曾經，尼龍66被外企拿走了80％的利潤，科學家們決定同時解決賴胺酸產能過剩和尼龍被「卡脖子」的難題。經過數年努力成功研發出尼龍5x，不光效能更強，未來還可以運用於服裝、海下油氣管道、人工血管等多個領域…
出品：格致論道講壇
以下內容為中國科學院微生物研究所研究員溫廷益演講實錄：
大家好，我是溫廷益，來自中國科學院微生物研究所。大家都吃過玉米，但是我說可以把玉米穿在身上，你相信不相信？如果你相信，就請聽一段從玉米到服裝的故事。
這是1980年時的我。我在天津市長大，從小性格比較內向，不愛說話，好獨處，每天在我們家的胡同裏用粉筆頭在地上畫各種立體幾何的模型，畫各種化合物的分子結構。我們的鄰居都說，這個孩子走火入魔了，是不是有點「神經」了，以後離他遠一點。
右邊是南開大學新生物樓，1982年我考上南開大學微生物學專業，又開始對發酵罐感興趣。大家知道發酵嗎？我們吃的醋、醬油，包括喝的酒，都是由微生物發酵釀制的。所以當時我就有一個夢想：能不能用微生物發酵制造各種化學品呢？
現在大家都知道，我們這個行業不叫發酵工程了，有了一個時髦的名字，叫合成生物學。
我2005年回國。因為我是南開大學畢業的，我的導師也希望我回到母校，南開大學生命科學學院就給了我一個教授崗位。我就拿著錄用通知，準備去做一名教授了。
▲高福院士
但有次我在北京做一個學術報告，被時任中國科學院微生物研究所所長高福院士知道了。他就過來就跟我聊了聊，當時我覺得只是隨便聊聊。但他覺得我沒有來微生物所的意思後，就用激將法「激」了我一下。
他說，你如果到微生物所來做胺基酸領域的研究工作，如果3年做不到科學院的前三，5年做不到全國的前五，8年做不到全國的前三，對不起，你在科學院就待不下去，會失業的。
我這人可能比較吃這套吧，他這一說，我非得試試我行不行。然後我「背叛」了我的導師，轉身來到了中國科學院微生物研究所，我導師為此好幾年不理我。
發酵出優質的國產胺基酸
說到這兒，大家知道什麽是胺基酸嗎？胺基酸就是蛋白質的原材料，產業上主要是透過微生物發酵的方法來進行生產的。其中哪個胺基酸生產量最大呢？就是谷胺酸，我們吃的味精就是谷胺酸鈉。
那排在第二個的胺基酸是哪個呢？是賴胺酸。大家可能對賴胺酸不太熟悉，但它是9種人和動物必需胺基酸之一，非常重要。
而且賴胺酸在常規的谷物飼料中含量比較少，所以是一種極為重要的飼料添加劑。大家吃的豬肉、牛肉、羊肉和雞肉，之所以價格在國內還能保持那麽低，賴胺酸功不可沒。而且添加了賴胺酸之後，這些豬和雞不但長得快，營養和肉質也會變得更好。
我們國家是一個胺基酸大國，全球60%左右的胺基酸是在中國生產的，但是我們卻不是一個生產強國。主要原因是我們的微生物發酵菌種生產效能較差、生產成本較高，特別是我們的菌種專利數量還非常地少。所以我來微生物所第一件事，就要做出有自主智慧財產權的優良的生產菌種。
我2005年11月到了微生物所。我一報到，就去看了所裏從事工業微生物的實驗室，當時還是在用傳統的誘變育種。
誘變育種是什麽概念？就是用紫外線以及像硫酸二乙酯（DES）等化學物質誘導菌株突變。誘變完有大量的工作，有像右圖那麽多的平板都需要去篩選。那你篩選到的突變是不是你要的？不知道。這就像小朋友開盲盒，開到的東西是我要的嗎？未必，但是投入的工作量很大。
而當時，國外已經能透過合成生物技術進行基因編輯。它是在DNA水平上去做工作，相當於私人客製，我想改哪裏就改哪裏，我想怎麽改就怎麽改。於是我回國的第一件事，就是利用在國外學到的基因編輯技術，建立一個工業微生物個人化菌種改造與創新的平台。
