合成生物學(xué)在可降解塑料領(lǐng)域的應(yīng)用前景及技術(shù)關(guān)鍵

1、一、性能、成本、降解過(guò)程決定了合成生物學(xué)在可降解塑料領(lǐng)域的應(yīng)用前景1、可降解塑料應(yīng)用空間廣闊，生物基可降解塑料更符合碳中和要求可降解塑料指的是一類(lèi)其制品的各項(xiàng)性能可滿足使用要求，在保存期內(nèi)性能不變，而使用后在自然環(huán)境條件下能降解成對(duì)環(huán)境無(wú)害的物質(zhì)的塑料。可降解塑料應(yīng)用空間廣闊，根據(jù)歐盟塑料制造商協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2020 年全球塑料產(chǎn)量約為3.67 億噸，5 年 CAGR 約為 2.7%?？山到馑芰项A(yù)計(jì)將可以取代塑料的大部分用途，持續(xù)推進(jìn)可降解塑料應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)為環(huán)境保護(hù)方面的需求，并且全球多個(gè)國(guó)家與地區(qū)進(jìn)行政策導(dǎo)向的強(qiáng)制推行。在我國(guó)，可降解塑料主要下游主要應(yīng)用領(lǐng)域在薄膜與包裝，例如外賣(mài)餐盒、快遞包裝

2、、購(gòu)物塑料袋、農(nóng)膜等，行業(yè)規(guī)模目前約在數(shù)十萬(wàn)噸級(jí)別，正處于快速增長(zhǎng)階段。圖 1：全球塑料產(chǎn)量（單位：百萬(wàn)噸）資料來(lái)源：歐盟塑料制造商協(xié)會(huì)、可降解塑料根據(jù)聚合原料來(lái)源可進(jìn)一步分為生物基可降解塑料與非生物基可降解塑料，生物基可降解塑料實(shí)際上更符合碳中和要求。所謂生物基可降解塑料，是由來(lái)源于生物代謝過(guò)程的聚合單體聚合而成的可降解塑料，具體種類(lèi)有 PLA（聚乳酸）、PHA（聚羥基脂肪酸酯）、PBS（聚丁二酸丁二醇酯）、淀粉共聚物等。由于可降解材料最終的降解產(chǎn)物通常是二氧化碳和水，因此可降解塑料最終是碳排放的過(guò)程，如果可降解塑料的材料來(lái)源來(lái)自于石油，是不符合“碳中和”理念的解決污染等問(wèn)題的方式，塑料降解

3、將加速碳排放。因此碳源來(lái)自于可再生能源的生物基可降解塑料在大趨勢(shì)上更符合碳中和要求，從根本上解決塑料降解過(guò)程中的碳排放問(wèn)題。生物基可降解塑料由于單體來(lái)源為生物代謝過(guò)程，因此會(huì)涉及到合成生物學(xué)的領(lǐng)域范疇，合成生物學(xué)在可降解塑料領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。圖 2：塑料分類(lèi)-標(biāo)準(zhǔn)：?jiǎn)误w來(lái)源、是否可降解資料來(lái)源：microbial biotechology、2、產(chǎn)品性能、成本、降解過(guò)程決定了合成生物學(xué)在可降解塑料領(lǐng)域的應(yīng)用前景在可降解塑料內(nèi)部的種類(lèi)選擇上，產(chǎn)品性能、成本、降解過(guò)程是重要的因素。產(chǎn)品性能決定塑料種類(lèi)適用的范圍，在產(chǎn)品性能可以滿足需求的基礎(chǔ)上，成本是最重要的選擇種類(lèi)判斷指標(biāo)，而降解過(guò)程可能成為未來(lái)

4、政策導(dǎo)向的重要考慮因素。目前我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的可降解塑料為 PLA、PBAT，迅速發(fā)展的可降解塑料種類(lèi)有 PBS（生物基）、PHA，其產(chǎn)品性能，價(jià)格及應(yīng)用領(lǐng)域如下：表 1：可降解塑料性能、價(jià)格對(duì)比PLAPBATPBSPHA耐熱性熔點(diǎn)/177-180110-120114180分解溫度/300280400195玻璃化溫度/60-30-32-60力學(xué)性能拉伸性能好好好好拉伸強(qiáng)度/Mpa4520-303330延伸率/%382040010楊氏模量/GPa341.50.20.50.51.5抗沖擊性能一般一般好好其他水汽阻隔性一般差較好氧氣阻隔性一般差較好降解速度適中適中快快主要應(yīng)用場(chǎng)景包裝、地膜、服裝等農(nóng)

