凱賽生物劉修才:生物材料需要從原料可再生、產品可回收難題入手,做到成本可競爭

來源:生輝SciPhi作者: 凱賽生物日期: 2020-12-23點擊數:

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2020 年 12 月 19-20 日,由深圳市發展和改革委員會、深圳市光明區人民政府主辦,中國科學院深圳先進技術研究院、中國科學院深圳理工大學(籌)、深圳合成生物學創新研究院、DeepTech 生輝、深科(深圳)工程生物產業科技有限公司承辦,中國生物工程學會合成生物學專業委員會、中國醫藥生物技術協會合成生物技術分會、深圳市合成生物學協會協辦的 “光明科學城?2020 工程生物創新大會暨《麻省理工科技評論》中國生命科學創業大賽決賽” 在 “鵬城” 深圳光明區舉辦。

當日,凱賽生物董事長劉修才出席了本次會議,并在大會現場發表題目為《合成生物學與新材料》的演講。


以下是演講實錄整理:

大家早上好!謝謝大會和組織者的邀請,我今天和大家分享一下合成生物學與新材料的方法,講兩方面:一,合成生物學與新材料創新的關系;二,公司生物學及新材料研發產業化發展過程。

全球碳排放主要是來自于能源的消耗和材料的使用,全球每年消耗高分子材料大概 5 億噸,每噸材料釋放二氧化碳 8-9 噸,人類在高分子材料上面釋放的二氧化碳高達 40 億噸 - 50 億噸,這對地球環境問題、可持續發展問題帶來了很大的困擾。

2004 年美國能源部出臺了 12 個系列的基礎化工原料,可以用生物法替代,國際的化工企業、材料以及農業行業都試圖通過合成生物學方法制作基礎化工原材料。左下角是很多公司在不同材料方面作出的努力,我把努力的結果分成兩個階段,上面是早期的案例。

從 2006 年開始,其中的四個是上市公司,七個公司里面有 5 個公司破產了,剛剛介紹的青蒿素成為一個典型的案例,目前市值 7.7 個億,給我們樹立很好的榜樣,并受到了市場的廣泛支持。

前期很多企業做的努力給資本市場帶來了希望,盡管中間遇到了一些挫折,但很多企業仍在不停的努力,比如說 NatureWorks 已經做了將近 40 年的聚乳酸,去年終于有一家做香煙過濾嘴公司預定了 5 萬噸原料,中國很多基礎材料市場熱了起來。

近年來資本市場又開始關注生物方面。我來舉三個例子。

BEAM 公司上周的市值已經達到 45 億美金,人造肉 Beyond Meat 現在市值達到超過 86 億的美金,凱賽生物在合成生物領域的布局比前面公司要早,我從 1994 年回國創業,已經過去了 26 年??苿摪褰o了我們一個機會,讓我們沒有 “死” 掉。

最近合成生物學取得了快速的發展,我個人認為有兩個原因,第一,科學領域積極促進。深圳先進院合成生物研究所、天津工業微生物研究所都做了大量的工作,科學界的專業人士都做出了很多的努力。今年諾貝爾獎給了基因編輯,這給大家注射了一個 “興奮劑”。一些投資者,像 IT 行業的孫正義和比爾蓋茨等也把 IT 技術帶到了合成生物學,給資本市場帶來了很多的信心。第二,環境的壓力和政策的倒逼。2020 年 9 月,國家宣布,中國爭取到 2060 年實現碳中和。12 月 12 日,國家再次在氣候雄心峰會上針對這一目標進一步宣布了針對二氧化碳排放、非化石能源等方面的詳細指標。

歐盟在碳排放上面措施非常具體,3 月 11 日出的這份文件對產業界非常有價值,具體規定了對碳排放問題如何管理,這些具體的管理規定導致了傳統化工行業的市場的競爭力相對于生物制造行業逐漸減弱,給生物合成產業帶來了新機會。

回顧人類發展歷史,人類從石器時代、青銅器時代、鋼鐵時代走到今天,下一個階段是生物的時代。生物時代的到來一方面是滿足人類可持續發展的需求,更重要是,隨著生物技術不斷進步讓生物有能力去完成生產替代。替代主要聚焦在兩個方向,1)替代現有化工高分子材料的功能;2)從節能的角度替代無機材料功能。

