生物质能源指蕴藏在生物中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能并贮存于生物体的能量。
作为一种生物质，也是农业副产品，秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称。通常指小麦、水稻、玉米和其它农作物（通常为粗粮）被收获籽实后的剩余部分。光合作用的产物有 50% 以上储存于秸秆之中。在中国，农作物秸秆年可收获资源量 7 亿多吨，是化工合成用石油量的 6 倍，热值折合标准煤约 3.5 亿吨，是丰富的生物质原料，深层开发潜力巨大。
2022 年 4 月，农业农村部办公厅发布《农业农村部办公厅关于做好 2022 年农作物秸秆综合利用工作的通知》，对推进农作物秸秆综合利用进行了工作部署。其重点任务之一为“完善秸秆综合利用方式”，年度目标包括“原料化利用途径不断拓宽”。
在此趋势下，苏州聚维元创生物科技有限公司（以下简称 “聚维元创”）以秸秆为原料开发普适性、高品质的葡萄糖碳源，再经合成生物学途径，合成目标产品，以革新现有的石油基化学合成和粮食基生物合成路径。该技术体系可广泛用于生物基材料、精细化学品、动物营养品、工业酶等各类生物产品的制备。
前段时间，聚维元创接连完成 pre-A2 轮和 A 轮融资，总金额近 1 亿元人民币，pre轮为广发信德，A轮为招银国际、厚新健投，广发追投。该笔资金将主要用于山东 1.5 万吨级秸秆转化示范项目的运营交付、苏州研发基地的研发管线推动以及对外合作。
值此机会，生辉 Agri Tech 对聚维元创创始人张天元博士进行了专访，聊了聊该公司的技术成果与项目进展。
张天元是清华大学与麻省理工学院（MIT）联合培养博士，在美期间师从 MIT 生物系 Anthony Sinskey 教授。Sinskey 教授是合成生物学奠基人之一、MIT 生物医学创新中心（Center of Biomedical Innovation ）创始主任，创办了 Genzyme Corporation、Metabolix 等多家纳斯达克上市公司，率先完成了 PHA、细胞免疫治疗等多款生物管线的商业化开发。张天元博士在校期间长期从事秸秆糖化和生物合成领域研发和产业化工作。2019 年底创办苏州聚维元创生物科技有限公司并担任 CEO，同时兼任清华苏州环境创新研究院研发团队负责人。
攻克纤维提取和水解糖化难题，秸秆糖成本大幅降低且质量优于粮食葡萄糖
秸秆，与其他木质纤维素（如木材）类似，是含大量纤维素（占秸秆 40-50%）、半纤维素和木质素的植物结构。
纤维素由几百至几千个 β（1→4）连接的 D-葡萄糖单元的线性链（糖苷键）组成，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。它是组成植物细胞壁的主要成分，是地球上最丰富的有机聚合物，蕴藏着植物界 50%以上的碳。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体。木质素结构最为复杂，由 3 种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接，含有丰富的芳环结构、脂肪族和芳香族羟基以及醌基等活性基团。
木质纤维素以上述成分为主，是可广泛用于材料、能源的一种可再生原料。2017 年，IEA（国际能源署）将生物能源描述为“最重要的可再生能源”。与此同时，在减碳趋势下，作为一种丰富的可持续碳源，通过转化木质纤维素以制造其他高价值化合物，逐渐成为全球研究的热点。