5、膜、垃圾袋、包農(nóng)膜、垃圾袋、包醫(yī)療、包裝、化裝袋、一次性餐具裝袋、一次性餐具妝品商品化程度較高較高中中價(jià)格區(qū)間（萬(wàn)元/24232367資料來(lái)源：化工新型材料、降解過(guò)程方面，PLA、PBAT、PBS、PHA 均為可生物降解塑料，但 PLA 與 PBAT 的降解環(huán)境要求更為嚴(yán)格，需要恒溫恒濕工業(yè)堆肥條件才能完成較好的降解，在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中需要后續(xù)回收措施配合。PBS 與 PHA 可以由多種微生物產(chǎn)生的酶分解，降解條件更為溫和，可以實(shí)現(xiàn)自然降解，同時(shí) PHA 可以實(shí)現(xiàn)海洋降解，對(duì)緩解海洋污染情況意義更加重大（與之對(duì)比，PLA 在海水中難降解，與傳統(tǒng) PE 塑料無(wú)異，PBAT，PBS 在海洋中降解速

6、度緩慢）。歐盟計(jì)劃于 2022 年出臺(tái)針對(duì)可堆肥降解塑料的使用政策框架，對(duì) PBAT 等塑料的使用進(jìn)行進(jìn)一步討論。由此觀之，可降解塑料的降解過(guò)程對(duì)使用場(chǎng)景及政策導(dǎo)向起到一定影響。圖 3：PLA，PBAT，PBS，PCL 在不同水體中 364 d 后的分子量變化資料來(lái)源：功能高分子學(xué)報(bào)、目前我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的可降解塑料為 PLA 與PBAT，PLA 現(xiàn)有產(chǎn)能約為 10 萬(wàn)噸，規(guī)劃在建產(chǎn)能 120 萬(wàn)噸；PBAT現(xiàn)有產(chǎn)能 26 萬(wàn)噸，規(guī)劃在建產(chǎn)能超過(guò) 700 萬(wàn)噸。PBS 未大規(guī)模應(yīng)用的限制在于其原料丁二酸產(chǎn)能供給不足，傳統(tǒng)石化法生產(chǎn)方式高能耗受限。PHA 未大規(guī)模應(yīng)用的限制在于技術(shù)尚不夠成熟，生

7、產(chǎn)成本較高。合成生物學(xué)正在集中解決的問(wèn)題有進(jìn)一步提高 PLA 生產(chǎn)效率，擴(kuò)充 PBS 合成生物學(xué)方法產(chǎn)能，降低 PHA 生產(chǎn)成本，整體看合成生物學(xué)在可降解塑料領(lǐng)域的應(yīng)用正處于快速發(fā)展階段。下面將分別展開(kāi)論述合成生物學(xué)在 PLA、PBS、PHA 三種可降解塑料領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。二、PLA：合成生物學(xué)技術(shù)可以為以非糧原料合成乳酸提供探索方向合成生物學(xué)在聚乳酸領(lǐng)域主要應(yīng)用涉及對(duì) L-乳酸單體的生產(chǎn)，以及原料利用方面（例如秸稈等原料）的拓展，主要目的為降低成本。聚乳酸的合成單體為乳酸，乳酸的來(lái)源可以有玉米淀粉等淀粉質(zhì)或秸稈纖維素兩種，在發(fā)酵生產(chǎn)乳酸及秸稈處理過(guò)程中分別會(huì)涉及到合成生物學(xué)過(guò)程（下圖中標(biāo)

8、紅部分）。在乳酸單體合成聚乳酸的過(guò)程中，往往會(huì)首先經(jīng)過(guò)乳酸寡聚，水解生成丙交酯，丙交酯開(kāi)環(huán)聚合生成聚乳酸的過(guò)程，丙交酯的合成同樣具有較高的壁壘，因不涉及合成生物學(xué)過(guò)程，此處不展開(kāi)討論。圖 4：合成生物學(xué)相關(guān)的乳酸合成步驟資料來(lái)源：豐原集團(tuán)、1、乳酸單體的發(fā)酵過(guò)程相對(duì)較為成熟，通過(guò)合成生物學(xué)進(jìn)一步突破空間較小全球來(lái)看，現(xiàn)有乳酸的海外產(chǎn)能基本集中在 Corbion-Purac，NatureWorks 手里。Corbion-Purac 現(xiàn)有乳酸產(chǎn)能 28 萬(wàn)噸/年，配套 Total Corbion 7.5 萬(wàn)噸/年 PLA 產(chǎn)能，NatureWorks 現(xiàn)有乳酸產(chǎn)能 22 萬(wàn)噸/年，配套 15 萬(wàn)噸

