寻找嗜盐菌——产学协力攻关高分子材料|塑料|聚烯烃|高分子|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。

李靖恒经济观察报记者

深圳采访部记者
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