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专访菌菌科技丨从厨余垃圾到生物可降解塑料和单细胞蛋白质

发布时间:2022-09-30 10:32:27 来源:淘金网app最新版下载 作者:淘金网安卓下载
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  厨余垃圾在生活垃圾中占比高达 59.3%。因为包含大量的有机物,具有很大的处理空间,因此,厨余垃圾处理得到广泛关注,行业规模迅速发展,预计 2023 年中国规模将达 4700 亿。

  目前,中国厨余垃圾处理主要依靠填埋与焚烧,少数依靠厌氧消化、好氧堆肥、饲料化等方式。在碳中和与循环经济背景下,这些方式在碳排放和利用率等方面仍存在很大不足。产生者付费原则下,传统处理方式成本高,产物价值低,无法从根本驱动。

  那么,能否将厨余垃圾升级处理为价值更高的产物呢?生物可降解塑料或许是一种更优的解决方案。

  目前,美国的Full Cycle公司利用天然细菌驱动,将食物垃圾等有机废物转化为 PHA(聚羟基脂肪酸酯);加拿大的Genecis公司开发微生物和发酵工艺,利用食物垃圾生产 PHA,已在推进其第一个产品 PHBV(3-羟基丁酸酯和 3-羟基戊酸酯的共聚物,PHA 的一类)的生产。

  在国内,菌菌科技苏州有限公司(以下简称菌菌科技)是目前唯一一家致力于利用工程化大肠杆菌将厨余垃圾转化为生物可降解塑料的公司。菌菌科技于今年 3 月注册成立,专门为生物可降解垃圾提供解决方案。

  “在生物技术发展的推动下,越来越多的化学制造将被生物制造所覆盖,这也意味着在生产原料方面‘与人争粮’的问题将日益严重。国内曾因玉米储备骤降而叫停乙醇汽油推广计划,因此我们希望用更加可持续性的原料进行生物制造赋能低碳环保行业。菌菌科技打造的从厨余垃圾到可降解塑料的生产体系无疑是更贴合我国国情的。”菌菌科技的创始人陈繁告诉生辉 SynBio。

  陈繁博士就读于德国慕尼黑工业大学生物化学系,导师为Wolfgang Eisenreich教授和诺贝尔奖得主Robert Huber教授。攻读博士学位期间,陈繁致力于细菌、人体细胞的代谢组学和植物活性代谢产物的生物合成途径研究以及应用,曾以访问学者的身份到德国卫生部下属的 Robert Koch Institut 交流学习。他先后主持数项德国研究基金会(DFG)与中国国家自然科学基金委员会、法国国家科学研究中心(CNRS)和墨西哥尤卡坦州科学研究中心(CICY)的合作项目。曾在德国联合创办基于代谢组学第三方诊断公司 M-Scout GmbH ,并负责企业研发与商务拓展。

  据陈繁介绍,菌菌科技已打造从厨余垃圾到目标高附加值产物的24 小时内全套处理方案。方案对厨余垃圾进行高通量分析,基于分析结果调配适当的混合酶,将垃圾分解后调节其碳氮源比例以及磷酸盐浓度、pH 值等,定制适配于不同工程菌生长的培养基。目前方案的主要是产物是PHB(聚羟基丁酸酯,PHA 的一类)和单细胞蛋白质。

  “整体来说,我们会将厨余垃圾降解成培养基的时间缩短至6 个小时,发酵过程控制在12 个小时,终端处理即收获产物控制在6 个小时,整体实现一套 24 小时的解决方案。而这也要求菌菌科技精确到每一个步骤。”

  他具体说道,首先,菌菌科技根据厨余垃圾的浆液组成和光谱进行建模,这样一来,能够实时探测厨余垃圾的组分,计算出最佳的酶配方。未来,如果垃圾的组成有所改变,例如从厨余垃圾拓展至农业垃圾、花卉垃圾等生物可降解垃圾,也能够及时修正加入的酶的比例或者后期补充的碳氮源的比例。

  其次,独家专利的基因编辑后的细菌产出极高且效率大幅提升。菌菌科技将一种革兰氏阴性菌的 PHB 代谢通路转入大肠杆菌中并进行改良,使其在更短的时间内完成目标化合物的生产。