9、/年的聚PLA產(chǎn)能。海外乳酸-聚乳酸一體化公司是主要形式，國(guó)內(nèi)乳酸主要生產(chǎn)企業(yè)為金丹科技，年產(chǎn)能 12.8 萬(wàn)噸，暫時(shí)未有 PLA生產(chǎn)，浙江海正現(xiàn)有 4.5 萬(wàn)噸/年 PLA 產(chǎn)能，暫時(shí)未有乳酸產(chǎn)能。豐原集團(tuán)現(xiàn)有 0.5 萬(wàn)噸/年乳酸產(chǎn)能，豐原福泰來(lái)有 3 萬(wàn)噸/年的PLA 產(chǎn)能，安徽豐原是目前國(guó)內(nèi)第一家打通產(chǎn)業(yè)鏈一體化的公司。未來(lái)的產(chǎn)能規(guī)劃上，豐原生物規(guī)劃 60萬(wàn)噸/年 PLA 產(chǎn)能，山東同邦新材料規(guī)劃 30 萬(wàn)噸/年乳酸產(chǎn)能，20 萬(wàn)噸/年 PLA 產(chǎn)能。萬(wàn)華化學(xué)丙交酯同樣推進(jìn)至中試實(shí)驗(yàn)階段在乳酸的發(fā)酵生產(chǎn)上，菌株選擇可以有乳酸菌，米根霉，酵母，大腸桿菌等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，誘導(dǎo)突變與通過(guò)

10、合成生物學(xué)方法進(jìn)行菌株的改造均是常見(jiàn)的方案，產(chǎn)量、產(chǎn)率與純度為可以體現(xiàn)差異化的指標(biāo)，但通過(guò)合成生物學(xué)等方法進(jìn)一步突破的空間不大。菌株改造后菌種改造方式產(chǎn)量（g/L）產(chǎn)率發(fā)酵時(shí)間乳酸純度種類(lèi)（g/(Lh)）（h）（%）乳酸Lb.caseiCICC6028 突變菌氮離子注入突變136菌株Lb.delbrueckii紫外誘變902.25Lb.lactis BME5-18M紫外誘變98.61.7660Lb.rhamnosus ATCC 11443 突變菌株基因組重排5.77米根Rhizopus sp.MK-96-11961-甲基 3-硝基-1-亞硝基胍90霉(NTG) 誘變R.oryzae PW352

11、 RE3303/RF9052 突變株氮離子注入突變米根霉 HZS6適應(yīng)性選擇表 2：聚乳酸發(fā)酵菌種舉例菌株改造后菌種改造方式產(chǎn)量（g/L）產(chǎn)率發(fā)酵時(shí)間乳酸純度種類(lèi)（g/(Lh)）（h）（%）R.oryzae R1021紫外線、硫酸二乙酯和79.41.326099.05Co60 誘變處理酵母雙突變菌株牛 L-LDH 替換釀酒酵母中的丙酮酸脫羧化酶 (PDC1)和乙醇脫氫酶 (ADH1)博伊丁假絲酵母 Candida破壞丙酮酸脫85.91.7948假絲酵母 Candida加入來(lái)源于瑞士乳桿菌 L-乳92sonorensis 突變菌株酸脫氫酶的基因木蘭假絲酵母 Candida magnolia-2通

12、過(guò)質(zhì)粒加入來(lái)源于米根霉As3.819 的乳酸脫氫酶編碼基因(ldhA)大腸E.coli SDU4100桿菌E.coli JH12將來(lái)源于乳酸片球菌34.730.63698Pediococcus acidilactici 的 L-乳酸脫氫酶基因?qū)氪竽c桿菌E.coli CICIM B0013-090B基因重組轉(zhuǎn)入凝結(jié)芽孢桿菌132.44.92799.95的乳酸脫氫酶基因資料來(lái)源：基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn) L-乳酸研究進(jìn)展、2、通過(guò)合成生物學(xué)技術(shù)探索以秸稈作為原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的新發(fā)展方向合成生物學(xué)技術(shù)在聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈中未來(lái)可以發(fā)力探索的點(diǎn)為非糧原料的利用，如秸稈等以追求成本的降低。我國(guó)鄉(xiāng)村每年有 20 億

13、噸秸稈及農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)資源，秸稈制糖生產(chǎn) PLA 是秸稈高效利用中推進(jìn)較快的項(xiàng)目。站在 PLA產(chǎn)業(yè)鏈角度，秸稈制糖制取 PLA 的大力推進(jìn)的前提是全成本端測(cè)算低于以淀粉為原料成本。目前難點(diǎn)則在于秸稈等成分相對(duì)較為復(fù)雜，含有木質(zhì)素等抑制性物質(zhì)，去除效率較低，同時(shí)其中糖分成分相對(duì)復(fù)雜。抑制物質(zhì)的去除可以借助發(fā)酵過(guò)程，同時(shí)可以以合成生物學(xué)方式構(gòu)造糖同化發(fā)酵產(chǎn)乳酸的菌種來(lái)完成乳酸的生產(chǎn)。目前有通過(guò)秸稈制備乳酸技術(shù)儲(chǔ)備的公司有凱賽生物，安徽豐原，浙江友誠(chéng)等。凱賽生物與華東理工大學(xué)、瑞典德隆大學(xué)合作；安徽豐原與比利時(shí)格拉特合作，浙江友誠(chéng)技術(shù)來(lái)源為在 2017 年完成的對(duì)德國(guó) BluCon Biotec