我先把細菌的所有的代謝途徑的基因都輸到電腦裏，做成一個網路模型；然後透過模型預測出來應該改造哪些基因；然後再進行合成生物學的基因編輯；隨後再進行發酵罐的驗證、各種組學的驗證；然後一圈一圈這樣迴圈。就是我們合成生物學的8個字：設計、構建、測試、學習。經過多輪的這種迴圈之後，我們菌種的產量就上來了，副產物也在減少。
2007年時，寧夏一家企業找到我，希望改造賴胺酸的生產菌種。當時這家企業在國內胺基酸行業裏排到中等水平，但是它的生產菌種的產量太低了，轉化率也太低。他們希望能夠降低成本，增加企業的利潤。
於是我們就用剛才提到的這套平台，用電腦模擬一步一步地改，一共給它改了17個基因，最後無論是糖酸轉化率、還是產量，都達到了國際先進水平。
一舉兩得的好事，為什麽別人都不做？
可是這個時候又出現了一個問題。我2005年回國時，賴胺酸的價格是1噸3萬多元，等到了幾年之後，賴胺酸的產能過剩了。我們國家2020年賴胺酸產能達到了300萬噸，現在已經達到了350萬噸。這就使得利潤率急速下降，每噸從3萬多到1萬多，最低降到了5400元，企業沒有利潤了。
有一天，我在辦公室就琢磨怎麽幫企業把產能過剩的事解決。突然我發現，就跟大家現在看見的圖一樣，左邊是賴胺酸的分子結構，它叫2，6-二胺基己酸。如果我把帶紅圈的這個1位的羧基去掉之後，就成了右邊的1，5-戊二胺，這不就是我們做尼龍的單體原料？尼龍那有多大的市場！
就那麽一步反應，就能做那麽大的事，這件事輪得上我們來做嗎？於是我就叫我的助手梁勇博士去查。他發現，90年前也就是1934年，美國杜邦公司的卡羅瑟斯博士發明尼龍的時候，就是用5個碳的戊二胺和10個碳的癸二酸聚合成效能非常好的尼龍510。它跟蠶絲一樣，穿在身上涼涼的。
但是，化學合成法制備戊二胺用的原料成本太高，純化也太難做。於是他們到了1937年，退而求其次，開發了效能略差、但化工合成成本更低的己二胺，也就說用6個碳取代了5個碳，開發了尼龍66技術。
這是一張尼龍絲襪的廣告。它當年的描述是「像蛛絲一樣細、像鋼絲一樣強、像絹絲一樣美」。這個尼龍絲襪杜邦公司賣了4天，竟然銷售了400多萬雙，後來更是風靡全球，成了一個時代的象征。
你看，二戰時的尼龍絲襪都能帶來這麽大的收益，那現在尼龍市場得有多大？2021年全球尼龍的市場規模超過1000萬噸，產值1.5萬億-1.8萬億元，但90%以上是尼龍6和尼龍66。而要做尼龍66，用的己二胺的前體己二腈已經被國外企業壟斷，這就導致我們國家在尼龍66行業80%以上的利潤都被外企拿走了。
一邊是賴胺酸產能過剩，一邊是尼龍被「卡脖子」。如果我們能夠用賴胺酸合成戊二胺，那不就把賴胺酸的產能過剩和尼龍卡「卡脖子」兩個問題同時解決了？
但梁博士查回來的結果又告訴我，美國杜邦、德國巴斯夫、日本東麗、南韓希傑這些公司，他們都想走通這條路線，經過了很多年的努力，就因為工藝放大、廢棄物處理、成本等各種原因都沒有做成功。那難道我們就能做成功嗎？
大家知道我的性格，誰一激將我就上了。企業老總說，你試試。我說，試試咱就試試！於是我們就選擇用大腸桿菌做生產菌株。
大腸桿菌的優點是17分鐘就能傳一代，基因資訊完備，遺傳作業系統成熟，代謝途徑和調控機制研究得也非常深入。但最大的一個問題就是，大腸桿菌自身不能利用賴胺酸合成戊二胺。