  除此之外,最关键的是菌种库。除了内部构建的菌种库平台,菌菌科技还与慕尼黑工业大学有深度的合作。“未来会做类似于联合研究中心的项目,与我的导师Wolfgang Eisenreich教授、诺贝尔奖得主Robert Huber教授等人在细菌以及酶配方上面进行深度合作。”

  在团队方面,发酵工艺负责人师从华东理工大学生物工程学院的庄英萍院长,擅长多组学整合分析,代谢工程改造,生物发酵工艺;分离工艺负责人为华东理工大学、慕尼黑工业大学联合培养博士,擅长催化剂制备、反应工艺条件优化及放大、精馏分离技术开发及优化等相关工作;自动化负责人是法国巴黎十一大信息科学与技术博士,其参与研发的工业机器人及智能制造设备已在南京、无锡、泰州等地企业日常应用。

  另外,菌菌科技邀请上海大学郦鑫耀教授担任公司分离体系的技术支持;与江南大学吴世嘉教授合作创建菌菌科技-江南大学联合研究中心,负责合成生物学产物的安全性评估。

  不过,陈繁也坦言道,目前整个体系还是分步式的,即几个过程加在一起总共 24 个小时,尚未实现整合在一起的效果。

  “未来我们会让整个体系变得更加流畅,同时针对菌种进行更定向化的改造。具体来说,目前需要将垃圾变成培养基以后,调整它的碳氮源比例去适配某一款工程菌,之后将转变方式,优化工程菌的产物合成路径,更大限度地提高生产潜力。产物也将拓展至益生元、法呢烯、γ-癸内酯以及玻尿酸等更多高附加值产物。”他说。

  目前,方案的主产物为 PHB,产量能够达到干细胞质量的 70%~80%;其次为单细胞蛋白质,产量达到 10%~15%;剩下的部分是多聚糖、氨基酸,或者是脂肪酸等化合物。

  PHB 拥有较好的物理延展性和热稳定性。尽管如今利用细菌发酵生产 PHB 的技术比较成熟,但由于细菌培养需要较昂贵的发酵底物和消耗能源使其价格难以下降,无法与现今价格低廉的化学合成塑料竞争。

  “PHB 在当前市场上的售价约为 4~5 万元/吨,而以我们公司小试规模来看,成本为 12000~15000 元/吨,未来随着生产规模扩大,可能压缩至 9000 元/吨。而且我们的 PHB 纯度能够达到 95% 以上。”

  “其一,蛋白含量超过 80%,传统的大豆蛋白的蛋白含量仅为 43% 左右;其二,经过高温灭菌过程蛋白已解旋,更易于动物消化;其三,多糖等其他产物带来的甜味使其具有更好的适口性;其四,单细胞蛋白质作为我们的副产物,将具有更好的议价权。”

  在商业模式上,菌菌科技将以出售解决方案和耗材盈利。模式一,打包技术解决方案出售给大型环保公司,收益包括后期的耗材更新;模式二,将整套搭建体系的图纸技术授权给第三方环保工程装备公司,由他们负责帮其他公司搭建所需设备以及进行后期的维护。

  “对于采购公司,初期我们会帮助其进行产品销售渠道的对接”,他补充道,“整套体系带来的高收益,将帮助采购者在 1~2 年时间内回本。”

  传统处理方式收益较低,且严重依赖于国家的补贴。目前国家对于厨余垃圾的清运以及处理,补贴费用约为 280 元/吨,在此基础上,以厌氧消化方式为例,收益约 40 元/吨,也就是说,若无补贴作为前提,目前的处理方式可能每吨净亏 200 多元。

  “使用我们的解决方案处理厨余垃圾,毛利润将达到每吨数千元,净利润也将较传统方式增长几十倍。”

  在工业化上,菌菌科技正由小试向中试推进。据陈繁透露,目前公司正在进行第一轮融资,这笔资金将用于打造 500 公斤级别的样机,预计半年左右完成。

  菌菌科技希望两年后打造出 5 吨级别的样机,届时将作为明星产品进行推广。未来,整套方案将迭代扩大到 10 吨、50 吨,最终目标是达到 100 吨左右的体量。同时,也将从原料端、产品端不断提升解决方案的完整性和可扩展性。

  菌菌科技的愿景是使用合成生物学技术,以生物可降解垃圾作为原料生产高附加值产品,不仅是为了降低成本,更希望实现真正意义上的循环经济、低碳经济,积极响应国家“双碳”政策。

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