14、h GmbH 公司的“第三代乳酸技術(shù)”專利技術(shù)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)的整體收購(gòu)。以凱賽生物技術(shù)為例，根據(jù)其發(fā)表在 iotechnology and Bioengineering 期刊上的文章，小麥秸稈首先經(jīng)過(guò)酸處理水解半纖維素，進(jìn)一步在 A. resinae ZN1 真菌作用下，選擇性的將抑制物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、呋喃醛（糠醛和 HMF），經(jīng)過(guò)處理的秸稈成本中弱有機(jī)酸（乙酸）含量幾乎為 0，酚醛同樣被分解為微量。有顏色的酚類(lèi)物質(zhì)在脫色步驟被清除。去除抑制物質(zhì)后的混合物主要成分為糖，使用工程化乳酸菌菌株 P. acidilactici ZY271 將行使將多種糖轉(zhuǎn)化為 L乳酸的過(guò)程，通過(guò)合成生物學(xué)過(guò)程改造

15、后的 P. acidilactici ZY271 具備高度糖同化功能，可以將木糖、阿拉伯糖、甘露糖與半乳糖等均有效同化為 L-乳酸，混合純糖與秸稈處理過(guò)程的 L-乳酸轉(zhuǎn)化情況相似。圖 5：純糖與混合糖的乳酸菌菌株 P. acidilactici ZY271 作用過(guò)程資料來(lái)源：iotechnology and Bioengineering、在秸稈轉(zhuǎn)化為乳酸的全流程圖中，100 公斤干小麥秸稈可以生產(chǎn) 61.4 公斤 L 乳酸鈣，對(duì)應(yīng) 50.7 公斤 L 乳酸。小麥秸稈中多糖（纖維素、木聚糖、甘露聚糖、阿拉伯聚糖、半乳糖聚糖）的總 L 乳酸產(chǎn)量為理論值的 69.9%，即 1kg 小麥秸中的糖類(lèi)可產(chǎn)

16、生 0.70kg L 乳酸，實(shí)際 L-乳酸生成量和理論 L-乳酸生成量計(jì)算得出的 L-乳酸產(chǎn)率為 86.5%。并以此為原料合成的 L-丙交酯手性純度可以達(dá)到 99.0%。項(xiàng)目整體在推進(jìn)中試實(shí)驗(yàn)。圖 6：從秸稈到 L 乳酸的轉(zhuǎn)化過(guò)程資料來(lái)源：iotechnology and Bioengineering、根據(jù)相關(guān)專利一種共發(fā)酵葡萄糖和木糖生產(chǎn) L-乳酸的乳酸片球菌構(gòu)建方法，P. acidilactici ZY271 菌株在 P. acidilactici TY112 的基礎(chǔ)上構(gòu)建：1）將攜帶木糖異構(gòu)酶(xylA)和木酮糖激酶(xylB)的表達(dá)質(zhì)粒重組帶菌 P.acidilactici TY112

17、 中得到 P.acidilactici TY112 (pMG36e-PldhD_xylAB_2911)，其可利用木糖進(jìn)行生長(zhǎng)和 L-乳酸生產(chǎn)，但同時(shí)產(chǎn)生了大量副產(chǎn)物乙酸，2）：通過(guò)同源重組敲除 P.acidilactici TY112 基因組上的磷酸轉(zhuǎn)酮酶基因 pkt，以阻斷 PK 路徑從而減少副產(chǎn)物乙酸生成，得到的工程菌株 P.acidilactici TY112-pkt，3）通過(guò)同源重組將異源的轉(zhuǎn)酮醇酶基因(tkt)和轉(zhuǎn)醛醇酶基因(tal)整合至步驟 2）中敲除的 pkt 基因位點(diǎn)處，使菌株通過(guò) PP 路徑代謝木糖，得到的工程菌株為 P.acidilactici TY112-pkt:(tk

18、t_tal)，4）在步驟 3）得到的菌株基礎(chǔ)上，將步驟 1）中的 xylAB 表達(dá)框整合至乙酸激酶 ackA2 位點(diǎn)處，同時(shí)將 ackA2 進(jìn)行插入失活，得到工程菌株 P.acidilactici TY112-pkt:(tkt_tal)-ackA2:xylAB。5）適應(yīng)性進(jìn)化加快木糖代謝：將步驟 4）得到的工程菌株，在木糖為唯一碳源的培養(yǎng)基中進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)化以提高木糖代謝能力。經(jīng)過(guò) 66 次的連續(xù)轉(zhuǎn)接(共馴化 66 天)，得到的木糖發(fā)酵性能穩(wěn)定的馴化菌株命名為 P.acidilactici ZY271。整體的代謝路徑改造過(guò)程如下：圖 7：由 P.acidilactici TY112 到 P.ac