擺在生物制造材料前面的有兩個難題需要被解決,我認為原料可再生、產品可回收是我們的挑戰,僅靠對環保有貢獻這一點對于合成生物來說是遠遠不夠的,最重要的是要做到成本可競爭,尤其是在和石油化工材料相競爭的時候,只有成本可競爭,生物材料才有機會。

首先,生物材料存在幾種選擇,一是目前的材料都是從石油化工作為原料制作所得,大多數這一類高分子材料并不是根據人類的需要制作的,而是為了給石化產品一個出路。真正功能性材料的生產體量始終不大。當然,人類也有了更多的選擇,其中最重要的是從合成生物學的角度,實現簡單替代或同類產品替代,生物法要做到性價比更高、可競爭性更強。

從材料概念到產品、市場,這一過程分成兩個大階段,第一,單體研究和產業化過程,產品直接在細胞內合成(合成生物)。我認為大家在基因工程編輯上下了很多功夫,但實際過程中,產品的分離和純化往往是更大的挑戰?;仡櫿麄€生物材料的發展過程,中國的聚乳酸就是一個典型案例,目前限制行業發展的主要原因是轉化效率和純化技術仍面臨挑戰。第二,新材料應用的挑戰,應用類生物材料目前還未成為主流。在材料聚合、生物發酵等方面,新材料進入市場仍受到很多阻力,除了性能開發外,使用端產生的阻力同樣需要引起重視。

現在,中國材料市場有幾句話值得注意,上游缺原料,因為石油依賴進口,下游缺技術,終端缺品牌,這意味中國的整個高端材料產業鏈基本上被國外壟斷。同時,高度壟斷也同樣在材料應用中出現,尤其在涉及到材料標準問題的時候,絕大多數材料標準是為化工材料制定的。生物材料行業無法回避這一阻力。

我們之所以選擇生物基聚酰胺,是因為在生物本身包含三大類的高分子化合物:蛋白、DNA 和多糖。這三類化合物都有獨特的功能,材料上研究比較多的是蛋白酶結構,杜邦公司在將近 90 年前發明了尼龍 66,這是人類發明第一個高分子材料,科學家 Carothers Wallace Hume(Carothers,W.H.)模仿蠶絲的蛋白質結構,利用 β 折疊和 α 螺旋結構,構造了尼龍結構。他當時首先發現的是尼龍 510(5 個碳的胺和 10 個碳的二元酸聚合產生),當時由于成本的問題,始終無法完成生產。到目前為止,尼龍 66 在功能材料中仍是排在第一位的仿生材料,過了 90 年,依舊沒有其他的材料可以替代它。

我今天很高興的告訴大家,我們用生物法把尼龍 510 做出來了,并已經在手機支架、服裝和食品包裝膜上成功應用。

整個生物基聚酰胺模仿蛋白的核心是模仿碳結構,6 個碳的結構上,化學鏈間形成組合,這就導致了兩個關鍵的功能:一個是肽鍵平面結構,二是氫鍵,構成了聚酰胺獨特的性能。

自然界蛋白質結構都是利用這兩種方式去構造不同特點,所有的生物反應活性都是酶(有活性的蛋白質)導致的,自然界構造這個結構有它的道理,用在材料上同樣適用,所以后來人們把芳香族化合物、苯環引入結構中。我以半芳香族為例,把苯環引入后,20 個基團可以形成一個平面結構,這樣就大幅度地改善了機械性能。

基于上述原因,經過過去 80 多年的產業化發展,目前形成了兩大家族,半芳香族和脂肪族。從尼龍 66 到尼龍 46 再到長鏈尼龍 12、尼龍 11。非芳香族材料中,尼龍 46 的價格比較貴,尼龍 6 的價格最低。中國只能生產尼龍 6,因為不受原料限制,其他稍微復雜一點原材料都受到限制。

從生物的角度出發我認為有幾個生產方案,一個是從單體的角度模仿尼龍 6 生物法生產內酰胺(既含酰又含胺),我們在十幾年前就在探索這一方式,但發現生物法的效率不如化學生產,所以這個項目就擱置了。我相信,隨著合成生物技術的提高,未來我們還有信心重新來做這件事情。

