石油越来越贵，生物基材料的机会来了？ | 闭门会回顾
石油是工业的血液。可2022年以来，国际局势动荡、“欧佩克+”减产、闲置产能枯竭……飞涨的油价已经成为全球问题，油车车主直呼“寸步难行”。
高分子材料也是一个“耗油大户”，橡胶、塑料和化学纤维的合成都离不开来石油。就如新能源车替代传统燃油车一样，我们希望有一种新的原料，替代煤、石油与天然，合成高分子材料——生物基材料应运而生。
可我们现在有哪些生物基材料可用？它们与石化材料相比有哪些优势？生物合成要如何取代石油化工？APEC中国工商理事会青年企业家委员会联合果壳硬科技举办“生物基新材料：石油化工的替代方案”主题闭门会，邀请生物基材料领域专家和产业伙伴，探讨生物基材料的研发与产业化话题。
因活动信息量较大，本文仅作简要回顾。
合成生物学与生物可降解材料产业链
分享嘉宾：陈国强
（清华大学生命科学学院教授、微构工厂创始人）
生物降解材料种类很多，目前最常见的是现在吸管、塑料袋常用的PLA（聚乳酸）。另外，生物降解塑料还有PBAT（聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯）、PBS（聚丁二酸丁二醇酯）和PCL（聚己内酯）等。它们均有万吨级别的产能，也有公开的原料报价。
但是在一众生物基材料里，PHA（聚羟基脂肪酸酯）非常低调，这是为什么？
在PHA相关专利方面，我国位于世界第四，但这与我国申请专利不积极有关。不过在学术研究领域，我国的发表有关PHA的研究数量高居世界第二位，仅次于美国。
至于产业应用方面，PHA材料可用于制造容器、无纺布、包材，甚至纺织品，国内也有大量公司正从事PHA的研发和生产工作。但为什么市面上至今鲜有大批量、低价的PHA出售呢？
最大的原因是制造成本高。
生物合成需要消耗大量粮食和能源。以生产1000吨PHA为例，制造所用底料（一般是葡萄糖或者淀粉）占总成本的50%，加热、搅拌、压缩空气等环节的能耗占27%。
此外，生物合成还有设备投资大、原料转化率低、产物浓度低、产物回收困难等问题没有解决。
虽然PHA成本高，但跟其他生物材料相比，PHA的优势也多。比如PHA结构、性能可调，能制成具有发光、发色、亲水、吸水等特性的材料。
PHA的原料多样性和工艺改进可能性也更高，其动物可食用性和生物相容性也是其它生物材料不具备的。
降本增效的方法也有。
可以换更好的菌种。微构工厂使用一种嗜盐菌生产PHA，可以省略高压高温灭菌的步骤，降低能耗。省略这一步骤后，还可以用塑料、陶瓷、水泥等低成本材料制造反应器，替代昂贵的不锈钢。
也可以进行基因改造。PHA来源于微生物，在商业化时可以用合成生物学手段改变细菌的大小和内部结构，方便下游离心和提取PHA，甚至直接提高PHA的产量。
经微构工厂改良后，PHA的碳中和指数比PLA、PBAT和PBS更高。
另外，因为PHA可以在海水中发酵，未来若用船从北美、南美运输原料，甚至可以把生产设备放在船上，边运输边生产，提高制造效率。
生物基和生物降解高分子材料
分享嘉宾：朱锦
（中科院宁波材料技术与工程研究所）
石化高分子材料的来源是煤、石油、天然气等不可再生资源。而这些资源来自于各种植物、藻类等光合作用的生物质，也就是可再生资源。如果把这些生物质直接或间接转化成高分子材料，就是生物基高分子材料。
在双碳的大背景下，生物基高分子材料是实现高分子材料可持续发展的重要途径之一。而且随着现代生物科学、农业科学的进步，生物可再生资源完全有可能替代石化资源作为化工原材料。生物质如纤维素、木质素和半纤维素年产量超3000亿吨，远远超过目前化石资源的储量。
目前生物基高分子材料存在如下五个问题：
性能一般比石油基高分子材料低
价格一般比石油基高分子材料高
原材料基本是粮食，如淀粉、植物油和蛋白质等
生物质转化主要为生物发酵法
主要研究集中在热塑性树脂方面
未来生物基高分子材料应该向着哪些方面发展，也有五个建议：
需要发展生物基刚性单体以提高生物基高分子材料的耐热和力学性能
需要发展化学催化和微生物法相结合，以提高生物质转化效率
需要发展以非粮生物质为原料的生物基化学品
需要开展生物基热固性树脂和生物基高分子助剂
需要环保政策支持
生物基材料和生物降解材料是两个不同的概念。生物降解是指在微生物或堆肥条件下可以降解的高分子，但生物基PTT（聚对苯二甲酸丙二醇酯）、生物基PE（聚乙烯）、天然橡胶等材料不可降解，它们都是不可生物降解的生物基材料。
生物降解高分子有希望解决白色污染问题，但这类材料目前也存在各种缺陷，比如PBAT阻水性差、PLA有耐热问题、大多生物降解高分子在海水里难降解等。另外，生物降解需要工业堆肥，而国内尚无大规模工业堆肥厂。
2017年，我们在宁波成立了浙江省生物基高分子材料技术与应用重点实验室，聚焦非粮生物质的高效转化利用技术、高品质生物基高分子材料的设计合成、生物基高分子材料高质化加工应用技术三大研究方向。