19、idilactici ZY271 合成生物學(xué)改造過(guò)程資料來(lái)源：一種共發(fā)酵葡萄糖和木糖生產(chǎn)L-乳酸的乳酸片球菌構(gòu)建方法，由此可見(jiàn)，通過(guò)合成生物學(xué)技術(shù)改造的菌株提高以秸稈為原料發(fā)酵生產(chǎn) L 乳酸的糖利用率至關(guān)重要。同樣合成生物學(xué)技術(shù)在 PLA 可降解塑料應(yīng)用端能夠提供的更大推動(dòng)動(dòng)能也體現(xiàn)在非糧原料的利用方面。三、PBS：通過(guò)合成生物學(xué)技術(shù)可解決單體原料丁二酸的供給緊缺問(wèn)題 PBS 由丁二酸與丁二醇縮聚而成，具有性能上耐熱性更佳，價(jià)格上與 PLA 基本持平，降解速率快的特點(diǎn)，是一種理想的可降解塑料材料。目前應(yīng)用受限的主要原因是 PBS 實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)量供給不足，供給不足的原因是原料丁二酸供給受限。目前我

20、國(guó)有 PBS 產(chǎn)線的企業(yè)有安慶和興化工年產(chǎn) 1 萬(wàn)噸/年，藍(lán)山屯河年產(chǎn) 0.8 萬(wàn)噸/年，竇氏化學(xué) 0.1 萬(wàn)噸/年（PBS 與PBAT 產(chǎn)線可以轉(zhuǎn)化，此處未考慮 PBAT 產(chǎn)能）。丁二酸現(xiàn)有產(chǎn)能有化工法飛揚(yáng)化工 1 萬(wàn)噸/年，安慶和興化工 0.5 萬(wàn)噸/年，三信化工 0.5 萬(wàn)噸/年，寶雞金寶玉 0.5 萬(wàn)噸/年，實(shí)際產(chǎn)量不足 1 萬(wàn)噸/年。合成生物學(xué)方法山東蘭典產(chǎn)能 2 萬(wàn)噸/年，正在逐步擴(kuò)產(chǎn)中，規(guī)劃 30 萬(wàn)噸/年的產(chǎn)能。1、合成生物學(xué)方法合成丁二酸再聚合而成的 PBS 屬于生物基可降解塑料化工法丁二酸新增產(chǎn)能受限，合成生物學(xué)方法是未來(lái)方向。丁二酸的傳統(tǒng)化工合成方法有電化學(xué)法與順酐加氫法

21、，電化學(xué)法技術(shù)發(fā)展成熟，原理上通過(guò)電極陰極反應(yīng)順丁烯二酸酐完成加氫還原生成丁二酸，陽(yáng)極反應(yīng)水分子氧化生成氧氣?？偡磻?yīng)即為順丁烯二酸酐與水反應(yīng)，生成丁二酸與氧氣。電化學(xué)方法裝置規(guī)模受限，且能耗過(guò)大，因此新增產(chǎn)能受阻。順酐加氫法是指以順丁烯二酸或順丁烯二酸酐為原料，通常需要載有活性炭的鎳或貴金屬為催化劑，催化加氫得到丁二酸，反應(yīng)溫度需要 60-100。具有催化劑價(jià)格昂貴，過(guò)程中產(chǎn)生碳排放的問(wèn)題，因此合成生物學(xué)方法是新增丁二酸產(chǎn)能的未來(lái)發(fā)展方向?；しㄉa(chǎn)丁二酸再聚合而成的 PBS 為非生物基可降解塑料，合成生物學(xué)方法合成 PBS 為生物基可降解塑料，符合可降解塑料的大方向。如果通過(guò)化工法合成丁二酸

22、，再與化工法合成的丁二醇聚合而成的 PBS 屬于非生物基可降解塑料范疇，最初原料為石油，而通過(guò)合成生物學(xué)方法合成的丁二酸，再與丁二醇聚合而成 PBS 則屬于生物基可降解塑料，原料為葡萄糖等可再生資源，更進(jìn)一步，丁二醇也可以由生物基丁二酸加氫而來(lái)，以合成完全生物來(lái)源的 PBS 可降解塑料，更加符合碳中和的大方向。2、菌株構(gòu)建需要綜合考慮物質(zhì)代謝與能量代謝調(diào)控，合成生物學(xué)方法相較于化工法已顯成本優(yōu)勢(shì)通過(guò)合成生物學(xué)合成丁二酸海外有 BioAmber 方法與 Roquette（帝斯曼/Roquette）方法，國(guó)內(nèi)山東蘭典技術(shù)較為成熟。丁二酸的天然代謝途徑經(jīng)過(guò)糖酵解-三羧酸循環(huán)過(guò)程，在菌株改造過(guò)程中，主

