生輝現場丨凱賽生物劉修才:生物材料如何做到成本可競爭?

2021-01-08 生輝SciPhi

2020 年 12 月 19-20 日,由深圳市發展和改革委員會、深圳市光明區人民政府主辦,中國科學院深圳先進技術研究院、中國科學院深圳理工大學(籌)、深圳合成生物學創新研究院、DeepTech 生輝、深科(深圳)工程生物產業科技有限公司承辦,中國生物工程學會合成生物學專業委員會、中國醫藥生物技術協會合成生物技術分會、深圳市合成生物學協會協辦的 「光明科學城2020 工程生物創新大會暨《麻省理工科技評論》中國生命科學創業大賽決賽」 在 「鵬城」 深圳光明區舉辦。

當日,凱賽生物董事長劉修才出席了本次會議,並在大會現場發表題目為《合成生物學與新材料》的演講:

以下是演講實錄整理:

大家早上好!謝謝大會和組織者的邀請,我今天和大家分享一下合成生物學與新材料的方法,講兩方面:一,合成生物學與新材料創新的關係;二,公司生物學及新材料研發產業化發展過程。

全球碳排放主要是來自於能源的消耗和材料的使用,全球每年消耗高分子材料大概 5 億噸,每噸材料釋放二氧化碳 8-9 噸,人類在高分子材料上面釋放的二氧化碳高達 40 億噸 - 50 億噸,這對地球環境問題、可持續發展問題帶來了很大的困擾。

2004 年美國能源部出臺了 12 個系列的基礎化工原料,可以用生物法替代,國際的化工企業、材料以及農業行業都試圖通過合成生物學方法製作基礎化工原材料。左下角是很多公司在不同材料方面作出的努力,我把努力的結果分成兩個階段,上面是早期的案例。

從 2006 年開始,其中的四個是上市公司,七個公司裡面有 5 個公司破產了,剛剛介紹的青蒿素成為一個典型的案例,目前市值 7.7 個億,給我們樹立很好的榜樣,並受到了市場的廣泛支持。

前期很多企業做的努力給資本市場帶來了希望,儘管中間遇到了一些挫折,但很多企業仍在不停的努力,比如說 NatureWorks 已經做了將近 40 年的聚乳酸,去年終於有一家做香菸過濾嘴公司預定了 5 萬噸原料,中國很多基礎材料市場熱了起來。

近年來資本市場又開始關注生物方面。我來舉三個例子。

BEAM 公司上周的市值已經達到 45 億美金,人造肉 Beyond Meat 現在市值達到超過 86 億的美金,凱賽生物在合成生物領域的布局比前面公司要早,我從 1994 年回國創業,已經過去了 26 年。科創板給了我們一個機會,讓我們沒有 「死」 掉。

最近合成生物學取得了快速的發展,我個人認為有兩個原因,第一,科學領域積極促進。深圳先進院合成生物研究所、天津工業微生物研究所都做了大量的工作,科學界的專業人士都做出了很多的努力。今年諾貝爾獎給了基因編輯,這給大家注射了一個 「興奮劑」。一些投資者,像 IT 行業的孫正義和比爾蓋茨等也把 IT 技術帶到了合成生物學,給資本市場帶來了很多的信心。

第二,環境的壓力和政策的倒逼。2020 年 9 月,國家宣布,中國爭取到 2060 年實現碳中和。12 月 12 日,國家再次在氣候雄心峰會上針對這一目標進一步宣布了針對二氧化碳排放、非化石能源等方面的詳細指標。

歐盟在碳排放上面措施非常具體,3 月 11 日出的這份文件對產業界非常有價值,具體規定了對碳排放問題如何管理,這些具體的管理規定導致了傳統化工行業的市場的競爭力相對於生物製造行業逐漸減弱,給生物合成產業帶來了新機會。

回顧人類發展歷史,人類從石器時代、青銅器時代、鋼鐵時代走到今天,下一個階段是生物的時代。生物時代的到來一方面是滿足人類可持續發展的需求,更重要是,隨著生物技術不斷進步讓生物有能力去完成生產替代。替代主要聚焦在兩個方向,1)替代現有化工高分子材料的功能;2)從節能的角度替代無機材料功能。

擺在生物製造材料前面的有兩個難題需要被解決,我認為原料可再生、產品可回收是我們的挑戰,僅靠對環保有貢獻這一點對於合成生物來說是遠遠不夠的,最重要的是要做到成本可競爭,尤其是在和石油化工材料相競爭的時候,只有成本可競爭,生物材料才有機會。

