工艺。

陈国强在自己的研究经历中发现,在高分子材料的生产过程中,生物基培养和普通化学合成非常不一样。在进行化学合成高分子材料的过程中,因为它是高温,有时候是高压的条件,有时候是有机溶剂,所以它没有一个染菌的过程,不需要担心有什么外部微生物会跑进来竞争底物或营养。所以,化学合成这个过程是非常高效的,而且可以做到产物浓度非常高,这是微生物所无法做到的。在陈国强十几年的研究生涯中,他一直在想一个方法:怎么样让生物合成像化工合成那么有效。

目前用于PHA生产的工业生物技术包括几个主要步骤:菌株开发、摇瓶优化、实验室发酵罐预发酵,以及工业规模放大。周贤有表示,首先菌种的选择就非常关键。很多菌种其实都可以做出PHA来的,但是那些菌体是比较难发酵的,因为其发酵过程必须要防止其他细菌的污染。其实一九六几年的时候美国那边就开始做这种材料,但到目前的产能都上不来,就是因为细菌发酵的产量不多。

据悉,多种不同的菌种都可以用于生产不同链长的PHA,工程化的大肠杆菌也常用于几种PHA的生产。尽管已经成功地进行了工业规模生产,但这些菌株在发酵后仍需要彻底灭菌以杜绝污染。据周贤有介绍,之前其他的公司生产PHA,做完一批之后,要杀菌消毒,然后才能做下一批。灭菌消毒其实也比较复杂,是很耗人力财力时间的一个环节,这也是制约PHA产量的一个重要因素之一。

寻找顽强“嗜盐菌”

经过探寻,陈国强团队找到了一种很好的细菌,该种细菌是他们在新疆的艾丁湖发现的。艾丁湖位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市高昌区,是吐鲁番盆地的最低处,也是中国陆地的最低点。这一地区也是世界上最酷热、干燥的地区之一,年降水量不到20毫米,蒸发量大于降水量好几千倍,年平均气温14℃,极端高温达到48℃,地表温度超过80℃。2011年7月14日,艾丁湖区域自动气象站最高气温50.2℃,这是中国陆地首次观测到的超过50℃的记录,成为全国最热的地方。

而陈国强团队发现的细菌能够在几乎没有水的情况下,在盐的浓度超过200克/升、昼夜极端温差接近100度的环境下生存。陈国强他们在艾丁湖里采了很多土样,分离出了一些生命力非常顽强的微生物。

经过筛选,陈国强团队获得了两株具有高度适应性的耐盐细菌——野生 HalomonasTD和LS21。这类细菌被称为“嗜盐菌”,它们的生长不受周围任何其他微生物的影响,一般的细菌也无法在高盐度的环境中生存。利用这些来源于艾丁湖的顽强嗜盐微生物,陈国强团队开始开发下一代工业生物技术。

陈国强团队发现,这两株耐盐细菌都能产生PHA。并且,HalomonasTD的操作不需要在无菌条件下进行。因为本身高盐、高碱的特性,让它不易被其他细菌污染,可实现无灭菌发酵,并且还可以连续培养,这意味着生产制造成本将大大降低。而且,因为这些细菌能在海水中快速生长,还解决了现有生物制造需要大量耗费淡水的缺点。

周贤有对记者表示,这种新技术可以连续一批一批地生产PHA,所以产能一下子就提升上来。“可以连续性地生产,我们就把本来复杂化的过程给简单化了。之前的公司做这种发酵都是需要博士硕士去操控这个过程的,但我们工厂普通工人都可以做这个工序了。”

今年8月份,麦德发控股子公司广东荷风生物科技有限公司完成了千吨级PHA生产线的建设,并且开始投产。周贤有告诉记者,目前公司还在扩产中,力图以后的产量能达到万吨级。“如果能达到每年1万吨产能的话,在全球的产量都属于前列的。通过陈国强教授的核心技术,我们的工艺得到了一个质的飞跃,所以才能达到这个目标。”

周贤有进一步表示,PHA之前由于产量不大,所以普及程度不高。目前相对普及的PLA材料不同质量的产品价格一般在每吨2万元到5万元之间,而每吨PHA的价格预计在明后年会达到6万元。如果产能进一步上升到上万吨的话,PHA的价格有望能降到3万元一吨,届时普及程度也会有所提升。

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