23、要目的是抑制代謝過(guò)程中丙酮酸向非丁二酸途徑的轉(zhuǎn)化，以及構(gòu)建相應(yīng)的能量代謝調(diào)控過(guò)程。在 BioAmber 的改造路徑中，底盤(pán)細(xì)胞選取東方伊薩酵母，首先敲低了丙酮酸向乙醇的轉(zhuǎn)化途徑，同時(shí)通過(guò)酶結(jié)構(gòu)的改造/外源酶的引入加強(qiáng)了 TCA 還原途徑中從丙酮酸到草酰乙酸再到蘋(píng)果酸再到延胡索酸最終到琥珀酸的路徑。同時(shí)在能量代謝調(diào)控方面抑制了 L-谷氨酰胺到 UTP 的轉(zhuǎn)化，保證 NADH 供應(yīng)。在產(chǎn)率方面，BioAmber 為 0.45 wt%；濃度為 48.2 g/L；產(chǎn)量為 0.97 g/Lh。圖 8：BioAmber 丁二酸代謝路徑資料來(lái)源：Google Patent、 備注：綠色箭頭為 TCA 還原途

24、徑（厭氧過(guò)程），紅色箭頭為 TCA 氧化途徑（需氧過(guò)程）在 Reverdia 的改造路徑中，底盤(pán)細(xì)胞選取釀酒酵母，首先敲低了丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)化途徑，同樣通過(guò)外源酶基因的引入加強(qiáng)了 TCA 還原途徑中從丙酮酸到草酰乙酸再到蘋(píng)果酸再到延胡索酸最終到琥珀酸的路徑。在能量代謝調(diào)控方面，上調(diào)氧化型谷胱甘肽到谷胱甘肽的反應(yīng)過(guò)程，保證 NADH 的供應(yīng)。在產(chǎn)率方面，Reverdia 為 0.69 wt%；濃度為 43 g/L；產(chǎn)量分別為 0.45 g/Lh。圖 9：Reverdia 丁二酸代謝路徑資料來(lái)源：Google Patent、 備注：綠色箭頭為 TCA 還原途徑（厭氧過(guò)程），紅色箭頭為T(mén)CA 氧化途

25、徑（需氧過(guò)程）在山東蘭典的改造路徑中，底盤(pán)細(xì)胞選擇大腸桿菌，首先敲低了丙酮酸向乳酸、甲酸、乙酸的轉(zhuǎn)化途徑，同時(shí)通過(guò)通過(guò)外源酶基因或酶結(jié)構(gòu)改構(gòu)的方式增強(qiáng)丙酮酸到草酰乙酸、異檸檬酸向乙醛酸和蘋(píng)果酸的代謝過(guò)程。在物質(zhì)代謝設(shè)計(jì)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究丁二酸厭氧合成的能量代謝調(diào)控機(jī)制，可以得出葡萄糖厭氧生產(chǎn)丁二酸的理論轉(zhuǎn)化率為 1.71mol/mol。但通過(guò)糖酵解途徑，大腸桿菌每代謝 1 mol 葡萄糖產(chǎn)生 2 mol NADH，而合成 1.71 mol 丁二酸需要 3.42 mol NADH，這導(dǎo)致 NADH 供給量與需求量之間的不平衡。為解決這個(gè)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一種新的還原力供給模式，用 C5磷酸戊糖途

26、徑替代 C6 糖酵解途徑，并結(jié)合轉(zhuǎn)氫酶，將 1 mol 葡萄糖代謝產(chǎn)生的 NADH 從 2 mol 提高到 3.67 mol，滿足了丁二酸最大轉(zhuǎn)化率的還原力要求。2015 年，山東蘭典獨(dú)家買(mǎi)斷中科院天津工業(yè)研究所菌種專利技術(shù) 20 年使用權(quán)，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中將糖酸轉(zhuǎn)化率提高至 1.02 g/g（高于 Reverdia 與 BioAmber），成本與傳統(tǒng)石化路線相比降低了20%。山東蘭典丁二酸產(chǎn)線 2019 年底投產(chǎn)，目前產(chǎn)能達(dá)到 2 萬(wàn)噸/年，正在開(kāi)啟新一輪的擴(kuò)產(chǎn)能周期，將現(xiàn)有生產(chǎn)裝置擴(kuò)產(chǎn)至 5 萬(wàn)噸/年。同時(shí)已計(jì)劃新立項(xiàng) 20 萬(wàn)噸/年，項(xiàng)目分兩期建設(shè)，每期 10 萬(wàn)噸/年，節(jié)奏上預(yù)計(jì) 202

27、4 年完成建設(shè)。屆時(shí)如滿產(chǎn)將達(dá)到產(chǎn)能 30 萬(wàn)噸/年。圖 10：山東蘭典丁二酸代謝途徑資料來(lái)源：生產(chǎn)丁二酸的重組大腸桿菌及其應(yīng)用、 備注：綠色箭頭為T(mén)CA 還原途徑（厭氧過(guò)程），紅色箭頭為 TCA 氧化途徑（需氧過(guò)程）四、PHA：基于極端微生物的合成生物學(xué)技術(shù)可以降低關(guān)鍵環(huán)節(jié)的成本1、PHA 本身為生物基聚合物材料、生產(chǎn)成本是推進(jìn)大規(guī)模應(yīng)用的決定因素PHA（聚羥基脂肪酸酯）本身即是生物基材料，自然界中多種細(xì)菌如 Cupriavidus、Pseudomonas、Alcaligenes、 Bacillus、Aeromonas 等均可以在碳源充足但生長(zhǎng)受限（缺少氮或磷等生長(zhǎng)必需元素）的條件下合成 P