過去 20 年主要利用生物法生產氨基、羧基為主的化合物和作為聚合單體,除了能合成一系列聚酰胺以替代傳統尼龍,最主要目標是 “以塑代鋼”,想做真正的大宗材料。

從現有的市場來看,現有的尼龍行業有一千萬噸,有兩千億到三千億的市場價值,生物法的生產成本更便宜,性能可替代鋼鐵,這個市場將在材料方向擁有無限大的可能。

下面我為大家介紹一下附加值稍微高的長鏈酸。我們用了將近 20 年的時間取代了化學法的市場,我認為這是目前為止生物材料唯一一個在商業化上把化學法同類產品替代掉的產品,替代的過程主要包括兩個角度,第一,構造簡單合成轉化過程;第二,把整個生物體系清理干凈。合成路線越短越好,原材料越便宜越好,反應條件接近產物 pH,最好不要用酸堿調節 pH,避免產生無機鹽,少加營養物質,這樣才能控制好成本。

替代了化學法后,我們也在擴展產品,開發了包含 10 個碳的二元酸,今年已經實驗了上千噸。十個碳的二元酸,隨著碳數的降低,生物體的抑制性作用就會增強,因此,改造基因的過程中要克服這一問題。

其次,純化問題?;瘜W法癸二酸產品的純化問題一直困擾到尼龍 610 的生產,現在證明生物法可以做得非常成功。

在此基礎上,我們利用一項新的技術把長鏈做成了 “超長鏈”,進而替代尼龍 11、尼龍 12 這樣附加值特別高的產品。其中包含兩個關鍵參數,聚合物一定要有耐候性和高溫力學性能,這是做長鏈尼龍的兩個最關鍵因素。目前為止我們構造了生物基長鏈尼龍,有機會把尼龍 11、尼龍 12 也用生物法進行替代。加上 9 碳的二元酸,有 30 萬噸產品的市場可以用生物法長鏈酸進行替代。此前我們用 13 年的時間替代了 2 萬噸化學法產品,但 2016 年開始,我們僅用 3 年時間(2019 年)就把市場規模提高到五萬三千噸。我們希望擺脫傳統的長鏈二元酸應用市場的范圍,最關鍵是構造新的功能和大幅度降低成本。

聚酰胺生產必須利用二元胺,現在二元胺的碳原子數量幾乎都是偶數,唯一一個奇數碳是九碳二元胺成本特別高,低成本構造一個奇數碳的二元胺對于整個聚酰胺行業來說非常重要,生物法可以通過賴氨酸脫羧酶的作用生產,凱賽生物這個領域研究了很久,現在我們把這個問題解決了。第一代,我們實現了五萬噸的生產;第二代,我們繞過了中間體,第三代,不通過單體直接到鹽。

基于產業化二元胺生產技術,我們生產了一系列生物級聚酰胺,可以完美替代化學法所生產的所有的尼龍。

我舉三個例子,我們的三個品牌 1273、2260、6300,擁有不同的熔點、吸濕性和熱變型溫度。比如在應用環節中,在紡織行業吸濕性是最重要的指標,我們生物基聚酰胺泰綸的吸濕排放指標在所有紡織材料中最優。在聚合時構造了一款聚合物,使它既不產生凝膠又不產生寡聚物,可以從熔體直接紡織,紡織成本大幅降低。尼龍 66 因為易產生凝膠,紡絲成本往往超過 1 萬元。而尼龍 6 因為產生寡聚物所以紡織成本大概是在七千塊錢左右。我們第一次把聚酰胺做成可以熔融直紡。

紡織行業將成為未來關注點,全世界都在看中國的紡織業,我認為這一產品會對紡織業帶來很大的貢獻。在電子電器方面,我們也在和一些客戶合作生產產品樣本,在汽車行業里面生產小眾部件,都要經過長期的研發。

最近行業的發展重點是做輕量化,全世界都在講輕量化,但大部分都在說聚氨酯、環氧樹脂、PVC 等,而這些都是不可回收的塑料。歐洲有文件明確指示,將來不能回收的塑料都需要禁止使用,需要尋找替代的產品。我非常高興的是,上個禮拜我們已經做出來了一款可回收的輕量化材料。

我們經歷了 20 年的時間,目前我們單品的產量從過去的五千噸到 2018 年已經實現了 7 萬噸。今年剛剛在山西簽約做個一百萬噸級、十一平方公里的生產基地,我們希望做成一個完整的產業鏈,我們的目標是和西門子等公司一起合作,用清潔能源打造一個零碳產業園,希望實現原料可再生、產品可回收、成本有競爭力。謝謝大家!