首先,生物材料存在幾種選擇,一是目前的材料都是從石油化工作為原料製作所得,大多數這一類高分子材料並不是根據人類的需要製作的,而是為了給石化產品一個出路。真正功能性材料的生產體量始終不大。當然,人類也有了更多的選擇,其中最重要的是從合成生物學的角度,實現簡單替代或同類產品替代,生物法要做到性價比更高、可競爭性更強。

從材料概念到產品、市場,這一過程分成兩個大階段,第一,單體研究和產業化過程,產品直接在細胞內合成(合成生物)。我認為大家在基因工程編輯上下了很多功夫,但實際過程中,產品的分離和純化往往是更大的挑戰。

回顧整個生物材料的發展過程,中國的聚乳酸就是一個典型案例,目前限制行業發展的主要原因是轉化效率和純化技術仍面臨挑戰。

第二,新材料應用的挑戰,應用類生物材料目前還未成為主流。在材料聚合、生物發酵等方面,新材料進入市場仍受到很多阻力,除了性能開發外,使用端產生的阻力同樣需要引起重視。

現在,中國材料市場有幾句話值得注意,上遊缺原料,因為石油依賴進口,下遊缺技術,終端缺品牌,這意味中國的整個高端材料產業鏈基本上被國外壟斷。同時,高度壟斷也同樣在材料應用中出現,尤其在涉及到材料標準問題的時候,絕大多數材料標準是為化工材料制定的。生物材料行業無法迴避這一阻力。

我們之所以選擇生物基聚醯胺,是因為在生物本身包含三大類的高分子化合物:蛋白、DNA 和多糖。這三類化合物都有獨特的功能,材料上研究比較多的是蛋白酶結構,杜邦公司在將近 90 年前發明了尼龍 66,這是人類發明第一個高分子材料,科學家 Carothers Wallace Hume(Carothers,W.H.)模仿蠶絲的蛋白質結構,利用 β 摺疊和 α 螺旋結構,構造了尼龍結構。他當時首先發現的是尼龍 510(5 個碳的胺和 10 個碳的二元酸聚合產生),當時由於成本的問題,始終無法完成生產。到目前為止,尼龍 66 在功能材料中仍是排在第一位的仿生材料,過了 90 年,依舊沒有其他的材料可以替代它。

我今天很高興的告訴大家,我們用生物法把尼龍 510 做出來了,並已經在手機支架、服裝和食品包裝膜上成功應用。

整個生物基聚醯胺模仿蛋白的核心是模仿碳結構,6 個碳的結構上,化學鏈間形成組合,這就導致了兩個關鍵的功能:一個是肽鍵平面結構,二是氫鍵,構成了聚醯胺獨特的性能。

自然界蛋白質結構都是利用這兩種方式去構造不同特點,所有的生物反應活性都是酶(有活性的蛋白質)導致的,自然界構造這個結構有它的道理,用在材料上同樣適用,所以後來人們把芳香族化合物、苯環引入結構中。我以半芳香族為例,把苯環引入後,20 個基團可以形成一個平面結構,這樣就大幅度地改善了機械性能。

基於上述原因,經過過去 80 多年的產業化發展,目前形成了兩大家族,半芳香族和脂肪族。從尼龍 66 到尼龍 46 再到長鏈尼龍 12、尼龍 11。非芳香族材料中,尼龍 46 的價格比較貴,尼龍 6 的價格最低。中國只能生產尼龍 6,因為不受原料限制,其他稍微複雜一點原材料都受到限制。

從生物的角度出發我認為有幾個生產方案,一個是從單體的角度模仿尼龍 6 生物法生產內醯胺(既含醯又含胺),我們在十幾年前就在探索這一方式,但發現生物法的效率不如化學生產,所以這個項目就擱置了。我相信,隨著合成生物技術的提高,未來我們還有信心重新來做這件事情。

過去 20 年主要利用生物法生產氨基、羧基為主的化合物和作為聚合單體,除了能合成一系列聚醯胺以替代傳統尼龍,最主要目標是 「以塑代鋼」,想做真正的大宗材料。

從現有的市場來看,現有的尼龍行業有一千萬噸,有兩千億到三千億的市場價值,生物法的生產成本更便宜,性能可替代鋼鐵,這個市場將在材料方向擁有無限大的可能。

下面我為大家介紹一下附加值稍微高的長鏈酸。我們用了將近 20 年的時間取代了化學法的市場,我認為這是目前為止生物材料唯一一個在商業化上把化學法同類產品替代掉的產品,替代的過程主要包括兩個角度,第一,構造簡單合成轉化過程;第二,把整個生物體系清理乾淨。合成路線越短越好,原材料越便宜越好,反應條件接近產物 pH,最好不要用酸鹼調節 pH,避免產生無機鹽,少加營養物質,這樣才能控制好成本。