28、HAs。PHAs具有相同的結(jié)構(gòu)通式，分子量在幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)不等，根據(jù)聚合單體的區(qū)別，PHAs 可以有更細(xì)致的結(jié)構(gòu)及名稱區(qū)分，例如聚 3 羥基戊酸（poly-3-hydroxyvalerate /P(3HV)）、聚 3 羥基己酸（poly-3-hydroxyhexanoate / P(3HHx)）、聚 3 羥基癸酸（poly-3-hydroxydacnotae/ P(3HD)）等，迄今為止，已有 150 多種 PHAs 單體被確認(rèn)。圖 11：PHAs 結(jié)構(gòu)通式資料來(lái)源：應(yīng)用與環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)、 備注：其中m=1、2、3、4、5，n 為聚合度，R 為可變基團(tuán)，可以為飽和或不飽和、直鏈或側(cè)鏈及取代基的脂肪

29、族或芳香族基團(tuán)PHAs 材料可以按照單體碳鏈的長(zhǎng)度分為兩大類(lèi)：1）PHB 等短鏈 PHAs（short-chain-length，sclPHA），其單體由 3-5 個(gè)碳原子組成，2）PHO（poly-hydroxyoctanoate）等中鏈 PHAs（medium-chain-length，mclPHA），其單體由 6-14 個(gè)碳原子組成。通常一種微生物只合成上述一種類(lèi)型的 PHAs，因?yàn)?PHAs 聚合酶只偏好 scl-羥?；o酶 A 和 mcl-羥酰基輔酶中的一種作為底物。性能上 Scl-PHAs 通常是具有高結(jié)晶度和硬質(zhì)熱塑性的材料，而 mcl-PHA 是更加具有柔韌性的類(lèi)似橡膠的聚合物

30、。同時(shí)具有短鏈和長(zhǎng)鏈單體的共聚 PHAs 會(huì)擁有更加“折中”的材料特性。PHA 系列材料發(fā)展至今，商業(yè)化應(yīng)用的具體分子有 PHB（聚 3-羥基丁酸脂）、PHBV（3-羥基丁酸和 3-羥基戊酸的共聚物）、PHBHHx（3-羥基丁酸和 3-羥基己酸共聚物）、P3HB4HB（3-羥基丁酸和 4-羥基丁酸共聚物）四種。PHB與 PHBV 為早期應(yīng)用的兩種材料，性能上仍有不足，PHBHHx 與 P3HB4HB 為更新的材料，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。圖 12：商業(yè)化 PHAs 對(duì)比資料來(lái)源：微構(gòu)工廠、目前國(guó)內(nèi) PHA 產(chǎn)能不到 2 萬(wàn)噸/年，PHA 生產(chǎn)類(lèi)型以 P3HB4HB 和 PHBHHx 為主，主要企業(yè)有

31、天津國(guó)韻生物，珠海麥得發(fā)，深圳意可曼，北京藍(lán)晶微生物與北京微構(gòu)工廠。其現(xiàn)有產(chǎn)能與生產(chǎn) PHA 類(lèi)型如下：表 3：國(guó)內(nèi)現(xiàn)有/在建 PHA 產(chǎn)能生產(chǎn)企業(yè)成立時(shí)間PHA 類(lèi)型現(xiàn)有/在建產(chǎn)能（噸/年）天津國(guó)韻2008P3HB4HB10000深圳意可曼2008P3HB4HB5000北京藍(lán)晶微生物2016PHBHHx5000珠海麥得發(fā)2019P3HB4HB100北京微構(gòu)工廠2021多類(lèi)型1000資料來(lái)源：公司官網(wǎng)，環(huán)評(píng)報(bào)告、全球來(lái)看，美國(guó)企業(yè) Danimer Scientific 現(xiàn)有產(chǎn)能 1 萬(wàn)噸/年，正在建設(shè) 10 萬(wàn)噸/年產(chǎn)能，PHA 全球現(xiàn)有的存量應(yīng)用市場(chǎng)體量并不大。PHA 在材料本身性能以及降解

32、性上相對(duì)其他可降解塑料材料具備優(yōu)勢(shì)，但高昂生產(chǎn)成本決定了其較高的售價(jià)，目前 PHA 市場(chǎng)售價(jià)約為 5-7 萬(wàn)元/噸，遠(yuǎn)高于 PBS，PLA 等可降解塑料。因此降低 PHA 全流程的生產(chǎn)成本是決定其未來(lái)應(yīng)用空間的關(guān)鍵。2、合成生物學(xué)技術(shù)可以在多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)上降低 PHA 生產(chǎn)成本PHA 的全生產(chǎn)流程由原料投入，微生物發(fā)酵生產(chǎn)，PHA 分離提純構(gòu)成。對(duì)應(yīng)的成本項(xiàng)目分別為原料成本，發(fā)酵過(guò)程中的滅菌環(huán)境維持，PHA 提取成本等，可以降低成本的點(diǎn)在于：1）通過(guò)合成生物學(xué)過(guò)程對(duì)菌株進(jìn)行改造，改變其利用原料種類(lèi)及效率，提高 PHA 產(chǎn)率，2）優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程，進(jìn)行混合菌發(fā)酵，3）底盤(pán)細(xì)胞采用極端菌種，降低滅菌環(huán)境

