2008年，清華大學合成與系統(tǒng)生物學中心主任陳國強教授和他的團隊在新疆艾丁湖的高鹽、高堿極端環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的微生物：嗜鹽菌（Halomonas）。隨后他們將這一菌株帶回，并與清華大學的科研團隊進行了一系列的研究和培養(yǎng)實驗。研發(fā)人員通過基因編輯和其他生物工程技術，對菌株添加并優(yōu)化了多個性能；經(jīng)過發(fā)酵、提純、測試等多個步驟后，最終成功將這個特殊的微生物從大自然引入到塑料替代品的生產(chǎn)線中。
“一般的微生物無法在高鹽、高堿的極端環(huán)境中生存，我們篩選出的微生物具有在極端環(huán)境中生存的優(yōu)勢，這種環(huán)境直接隔絕了其他潛在微生物的侵入。因此，我們能夠?qū)嵤┮环N完全開放、連續(xù)的發(fā)酵過程，極大地簡化了工業(yè)生產(chǎn)體系?！北本┪嫻錾锛夹g有限公司副總裁歐陽鵬飛近期接受界面新聞采訪時表示，使用這一菌種的產(chǎn)線也減少了額外的滅菌工作，有效降低了生產(chǎn)成本，并減少約50%的生產(chǎn)能耗。
“陳國強教授的團隊先前也是采用傳統(tǒng)的工業(yè)生物技術（CIB），例如使用大腸桿菌作為微生物底盤。但在生產(chǎn)過程中，這種方法經(jīng)常遇到微生物污染的問題。這促使陳國強教授轉(zhuǎn)向開發(fā)嗜鹽菌。” 國際代謝工程獎評選委員會主席、韓國科學院化學與生物分子工程系杰出教授、代謝與生物分子工程國家實驗室主任Sang Yup Lee（李相燁）院士評價。
隨著清華大學科研團隊與微構工場對菌株的持續(xù)性研發(fā)，2018年之后菌株已連續(xù)迭代至20余代。另外，該團隊已完成多種材料的聚合，使產(chǎn)品性能適應于不同市場需求。目前微構工場的產(chǎn)線可用于生產(chǎn)生物可降解材料PHA（聚羥基脂肪酸酯）、 化妝品原料四氫嘧啶、大宗化工產(chǎn)品戊二胺、蛋白酶類等多種產(chǎn)品。PHA是一種由微生物通過發(fā)酵過程制造出來的可降解塑料，它的原料通常來自可再生資源，如糖或淀粉。
之所以尋求塑料的替代品，是因為塑料的不可降解特性，以及生產(chǎn)過程產(chǎn)生的能源消耗與溫室氣體排放。傳統(tǒng)塑料一般由石油或天然氣這類非可再生原料制成，這種合成聚合物可能需要幾百年或更久才能在自然環(huán)境中完全分解，對土壤、水體、生物等造成損害。相比之下，PHA可以在自然環(huán)境中通過3-6個月的時間完全分解，是一種環(huán)境友好的塑料替代品。
今年6月，微構工場在湖北宜昌啟動了預計年產(chǎn)3萬噸的PHA可降解材料綠色智能制造項目。去年10月，該公司也在北京中德產(chǎn)業(yè)園正式投產(chǎn)了一條采用數(shù)字孿生引擎技術的智能生產(chǎn)示范線。其中，數(shù)字孿生技術相當于一個“虛擬實驗室”；通過實時數(shù)據(jù)和模型，模擬整個生產(chǎn)過程，可以提前預測出一些潛在性問題。這項技術可以幫助產(chǎn)品進行各種測試和優(yōu)化、減少生產(chǎn)成本和提高效率。
根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的數(shù)據(jù)，孟加拉國在2002年成為全球第一個實施塑料袋禁令的國家，目的是解決塑料袋導致排水系統(tǒng)堵塞從而加劇洪災的問題。接著，中國政府在2007年底發(fā)布了“限塑令”，旨在減緩塑料袋對環(huán)境造成的“白色污染”，該政策在2008年6月1日開始實施。到2017年為止，全球已經(jīng)有超過20個國家跟進實施了類似的禁塑政策。