替代了化學法後,我們也在擴展產品,開發了包含 10 個碳的二元酸,今年已經實驗了上千噸。十個碳的二元酸,隨著碳數的降低,生物體的抑制性作用就會增強,因此,改造基因的過程中要克服這一問題。

其次,純化問題。化學法癸二酸產品的純化問題一直困擾到尼龍 610 的生產,現在證明生物法可以做得非常成功。

在此基礎上,我們利用一項新的技術把長鏈做成了 「超長鏈」,進而替代尼龍 11、尼龍 12 這樣附加值特別高的產品。其中包含兩個關鍵參數,聚合物一定要有耐候性和高溫力學性能,這是做長鏈尼龍的兩個最關鍵因素。目前為止我們構造了生物基長鏈尼龍,有機會把尼龍 11、尼龍 12 也用生物法進行替代。加上 9 碳的二元酸,有 30 萬噸產品的市場可以用生物法長鏈酸進行替代。此前我們用 13 年的時間替代了 2 萬噸化學法產品,但 2016 年開始,我們僅用 3 年時間(2019 年)就把市場規模提高到五萬三千噸。我們希望擺脫傳統的長鏈二元酸應用市場的範圍,最關鍵是構造新的功能和大幅度降低成本。

聚醯胺生產必須利用二元胺,現在二元胺的碳原子數量幾乎都是偶數,唯一一個奇數碳是九碳二元胺成本特別高,低成本構造一個奇數碳的二元胺對於整個聚醯胺行業來說非常重要,生物法可以通過賴氨酸脫羧酶的作用生產,凱賽生物這個領域研究了很久,現在我們把這個問題解決了。第一代,我們實現了五萬噸的生產;第二代,我們繞過了中間體,第三代,不通過單體直接到鹽。

基於產業化二元胺生產技術,我們生產了一系列生物級聚醯胺,可以完美替代化學法所生產的所有的尼龍。

我舉三個例子,我們的三個品牌 1273、2260、6300,擁有不同的熔點、吸溼性和熱變型溫度。比如在應用環節中,在紡織行業吸溼性是最重要的指標,我們生物基聚醯胺泰綸的吸溼排放指標在所有紡織材料中最優。在聚合時構造了一款聚合物,使它既不產生凝膠又不產生寡聚物,可以從熔體直接紡織,紡織成本大幅降低。尼龍 66 因為易產生凝膠,紡絲成本往往超過 1 萬元。而尼龍 6 因為產生寡聚物所以紡織成本大概是在七千塊錢左右。我們第一次把聚醯胺做成可以熔融直紡。

紡織行業將成為未來關注點,全世界都在看中國的紡織業,我認為這一產品會對紡織業帶來很大的貢獻。在電子電器方面,我們也在和一些客戶合作生產產品樣本,在汽車行業裡面生產小眾部件,都要經過長期的研發。

最近行業的發展重點是做輕量化,全世界都在講輕量化,但大部分都在說聚氨酯、環氧樹脂、PVC 等,而這些都是不可回收的塑料。歐洲有文件明確指示,將來不能回收的塑料都需要禁止使用,需要尋找替代的產品。我非常高興的是,上個禮拜我們已經做出來了一款可回收的輕量化材料。

我們經歷了 20 年的時間,花了將近 70 億的研發費用,目前我們單品的產量從過去的五千噸到 2018 年已經實現了 7 萬噸。今年剛剛在山西籤約做個一百萬噸級、十一平方公裡的生產基地,我們希望做成一個完整的產業鏈,我們的目標是和西門子等公司一起合作,用清潔能源打造一個零碳產業園,希望實現原料可再生、產品可回收、成本有競爭力。謝謝大家!

