百年清华

陈国强 受访者供图

“一期年产聚羟基脂肪酸酯（PHA）1万吨，二期年产量将达到3万吨，届时这里将成为世界上最大的PHA生产基地。”清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强向《中国科学报》介绍了由清华大学合成与系统生物学中心孵化的PHA产线项目。近日，该项目已在湖北宜昌正式落地，我国也有了自己的万吨级PHA产线。

谈及落地宜昌的3万吨级PHA产线项目意味着什么，陈国强介绍，目前每年全球PHA产量约为5万吨，该项目全面投产后，产能将占全球产量的一半，成为世界上最大的PHA生产基地。而PHA的生产成本也将由每吨5万元降到3万元，更具市场竞争力。

“在许多生物基材料中，PHA是唯一能完全生物合成、可热塑加工，并在陆地、海洋和家庭堆肥多场景环境可降解的材料。”陈国强深耕生物合成领域30多年，带领团队打破了欧美多年来在生物材料领域生产菌种的专利封锁，打造了我国第一个拥有自主专利的大规模工业化PHA生产菌种，实现了“菌株-工艺-装备”全自主流程创新。

打开“特种菌”的“黑匣子”

PHA是一种完全由微生物合成的可生物降解高分子材料，不仅能在自然环境中降解为水和二氧化碳，而且具备生物相容性、对人体无害、可较精准调控力学性能等特性。为解决白色污染问题，全球多国限制塑料的滥用，而PHA是传统塑料的理想替代品，被誉为“终极生物材料”。

想要生产PHA，首先要找到适合的菌种。

1994年，陈国强学成回国入职清华大学时，国际上普遍采用罗氏真氧菌和大肠杆菌培养PHA材料，但这两个菌种的核心专利一直掌握在欧美企业手中。

“因为没有专利，我们要改进菌种可能面临打官司风险。”陈国强介绍，利用传统菌种不仅有专利困境，也面临着培养难度大等问题。“传统菌种在高密度培养中不稳定，容易染菌，且在大规模发酵时分离提取难度大，导致设备成本高。”

为了破解上述难题，陈国强决定另辟蹊径寻找属于自己的菌种。他带领团队分析发现，极端环境里可能有“皮实”的新菌种。于是，他和团队开始从全国各地的极端环境中寻找。2006年，一份从新疆艾丁湖带回来的样本让陈国强有了惊喜的发现：“我们在艾丁湖纬度最低的地方采集了一些土样，并分离出非常顽强的微生物。”

艾丁湖是我国新疆吐鲁番盆地的内陆咸水湖，也是世界最酷热干燥的地方之一，最热时地表温度能达到80摄氏度。团队在这里找到了极端菌种Halomonas（盐单胞菌属）。“这种微生物展现出极强的生命力，其他微生物很难在极端环境下与其竞争，它就像‘特种兵’一样。”陈国强说。

其他国家专利体系很少覆盖极端环境微生物的工业应用，特别是嗜盐菌，但有一些学者认为高盐环境会腐蚀设备。不过，陈国强团队发现Halomonas作为嗜盐菌可在碱性环境下生长，碱性环境反而会降低金属的腐蚀速率。

这个发现让大家喜出望外，但下一步的基因编辑环节却让团队吃了不少苦头。

传统工业微生物已有成熟的基因编辑工具，能轻松进行改造。但Halomonas作为新的细菌，其基因调控机制如同“黑匣子”，既无现成工具可用，也没有基础研究积累，团队只能自力更生。

为揭开新菌种的奥秘，清华大学生命科学馆夜晚经常灯火通明，实验方案不断修改、重建。陈国强回忆道：“当时我们用了所有工具都没成功，我的两位博士生熬了5年，被逼得快要申请退学了。结果就在他们要退学的那段时间，有了意外发现，打开了这个‘黑匣子’。”

历时5年，陈国强团队自主研发出专用的基因编辑工具，实现了对该菌的精准代谢通路设计。

实现“实验室—产线”无缝衔接

虽然实验室里有了新突破，但要跨越到工业化应用，还差着十万八千里。

“我们不知道拿到工业界行不行。”在陈国强眼里，实验室和工业界有着不同的维度。“如果实验室是二维空间，工业界就是三维空间。三维视角会看到很多在二维空间看不到的问题。”

面对工业化难题，陈国强团队决定“兵来将挡，水来土掩”。比如，在实验室里做离心操作很简单，可以用离心管处理，但无法满足工业规模生产的大批处理需求，于是他们通过形态学工程增大了细胞体积，从而提高离心效率；实验室中发酵时间需要数天，也不能满足工业化效率需求，于是团队通过改变菌种分裂方式，将发酵时间缩短到36小时；在实验室中氧气供应容易满足，但工业上很难实现，团队就改造了微生物的氧气吸收能力，发展了新的反应器-反转反应器，大幅度提高了微生物生长的密度。

破解了多个工业应用难题后，陈国强团队尝试到真正的工业生产线去验证。第一次他们在山东找到了合作工厂，顺利生产出5吨PHA，首战告捷让大家兴奋不已。高兴之余，他们也很清楚，5吨还远远达不到工业应用的真正水平。随即，团队开始了第二次工厂试验，他们在福建一家生物企业实现了20吨发酵罐的顺利生产。

此时，陈国强团队已经有信心挑战更大规模的生产，他们决定在北京建立产线。“在北京，上午工厂遇到问题，下午就能到我们的实验室解决。”在清华大学的支持下，微构工厂正式成立，团队从此实现了“实验室-产线”的无缝衔接。

一段奇妙的缘分

陈国强没有忘记最初的目标——要打破垄断，就要继续做大做强。可是，哪里能找到更大规模的发酵罐呢？这还得从一段奇妙的缘分说起。

1987年，陈国强在奥地利格拉茨工业大学攻读博士学位，一家中国酵母研究所前来购买菌种和相关技术设备。在大使馆的介绍下，他们找到了既懂微生物学，又精通中文、英语和德语的陈国强当翻译。

“当时帮他们翻译了一个月，包括接种、工业操作等，自己赚了不少零花钱，也学到了很多知识。”陈国强笑着回忆道，“以为他们是小打小闹，没想到后来做那么大。”后来，这家酵母研究所逐步发展成为世界第二大酵母企业——安琪酵母。

2021年，陈国强的嗜盐菌技术需要更大规模的工业化验证，恰好安琪酵母拥有225吨的发酵罐，双方又一次开始了合作。

当年，世界最大产量的一次PHA发酵生产是160吨。对陈国强团队而言，此前20吨的发酵罐试验还有经验可以参考，但要放大到225吨，大家心里都没底。

怀着紧张、激动的心情，陈国强团队在安琪酵母工程师们的帮助下，在四层楼高的发酵罐里开始了试验。“结果第一次就成功了，我们都觉得是运气太好了。”随后，陈国强团队又展开了一轮试验，也成功了。

这一次，全世界都关注到了他们的成绩。凭借嗜盐菌合成生物学及其“下一代工业生物技术”生产PHA的优异成果，陈国强获得了2023年度国际代谢工程奖，成为首位获得该奖项的中国科学家。

“实验室工作是从0到1，工业试验是从1到10，接下来，我们将走在10到100的路上。”陈国强感慨，“每个阶段的挑战都不一样，能走到今天，真的太难了。”他透露，团队近期和多个行业巨头达成合作，范围包括PHA的环保纸张、可降解农膜、环境友好包装材料等。未来他们计划继续扩大产业规模，建立年产10万吨的PHA生产基地。