基于石油的材料研发与制造
面临着时代性的挑战
过去的20-30年时间里，基于石油化工的传统生产制造业的发展，带来了气候变化、可持续发展、增长潜力等多重压力。例如，塑料的产生给我们带来便利的同时，塑料污染也让人类与地球陷入难以化解的危机。据联合国环境规划署数据显示，每年约有800万吨塑料垃圾进入海洋，相当于每分钟有一整辆垃圾车的塑料倒入海里。预计到2050年，海洋中的塑料垃圾将超过鱼类数量。
从最近的发展来看，这个领域的发展是在持续的下降的。相应的在飞速发展的是基于微生物的合成生物学。合成生物学—全新的材料研发与制造路径，极大拓展了材料的创新空间—把微生物作为基础材料。合成生物技术的出现为解决塑料污染带来了新的希望。
这一技术最早应用于医药领域，目前，合成生物技术已广泛应用于环保、能源和材料科学领域。比如，通过生物合成材料制造的可降解塑料，不仅能大幅减少塑料污染，还能降低对石油资源的依赖。据数据统计，使用生物合成材料的产品可减少50%以上的碳排放，对环保贡献巨大。
为此，友伴PeerCare与自然之友特别邀请蓝晶微生物董事会秘书暨可持续发展负责人杜长江，在自然森友会中与我们探讨分享上述话题。让我们一起探索合成生物学，看看它如何为我们的环境带来新的可能。以下是分享的纪要。
01
技术变革，如何让创新公司的
合成生物学的研发成为可能？
合成生物学是一门通过重新设计和构建生物系统，解决许多实际问题的新兴学科。其核心是对基因的读、写和编辑。过去，基因测序、DNA合成和基因编辑这些技术成本高昂，只有大型研究机构才能负担得起。然而，随着技术的不断进步，这些技术的成本大幅下降，现在创业公司只需花费几百美元便能获取这些技术。这个变革性的发展使得合成生物学的研发周期缩短，创新速度加快，推动了更多科研成果向应用转化。
在研发过程中，科学家们遵循一个不断迭代的循环圈，这个循环圈包括设计、构建、测试和学习四大环节。通过这个循环，科学家们不断优化和改进生物系统，最终实现预期目标。
尽管合成生物学在实验室中已经取得了许多突破性进展，但将这些成果转化为产业化应用仍然面临巨大挑战。工业规模的工艺开发和规模化生产是关键难点，特别是在发酵和纯化过程中，成本的控制尤为重要。
蓝晶公司（Bluepha）在这方面做了许多探索。他们建立了菌株研发平台和工艺研发平台，通过这些平台，高效地筛选出优质菌株，并开发出适用于工业生产的工艺。目前蓝晶是国内唯一集成发酵、取样、分析于一体的全自动超高通量生物反应器阵列，也是以企业身份承接这一领域2项科技部国家重点研发专项的公司 。然而，要将这些工艺生产的物质和材料应用到实际生活中，还需要进一步的应用场景开发。
02
蓝晶™ PHA，
可完全降解的塑料
传统塑料在自然环境中难以降解，造成了严重的污染问题。蓝晶开发的蓝晶™ PHA 是当前生物降解材料中的最优解决方案，集天然、低碳、全环境降解各种优点于一身。 接下来介绍更进一步的了解这款基于合成生物学的新材料。PHA（聚羟基脂肪酸酯）是一种由微生物合成的天然高分子聚酯材料，具有良好的生物降解性。我们通过实验演示可以发现蓝晶™ PHA 制作的吸管可以完全降解成水和二氧化碳。这意味着在自然环境中，PHA能够被微生物完全降解，不会形成微塑料。
目前市场上常见的可降解材料包括PLA（聚乳酸）、PBAT（聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯）和PHA。相比之下，PHA在自然环境中的降解性能最为优越。即便是在恶劣的自然环境下，PHA也能够被微生物完全降解，而PLA和PBAT则需要特定的工业堆肥条件才能实现降解。
传统塑料对海洋生物造成了严重危害，例如海龟被塑料吸管缠绕，导致窒息死亡。而PHA的自然降解性使其成为海洋保护的理想材料。
蓝晶™ PHA 的生产过程
蓝晶™ PHA 的生产过程是通过微生物发酵来实现的。具体来说，科学家们首先通过基因编辑技术筛选出能够高效合成PHA的微生物菌株，然后在发酵罐中培养这些菌株，投喂葡萄糖等碳源。发酵完成后再进行提取和纯化，最终获得PHA材料。
想象一下，一个小型的实验室发酵罐，里面充满了培养液和微生物菌株。科学家每天都要监测这些菌株的生长情况和PHA的积累情况。
03
解决增量问题而非存量问题
杜长江线上表示：塑料污染问题主要分为存量问题和增量问题。存量问题是指已经存在于环境中的塑料垃圾，而增量问题则是指每年新产生的塑料垃圾。蓝晶™ PHA 的应用主要解决增量问题，通过使用这种新材料，可以减少新产生的塑料垃圾，避免进一步污染环境。
想象一个日常生活场景：每当我们使用一次性塑料制品时，这些塑料最终可能会进入垃圾填埋场或自然环境中，成为难以降解的污染物。而如果这些一次性制品是用PHA制成的，它们将在短时间内被自然环境中的微生物降解，不会对环境造成长期的危害。
04
废油新用途–
生产可降解生物基材料PHA
很多食品加工型企业在生产过程中，都会产生废弃的煎炸用油，废油处理不当会带来一系列的问题。为了让这些废油发挥新价值，同时解决处理过程中的问题，蓝晶微生物联合康师傅用废油生产可降解生物基材料蓝晶™ PHA ，为废油探索新的利用方式和循环路径。2024年6月5日-8日，蓝晶微生物携手康师傅亮相 2024上海碳博会，展示其创新技术 。除此之外，利用废油 PHA 与废弃茶渣的共混料制作可编辑砖，完成废弃物的减量化、资源化与二次利用。
图为：蓝晶微生物携手康师傅亮相 2024上海碳博会，展示其创新技术
05
未来已来–
生物混动技术与碳中和
生物混动技术是指将二氧化碳作为替代性的碳源，通过微生物发酵合成材料。例如，蓝晶公司正在研究将空气中的二氧化碳转化为PHA材料。目前，他们已经实现了10%的碳源来自于二氧化碳，未来这一比例有望进一步提升，为碳中和目标做出贡献。
想象一下，如果我们能够将工业排放的二氧化碳捕集起来，通过微生物发酵技术转化为可降解塑料，那么不仅能减少碳排放，还能生产出环保的材料。这一双赢的技术路径为实现碳中和目标提供了新的可能。
06
给教育工作者的启示：
我们可以做什么？
作为教育工作者，我们可以通过学习相关的案例、技术和思考方式，来激发学生用科学来探索可持续发展问题解决的兴趣。以下是一些具体应用的思路：
- 课堂讨论：组织关于合成生物学和可降解塑料的专题讨论，让学生了解这些前沿科技如何帮助解决环境问题。
- 实验项目：设计简单的实验项目，帮助学生直观理解不同材料的降解情况以及产生的影响
- 参观和实地考察：带领学生参观相关研究机构或工厂（蓝晶在上海即将开放研学基地），亲身体验合成生物学的实际应用。
- 项目合作：与科研机构或环保组织合作，开展有关零废弃相关的学习和行动。
发表回复