相關焦點

  • 凱賽生物劉修才:生物材料需要從原料可再生、產品可回收難題入手,做到成本可競爭 | 生輝現場
    當日,凱賽生物董事長劉修才出席了本次會議,並在大會現場發表題目為《合成生物學與新材料》的演講:以下是演講實錄整理:大家早上好!擺在生物製造材料前面的有兩個難題需要被解決,我認為原料可再生、產品可回收是我們的挑戰,僅靠對環保有貢獻這一點對於合成生物來說是遠遠不夠的,最重要的是要做到成本可競爭,尤其是在和石油化工材料相競爭的時候,只有成本可競爭,生物材料才有機會。
  • 凱賽生物:生物基聚醯胺產品在多領域被運用
    凱賽生物(董事長和核心技術專家劉修才在大會現場發言時表示,對於合成生物行業來說,產品對環保有貢獻是遠遠不夠的,行業的真正發展一定要解決產業化的問題,要做到產品能與傳統化工法產品在成本上相競爭。而材料領域的碳中和如何實現卻尚未引起重視。據統計,石油消耗的15%~20%被用於生產化學品,因此造成的碳排放量同樣巨大。在此背景下,合成生物技術有望提供一條科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境汙染少的新型工業化道路。其實,早在1992年美國的Metabolix公司便在「可生物降解-PHA」產品中開啟了合成生物學的產業化嘗試。而近年合成生物學產業的升溫主要有兩個原因。
  • 凱賽生物:生物基聚醯胺產品在多領域被運用 以產業化加速傳統化學...
    凱賽生物(688065)董事長和核心技術專家劉修才在大會現場發言時表示,對於合成生物行業來說,產品對環保有貢獻是遠遠不夠的,行業的真正發展一定要解決產業化的問題,要做到產品能與傳統化工法產品在成本上相競爭。
  • 合成生物學頂級會議「2020 工程生物創新大會」召開 行業龍頭凱賽...
    而材料領域的碳中和如何實現卻尚未引起重視。據統計,石油消耗的15%~20%被用於生產化學品,因此造成的碳排放量同樣巨大。在此背景下,合成生物技術有望提供一條科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境汙染少的新型工業化道路。其實,早在1992年美國的Metabolix公司便在「可生物降解-PHA」產品中開啟了合成生物學的產業化嘗試。而近年合成生物學產業的升溫主要有兩個原因。
  • 凱賽生物「道法自然」威力巨大
    劉修才用實踐證明,生物製造法可以擔當此任。  何謂生物製造法?簡而言之,就是以生物質為原材料或運用生物方法,進行大規模物質加工與轉化,為社會發展提供工業商品(如新材料產品),生產過程綠色、條件溫和且具備經濟性的一種製造方法。「這是一種革命性的生產方式。」業界如此評論。  生物製造法的威力有多大?劉修才給記者舉了一個案例。
  • 凱賽生物衝刺科創板IPO或成國內合成生物產業化第一股
    1997年,劉修才創辦凱賽生物產業有限公司。合成生物學作為一門新型學科,目前還沒有列在證監會行業分類中,凱賽生物選擇了與之最為接近的化學纖維製造下設子類別中的生物基材料製造。這也是該細分行業首家科創板申請上市公司。
  • 探索:掀起「第三次生物科學革命」的合成生物學究竟潛藏著怎樣的價值導向?
    從技術到市場,從資本到政策,合成生物將如何影響世界經濟發展與人民生活方式?從「造物致知」到「造物致用」,合成生物將如何顛覆人類認知和現有技術「產學研」如何緊密結合以推動合成生物學「沿途下蛋」在全球競爭中領佔先機?科學的奧秘如何讓產業煥發新的生機,而資本和產業又會如何反哺科學?中國將在未來合成生物學的世界舞臺中扮演怎樣的角色、引領怎樣的變革?這一切都需要等待時間的檢驗。
  • 探索:掀起「第三次生物科學革命」的合成生物學究竟潛藏著怎樣的...
    從技術到市場,從資本到政策,合成生物將如何影響世界經濟發展與人民生活方式?從「造物致知」到「造物致用」,合成生物將如何顛覆人類認知和現有技術「產學研」如何緊密結合以推動合成生物學「沿途下蛋」在全球競爭中領佔先機?科學的奧秘如何讓產業煥發新的生機,而資本和產業又會如何反哺科學?中國將在未來合成生物學的世界舞臺中扮演怎樣的角色、引領怎樣的變革?這一切都需要等待時間的檢驗。
  • 「政產學研資」大咖同聚一堂,合力助陣中國合成生物產業發展
    參與圓桌的嘉賓除了艾副市長以外,還包括中國科學院院士、上海交通大學生命科學技術學院院長鄧子新、中國科學院深圳先進技術研究院副院長呂建成、凱賽生物 CEO 劉修才、紅杉資本中國基金董事總經理顧翠萍、Amyris 中國總裁趙立山、美團副總裁朱文倩。中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所所長劉陳立主持該環節。