受到全球政策的推動，PHA市場的前景逐漸明朗，并促進了這一生物可降解材料的全球產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。全球范圍內(nèi)PHA主要的生產(chǎn)企業(yè)包括德國Biomers、日本Kaneka、美國Danimer、新加坡RWDC、美國Newlight和我國的寧波天安生物材料、藍晶微生物、珠海麥得發(fā)生物科技、微構工場等。
“中國PHA生產(chǎn)的規(guī)模和技術處于全球比較領先的位置。但PHA產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，而且下游應用有待完善。業(yè)內(nèi)預計，從批量化生產(chǎn)到下游市場放量采購仍需2-3年的時間?！?一位國內(nèi)專注研究生物基材料博士向界面新聞表示。
微構工場歐陽鵬飛告訴界面新聞，PHA適用場景比較廣泛，因為這種材料同時擁有生物可降解（海洋、土壤、水等自然環(huán)境可降解和家庭、工業(yè)堆肥可降解）、生物相容、光學活性等特點，材料可以應用于日用品，如一次性制品、食品包裝、紡織纖維；也可被應用于汽車內(nèi)飾、寵物用品等；甚至在化妝品中替代傳統(tǒng)的微珠。此外，PHA也可應用于高附加值的醫(yī)藥領域，如作為藥物緩釋載體、微球，用于制造心臟支架、止血夾、手術縫線等。微構工場也正在與北大口腔醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)PHA口腔修復膜，該材料表現(xiàn)出良好的修復和促進牙齦再生的效果。
另外，PHA還能被開發(fā)為動物飼料，也能被海洋動物消化食用。其中一個PHA的組成單體是3-HB（3-羥基丁酸），是一種具有生物活性的酮體，當將含有3-HB的PHA用作動物飼料時，這些生物活性分子可能有助于刺激動物的生長，提高動物生產(chǎn)效率，這一特性有望推動PHA在更多應用領域的商業(yè)化。
1992年，英國的阿斯利康（AstraZeneca）曾計劃將PHA產(chǎn)業(yè)化，但當時該材料的生產(chǎn)成本高達8-10美元/千克，遠高于傳統(tǒng)塑料，這也導致了建廠計劃被擱置。過去三十年中，合成生物學的進步有望持續(xù)釋放產(chǎn)能，進一步降低成本。PHA的產(chǎn)業(yè)鏈上游主要涉及有玉米、煤炭、活性炭、硫酸等原材料，下游主要應用于紡織業(yè)、塑料工業(yè)、農(nóng)用地膜、包裝材料、現(xiàn)代醫(yī)藥材料、3D打印等。
微構工場歐陽鵬飛告訴界面新聞，PHA生產(chǎn)是一個非常復雜的產(chǎn)業(yè)鏈條，同時也面臨著復雜的研發(fā)和應用挑戰(zhàn)。
“由于PHA有多種不同的類型，目前我們能生產(chǎn)30多種不同的PHA，所以研發(fā)人員需要在大量研究和測試中找到最適合特定應用場景的PHA。而且實驗室的測試結果和實際應用環(huán)境中的性能可能存在差異，這需要通過場景模擬和長期穩(wěn)定性測試來確認?！睔W陽鵬飛指出，“由于這些挑戰(zhàn)涉及多個學科領域，實現(xiàn)PHA在各個應用領域的成功推廣，需要跨學科的研究和跨行業(yè)的合作。”
今年三月份，微構工場與20余家高校、企業(yè)展開合作并成立“合成生物+生物制造”創(chuàng)新聯(lián)盟。此前，微構工場與全球工業(yè)酶制劑和工業(yè)微生物生產(chǎn)廠商諾維信合作，推動餐廚廢棄物資源化利用，微構工場通過開發(fā)一種改造過的嗜鹽菌，能夠在餐廚廢棄物水解物中生長，與諾維信共同推動餐廚廢棄物的資源化利用。微構工場還與安琪酵母合作了一個總投資10.5億元人民幣的PHA可降解材料的智能制造項目，預計年產(chǎn)3萬噸；與中國紡織科學研究院合作開發(fā)PHA相關的紡絲技術，為紡織行業(yè)拓展綠色生物材料提供一個可選項；與恒鑫生活合作，開發(fā)基于PHA和PLA（聚乳酸，一種新型生物降解材料，使用可再生的植物資源提出的淀粉原料制成）的共混改性產(chǎn)品如PHA刀叉、吸管等，恒鑫生活是喜茶、蜜雪冰城、瑞幸咖啡等多家品牌背后的包裝材料供應商。