在非粮生物质基材的高效转化利用技术上， 我们发明了一种“类酶催化剂”，能够使纤维素高效水解成葡萄糖。数据显示，该催化体系循环使用性能良好，糖产率达96±4%，是目前报道中转化率最高的催化剂。
在高品质生物基高分子材料的设计合成方面，我们开发出呋喃二甲酸非粮制备技术，合成系列呋喃基高分子材料。由于呋喃基高分子具有优异的力学、耐热性以及突出的气体阻隔性，它不但可以解决一般生物基高分子材料普遍存在的性能差问题，还可以提高苯环基高分子材料的性能。
在生物质直接转化应用方面，我们最早研发了一个生物基无醛木材胶黏剂，就是一种直接用脱脂大豆粉经过改性而得到的材料，能解决人造板材的甲醛超标问题。
我们把秸秆直接填充到塑料里，制成纤维状高填充的秸秆禾塑复合材料，有望代替木材，其握钉力是传统木塑材料的4倍以上。
一方面，我国每年有数亿吨秸秆无法利用，只能焚烧污染环境；另一方面，我国每年消耗超10亿吨木材，其中70%以上靠进口。而禾塑复合材料能同时解决“秸秆焚烧”和“木材短缺”两个问题。
生物基“万金油”PDO（1,3-丙二醇）的技术优化
分享嘉宾：刘德华
（清华大学化学工程系应化所教授、所长，清大智兴首席科学家）
PDO（1,3-丙二醇）是一种无色无臭，具有吸湿性的透明粘稠液体，广泛用于化妆品、油墨、印染、涂料、润滑剂等。
在生物降解材料领域，生物基来源的PDO可与脂肪族二元酸聚合，合成PPT等可降解聚酯材料，或参与PBAT、PBS等可降解材料共聚合，形成新型的可降解共聚酯材料。
20世纪90年代，德国赢创和壳牌公司分别用丙烯醛水合法和环氧乙烷法实现了产业化，但因为成本高、技术难度大等问题，生产线又纷纷关停。现在已经没有从事化学法生产PDO的公司。
同时期还有一条微生物法的技术路线——葡萄糖经酵母发酵得到甘油，甘油再经过细菌发酵就能获得PDO，不过这种两步发酵法的成本优势不高。
后来我们研发了生物柴油与生物法PDO联产工艺，把动植物油脂通过化学或酶催化，产生生物柴油和甘油，甘油再通过细菌发酵得到PDO。
杜邦公司合成PDO的技术路线又有所不同，他们把酿酒酵母和克雷伯氏菌的基因重组到大肠杆菌里，使葡萄糖一步发酵得到PDO。杜邦公司靠这一技术在糖法生产PDO上垄断了20年。
这条技术路线也存在原料利用范围窄、需要消耗昂贵的维生素B12的缺陷。我们团队开发了两条不经过甘油合成PDO的路线，不仅打破了杜邦的专利垄断，而且可用的原料范围更宽、无需添加维生素B12。
为了保证PDO大规模工业化，我们又找到了已知生长最快的微生物——需钠弧菌，把PDO的发酵生产周期缩短了一半。另外我们还与清华大学其他老师合作开发了基于机器学习辅助的代谢途径组合优化方法，把PDO的产量提高了60倍。
从1990年到现在，我们发酵生产PDO的技术已经迭代到第四代，授权给了不同的企业。
圆桌&观众提问
主持：吴云飞
（果壳硬科技投资负责人）
吴云飞：陈老师从事合成生物学研究30年，但是公司最近几年才成立，您成立公司、创业的契机是什么？
陈国强：40年前，我在博士期间用罗氏杆菌和巨大产碱杆菌生产PHA的时候发现放大过程很容易染菌，工艺放大以后分离的问题也很多。回国后我们一步步优化工艺，寻找解决染菌、下游分离纯化的方法，这就花了近二十年的时间。直到我们找到嗜盐菌，才克服了这些问题，把工艺从5吨放大到200吨后，才坚定了我们PHA可以进行产业化的信心，想到成立专注的公司，把嗜盐菌为基础的“下一代工业生物技术”往产业方向走。
吴云飞：同样是做高分子材料，您为什么没有选择微生物发酵法的工程化路线，这两种路线适用的材料类型有什么不同？
朱锦：微生物法和化学法相辅相成。目前，生物基材料单体的来源主要以微生物法为主。化学法也有机会，因为化学法的效率更高。比如用纤维素制葡萄糖，用化学法可以加热到150oC，一个半小时之内就可把纤维素转化成葡萄糖，而酶法制造的一般需要发酵三天，时间周期更长。
吴云飞：生物法制PDO竞争这么激烈，您在选择路线时会作何考虑？
刘德华：对比我们和杜邦发表的文章，我们认为在相同的竞争环境下，我们的产品在成本上更有竞争力。
吴云飞：生物基材料从技术选型到工程化量产，需要多久的时间？
陈国强：以我自己的经验至少需要二十年。
朱锦：从合成材料的角度，一个新聚合物需要十年以上，如果是高分子改性加工技术可能会快一点。
刘德华：如果只是技术验证，或许五年、十年就够了，但是能否跑通商业模式要看具体产品，可能十年、二十年，甚至更长。
吴云飞：生物基材料行业的技术门槛在哪？
陈国强：任何一个生物基材料的转化都需要长时间的积淀，解决一个一个的问题，所以那些突然蹦出来说能把生物基材料转化做好的人，大部分都不大可能。
朱锦：生物基高分子材料的选项很少。如果做与石油基高分子材料分子式一样的产品，只要能把成本降下来就好；如果做一个全新结构的高分子材料，则需要超过十年的研发，放卫星不可取。
刘德华：真正想放卫星的不是做科研、做技术的人。投资人，特别是想赚快钱的投资人往往不够理性，他们追热点、追概念，逼着做技术、做产业的人放卫星。