粮食喂饱人类的同时，作为发酵底物，它还提供着重要的生产生活必需品，如乙醇。目前，全世界乙醇产量约 1 亿吨，主要利用粮食和甘蔗等生物原料生产。2020 年，我国乙醇产量为 987 万吨，其中燃料乙醇约 274 万吨，主要作为陈粮的处理手段进行生产。在粮食危机日益严峻的今天，尤其考虑到中国的粮食保护基本国策，以粮食为原料大量生产工业产品非长久之计，寻找替代方案是促进生物合成产业规模化可持续发展的关键挑战。
秸秆的价格仅是粮食的十分之一，糖类物质含量与粮食籽粒相近，产量巨大且性质稳定，理论上是生物合成产业避免粮食消耗的最佳替代品。但从秸秆到可用于后续发酵的碳源——葡萄糖，难在将高聚合物解离。这也是在生物转化和高效利用方面，比粮食廉价得多的秸秆等木质纤维素资源并未真正成熟发展起来的核心原因。
聚维元创致力于解决这一难题，实现了秸秆糖成本大幅低于粮食葡萄糖，同时发酵品质不亚于粮食原料。张天元介绍，秸秆基生物合成的流程分为三个主要步骤。
第一步，纤维提取，即规模化地剥离秸秆的木质素外壳，使纤维成分得以充分分离。在这一过程中，一方面，纤维作为下一步的糖降解原料，要使之与秸秆中的抑制物充分分离、糖甘键充分暴露；另一方面，分离得到的木质素也需进行高值化转化利用，以实现效益的最大化。
第二步，酶解糖化。用复合酶系将多聚物纤维水解为单体，包括半纤维素产生的木糖和阿拉伯糖，以及纤维素产生的葡萄糖。
第三步，代谢合成。建立生物合成代谢体系，利用工程菌和发酵工艺将糖转化成下游产品。
“其关键在于三素的充分分离，以及分别做好下游的高值转化。”张天元强调说，前端预处理要充分考虑两方面：一是纤维的充分分离，二是木质素以其衍生物的商业化应用。为此，在前端的分离阶段“不要一味降低成本”，这样往往会导致糖浆的品质低下、副产物也无法得到有效利用，而“要考虑如何最大限度发挥各种成分的价值，实现总体商业效益的最大化”，将秸秆“吃干榨净”。聚维元创团队在大规模秸秆收储、纤维提取和木质素利用方面，具有丰富的产业经验，结合后端生物合成需求，整合建立了现有的秸秆纤维提取工艺。
在酶解糖化方面，聚维元创拥有自建的高效且具有成本优势的酶系。该公司在苏州建立了研发实验室，根据公司所产纤维底物的特性进行了高效的蛋白理性设计和酶系优化，开发了多种不同底盘微生物用以生产纤维素降解相关酶。相比传统方案，聚维元创的酶系可以非常有效地降低酶蛋白损耗，提高降解效率。“在纤维糖化率达到 90% 以上的情况下，相比美国国家可再生能源实验室（NREL）的水平，酶的消耗量大约降低了七成。”张天元解释，“前期三年中试试验和万吨级示范工程的运营结果表明，我们酶的表现是优秀且稳定的。”
▲图 | 秸秆糖浆，糖浓度>700g/L（来源：受访者提供）
值得注意的是，相比于其他以秸秆为碳源的研发团队，聚维元创针对秸秆碳源的抑制性问题拥有有效的解决方案。秸秆中影响微生物发酵的抑制物包括木质素衍生物等抗菌物质、预处理过程产生的有毒衍生物等。传统秸秆糖化预处理技术无法有效去除抑制物，导致分解生成的碳源只能做燃料乙醇等较低价值产品，难以支持高价值产品的生产。在有效脱除抑制性产物后，由于秸秆糖浆相比粮食葡萄糖含有更多的氨基酸和维生素等营养物质，其发酵效果反而将优于粮食葡萄糖。聚维元创所制备的秸秆碳源可以普适性地适配现有的生物合成产线，并取得优异的发酵效果，在多项对外合作项目中已普遍性地证明了这一点。
聚维元创表示，秸秆糖是其产线的中间品，而非终端产品。该公司通过自主开发生物合成管线，将糖转化为具备更高价值的生物产品，推向市场。目前的自营管线主要针对于有较好经济效益、较大市场需求量的“关键平台分子”进行布局。“关键平台分子”指的是分子本身是终端产品，同时也可衍生辐射一系列下游管线的产品，具备很大的市场影响力。