  • 光明科學城2020工程生物創新大會暨生命科學創業大賽順利舉行
    「深圳市工程生物產業創新中心」揭牌暨企業入駐儀式上,艾學峰、鄧子新、劉勝、曾堅朋、姚高科、呂建成、席衛忠、劉陳立共同為創新中心揭牌,標誌著「深圳市工程生物產業創新中心」將正式運營並投入使用,打造國內首個「樓上樓下」創新創業綜合體;創新中心首批入駐18家遴選的創新型企業,所選企業將聚焦生物醫藥、生物材料和工程生物自動化設備等國際前沿和「卡脖子」技術,力爭成為全國合成生物產業創新發展策源地
  • 用「3+5」評價體系來看凱賽生物「科研...
    生物製造行業屬於技術密集型行業,從業企業需要在合成生物學、細胞工程、 生物化工、高分子材料與工程等學科領域均設有經驗豐富的研發和技術團隊,在 產業化放大的過程中,如何完善工藝、開發大型生產設備、提高生產經濟性和環保水平也是核心技術問題。
  • 凱賽生物攜手山西省 探索戰略領域「中國主導」模式
    凱賽生物表示,本次對外投資是公司產業鏈布局戰略的體現,通過參與構建循環經濟一體化產業園項目投資,在適度擴充生物法長鏈二元酸、生物基戊二胺和生物基聚醯胺等核心產品產能的同時,有利於與下遊產業鏈緊密合作,不斷優化產品結構和產業鏈布局,使公司在產業鏈中佔據更有利的競爭地位。
  • 凱賽生物:中信證券股份有限公司關於上海凱賽生物技術股份有限公司...
    中信證券股份有限公司        關於上海凱賽生物技術股份有限公司        變更部分募投項目實施主體和實施地點之核查意見中信證券股份有限公司(以下簡稱「中信證券」)作為上海凱賽生物技術股份有限公司(以下簡稱「凱賽生物」或「公司」
  • ...凱賽生物:中信證券股份有限公司上海凱賽生物技術股份有限公司...
    [快訊]凱賽生物:中信證券股份有限公司上海凱賽生物技術股份有限公司變更部分募投項目實施主體和實施地點之核查意見 時間:2020年11月30日 18:25:31&nbsp中財網   CFi.CN訊:經中國證券監督管理委員會《關於同意上海凱賽生物技術股份有限公司首次公開發行股票註冊的批覆》(證監許可[2020]1439號)同意註冊,公司向社會公開發行人民幣普通股 41,668,198股,每股面值人民幣 1.00元,每股發行價為人民幣 133.45元,合計募集資金人民幣 556,062.10萬元,扣除各項發行費用(不含增值稅)人民幣 28,062.72萬元後,募集資金淨額為 527,999.38
  • 準科創板IPO公司凱賽生物將進一步開拓長鏈聚...
    傳統上主要通過化學法生產,凱賽生物採用生物法,具有產品種類更豐富、成本更低及更環保等優勢,主要用於高性能長鏈聚醯胺、香料、熱熔膠、潤滑油、耐寒增塑劑、粉末塗料等。凱賽生物生物法長鏈二元酸產品獲得了國際知名企業的認可,主要客戶包括杜邦、艾曼斯、贏創、諾和諾德等全球著名化工、醫藥企業。
  • 新品丨 不用去拔牙了,可刺激牙齒再生的生物材料亮相
    據美國科普期刊《大眾科學(Popular Science)》報導,近日哈佛大學和英國諾丁漢大學的研究人員宣布研發出一種新型生物材料,不僅可以有效地取代傳統補牙填充物,刺激牙齒幹細胞再生,患者也有望無需再接受根管治療。根管治療對很多蛀牙患者來說無疑是個壞消息,這意味著你的牙根感染或牙髓壞死。但根管治療可能失敗,消毒不徹底導致牙髓腔再次感染,導致需要拔牙。
  • 凱賽生物:寧波小多信息諮詢有限公司關於上海凱賽生物技術股份有限...
    、公司、上市公司      指  上海凱賽生物技術股份有限公司     股權激勵計劃、限制性股票激勵  指  《上海凱賽生物技術股份有限公司2020年限制性股票激     計劃、本激勵計劃、本計劃          勵計劃(草案)》     限制性股票、第二類限制性股票  指  符合本激勵計劃授予條件的激勵對象,在滿足相應歸屬
  • 生物陶瓷可誘導骨組織生成 開拓生物材料發展新途徑
    不久前,在長春舉行的中國科協年會先進材料展上,中國工程院院士、四川大學教授張興棟展示了一種骨誘導性人工骨生物材料,將它植入人體後,就能調動人體自身的康復功能,形成新的組織,既無異物反應,又可實現人體的永久性康復。  生物陶瓷可誘導骨組織生成,開拓生物材料發展新途徑  據介紹,這種人工骨生物材料就是多孔磷酸鈣生物陶瓷,是組織誘導性生物材料的一種。