33、維持成本，同時(shí)由于 PHA 為胞內(nèi)物質(zhì)（非分泌性），因此需要兼顧考慮提取成本。圖 13：降低 PHA 合成成本過(guò)程資料來(lái)源：應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)、與合成生物學(xué)技術(shù)更為相關(guān)的降低成本的操作有改變利用更低成本的底物種類(lèi)、增強(qiáng) PHAs 合成的核糖體結(jié)合位點(diǎn)優(yōu)化和啟動(dòng)子工程、進(jìn)行旁支通路抑制、改造細(xì)胞形態(tài)（較小的細(xì)胞只能提供有限的 PHAs 積累空間，增大細(xì)胞體積可以提高 PHAs 的積累）等。改變代謝路徑以利用更低成本的底物，以極端菌種作為底盤(pán)細(xì)胞降低維持發(fā)酵滅菌環(huán)境的成本是兩個(gè)重點(diǎn)方向。在天然的代謝通路中，微生物合成 PHAs 可分為兩個(gè)步驟，首先通過(guò)固有碳源代謝路徑將結(jié)構(gòu)相關(guān)或無(wú)關(guān)的碳源轉(zhuǎn)化為各

34、種羥?；o酶 A，然后 PHAs 聚合酶催化羥酰基輔酶 A 的聚合反應(yīng)合成 PHAs。合成不同類(lèi)型的羥?；o酶 A 經(jīng)過(guò)的代謝路徑各不相同，總體來(lái)說(shuō)起始原料可以有葡萄糖或脂肪酸。圖 14：PHAs 代謝路徑資料來(lái)源：應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)、根據(jù)藍(lán)晶微生物年產(chǎn) 25000 噸生物降解新材料聚羥基脂肪酸酯(PHA) 產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目（一期產(chǎn)能 5000 噸/年）環(huán)評(píng)報(bào)告，藍(lán)晶微生物合成 PHBHHx 走脂肪酸途徑，但為菌體提供原料為價(jià)格更為低廉的棕櫚油，由此可以降低原料成本，同時(shí)油脂碳?xì)浔扰c產(chǎn)物碳?xì)浔雀酉喾?，是其降成本步驟的一項(xiàng)。圖 15：藍(lán)晶微生物 PHBHHx 合成過(guò)程資料來(lái)源：環(huán)評(píng)報(bào)告、同時(shí)微構(gòu)工廠

35、與藍(lán)晶微生物均有極端微生物底盤(pán)，微構(gòu)工廠基于嗜鹽菌開(kāi)發(fā)多種類(lèi) PHA 的合成平臺(tái)。傳統(tǒng)發(fā)酵過(guò)程中“染菌”的問(wèn)題會(huì)給發(fā)酵過(guò)程帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，在發(fā)酵流程中需要利用高溫高壓蒸氣對(duì)整個(gè)發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行徹底滅菌，是發(fā)酵工程中的能耗大戶。微構(gòu)工廠基于鹽單胞菌菌株底盤(pán)，耐高滲、耐高堿，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)快速生長(zhǎng)，而在此環(huán)境下雜菌則無(wú)法生長(zhǎng)，由此可以構(gòu)建開(kāi)放培養(yǎng)過(guò)程，節(jié)約滅菌過(guò)程帶來(lái)的成本。基于此，微構(gòu)工廠提出 “下一代工業(yè)生物技術(shù)”平臺(tái)，可以合成多種 PHA 材料。圖 16：微構(gòu)工廠新一代工業(yè)技術(shù)平臺(tái)資料來(lái)源：Trends in Biotechnology、3、商業(yè)化生產(chǎn) PHA 各企業(yè)菌株對(duì)比，應(yīng)用極端微生物為趨勢(shì)對(duì)全球范圍內(nèi)商業(yè)化生產(chǎn)PHA 的企業(yè)進(jìn)行對(duì)比，可以看到 PHBHHx 與P3HB4HB 為主要生產(chǎn)材料。在菌株選擇方面，極端微生物是降低成本的大前提下發(fā)展趨勢(shì)。表 4：商業(yè)化生產(chǎn) PHA公司地區(qū)PHA 類(lèi)型菌株規(guī)劃產(chǎn)能（噸/年）Go!PHA荷蘭所有類(lèi)型未知微構(gòu)工場(chǎng)中國(guó)所有類(lèi)型Halomonas spp. (高鹽濃10000度和堿性 p