其首推产品为一款大量应用于聚氨酯、可降解塑料、染料等有机产品的原料分子，该分子在中国的市场规模为百亿元量级，目前基本采用化工法进行生产，污染重、能耗大，在政策准入和成本控制两方面都承受了较大压力。秸秆基生物合成可以从根本上解决传统化工法的污染和能耗问题，更适应于碳中和背景下的发展需求，并且相比粮食基生物合成，可以实现生产成本的大幅下降。该公司的自研管线主要集中于平台化学品和动物营养品两个门类，随产线的稳定扩大，会逐步推出新产品供应市场。
未来，聚维元创致力于建立秸秆基生物合成平台。由于秸秆碳源是普适性的，张天元表示在合成应用上不会局限于少数门类。除了自营管线，该公司还与十余家合成生物学新锐公司，以及业内领军研发团队建立了紧密的合作关系。合作管线则非常丰富。“对于常见的合成产品，如生物基材料、多肽蛋白、不饱和脂肪酸、胡萝卜素等都有较好的效果，合成效率普遍优于粮食碳源。”
聚维元创已在山东建成年转化秸秆 1.5 万吨的示范工程项目，已于今年三季度顺利完成调试，进入订单交付阶段，未来将继续推动现有生物合成产品的规模化交付。秸秆主要来源于小麦、水稻和玉米。为方便原料的收集、储存、运输，该项目在作物主产区建厂，依托当地的秸秆收储体系，根据工厂使用情况按期供应。
后续，该公司计划在江苏北部建设 25 万吨级的秸秆转化基地。选择苏北是因该地区在规模化农业，包括大田农业的机械化、秸秆收储的规模化上比较先进，且距公司总部较近，便于管理布局。计划该项目在未来三年分两期完成建设，预计年产值逾 20 亿元。“投产运营以后，在规模上应该是国际领先的。近半个世纪，人们在秸秆生物转化上做了诸多探索，我们可以为此提供一个在商业上可持续发展的模式，一个可行的解决方案。”
除纤维素得到高值化利用外，聚维元创也将副产物五碳糖和木质素加工至原料级别，提供给相关下游厂家。五碳糖可用于生产代糖类和糠醛类产品，木质素则主要作为农用肥料与材料应用。
其研发团队由来自麻省理工、常青藤盟校、清华、浙大等高校的博士组成。其中两位技术合伙人邵雄俊博士和李承博士曾长期任职于美国顶尖高校，分别主持过美国能源署的秸秆乙醇项目和麻省理工生物系的多项生物合成管线，主持项目经费总额逾亿美元，在纤维素酶系构建和代谢合成等方面有丰富的研发和产业化经验。
其工程团队由近 30 位经验丰富的工程师组成，涵盖了从秸秆预处理、纤维提取、木质素开发、水解糖化、规模化发酵到产物提纯等各生产环节，普遍具备十年以上从业经验。工程合伙人刘德鹏原为国内最大规模秸秆综合利用集团的副总，拥有超百万吨级秸秆利用项目的规划、建设和运营经验，主要参与研发的秸秆利用技术曾获国家科技进步二等奖。商务合伙人李振为二次创业，早年曾在上市集团主要参与过多项生物产品的研发和商业化推广工作，具备丰富的生物产品商业推广经验。
聚维元创在研发、工程化和商业推广三方面已形成了有效的交流反馈体系，可以有力推动规模化项目的稳定运行，并为未来发展明确方向。
尽管木质纤维素转化在国际上已有半个多世纪的研究历程，在可持续发展趋势下日渐成为研究热点，但在国际上普遍难以实现商业化运作。张天元认为核心原因是秸秆碳源组分解聚困难，发酵效果有限，工业应用多局限于乙醇等低值产品的生产，商业上难以形成利润可观的闭环，万吨级以上的秸秆糖化项目在国际上也是很有限的。“所以我们着眼于把秸秆转化成高品质碳源，用于高价值产品开发，并尽可能促进副产物的有效应用，以此实现可观的利润率”。现有万吨级产线的稳定运行和逐步交付正在证明这一点。
生物转化如何逾越商业化运作的瓶颈？张天元认为未来的生物合成是一个开放的、协作的产业，聚维元创从碳源和终端产品两方面切入，提供了一个秸秆基生物合成的可行方案；而未来，希望推动更多对外合作来共同建立秸秆基生物合成体系。
1.http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-04/26/content_5687228.htm
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