既然我從大腸桿菌出發，要做的第一件事就要讓大腸桿菌能夠合成戊二胺，就是把外源基因引進到大腸桿菌，透過基因改造，使大腸桿菌能夠合成戊二胺。
第二個目標就是讓大腸桿菌高產戊二胺，還讓它的副產物越來越少，這件事我們也做到了。
同時還出現了第三件事，戊二胺對大腸桿菌有細胞毒性。也就是說戊二胺到了一定濃度，大腸桿菌就不生長了，這就麻煩了。於是我們又在大腸桿菌的細胞膜上加了一個轉運泵，就跟我們用的水泵似的，只要一產生戊二胺，這個轉運泵就能把戊二胺從細胞內轉到細胞外。
最後經過這些努力，我們的產量已經達到了全球領先的水平，莫耳轉化率接近100%，受質賴胺酸幾乎百分之百被轉化成了戊二胺，也就說我們合成戊二胺的這步成功了。
在實驗室能夠合成制造出戊二胺後，接下來還要把它純化出來。於是我們又在實驗室建立了不同的發酵工藝和純化工藝，得到了2個9（99%）以上純度的戊二胺。
從實驗室到產品的艱難跋涉
實驗室裏的成功讓我們非常興奮，信誓旦旦地跑到企業去做中試了。可是，令我們想不到的事出現了。
大家看，我們實驗室裏從5升的旋轉蒸發儀做到20升的旋轉蒸發儀。20升的旋轉蒸發儀對應的是什麽呢？對應的是50升發酵罐產生的發酵液。但是我們中試千噸級的時候，發酵液要用到1.5立方米的發酵罐，也就是說要比原來多產生300倍-600倍的發酵液。
旋轉蒸發儀下邊是油，溫度要達到120℃把戊二胺減壓蒸餾出來。在這種情況下，我們至少要做到直徑5公尺以上的球體，用它去蒸發。而這麽大的旋轉蒸發儀表面的蒸發量太大，能耗太高，這在產業化上是行不通的。
▲左：提取工藝走不通
右：大量裝置報廢
於是，我們又和企業設計了不同的中試裝置。但是大家看，我們最後做出來的東西有的像排骨，品質非常差，這種純度根本沒有辦法去做我們以後要做的尼龍和服裝。
這個時候，大量的裝置報廢，企業的幾千萬已經打了水漂，這對我、對企業來說壓力都非常大。怎麽辦？堅持不堅持？不堅持，沒法交代；堅持呢，做不出來又怎麽交代？我就得離開科學院，剛剛說了8年嘛。所以已經開弓沒有回頭箭了，必須堅持下來。
這個期間非常苦，包括我、包括劉樹文博士，我們每天都幹到夜裏兩三點，因為研發中心晚上10點關門，我們出來之後要翻墻頭到職工宿舍去睡覺。劉樹文博士更是最長一次連續做了45天，為此還推遲了婚期，工業化實在是非常艱難的一件事。
不管怎麽樣，經過3年努力，我們做成了，把戊二胺的中試成本從剛開始的9萬多元降到了2萬元左右。大家看右邊紅線框出的這些裝置，都是我們重新研制的。
然後又經過2年的努力，在2020年8月，我們在黑龍江大慶市建成了全球第一條萬噸級的戊二胺生產線。這個生產線和我們中試又有很大的區別。它用的是精餾塔，成本就會更低。
我們同時又用戊二胺聚合成了尼龍56，做了切片，做成長纖維、短纖維。它的黏度也達到了2.5左右，分子量達到2.5萬左右，達到了紡絲的要求，就可以用來做衣服了。
▲左：吸濕性強
右：易染色
剛才我說戊二胺比己二胺好，那尼龍56自然要比現在尼龍66好。它的優點很多，我舉幾個方面。它吸濕性強、易染色、難燃、玻璃化溫度低。
小朋友們冬天脫衣服時是不是滋啦啦地「電閃雷鳴」？為什麽？靜電太強了。但是你要穿上我們尼龍56做的服裝，由於它的吸濕性非常強，不會帶這麽強的靜電，晚上脫衣服就不會把你嚇著了。
▲耐磨性強
它還非常耐磨，特別柔順、絲滑，夏天穿著也非常幹爽。現在網上就有我們尼龍56做的瑜珈服、內衣、防曬服，效能明顯地超越了尼龍66。
同時，我們的合作企業還和國內外一線品牌開展合作，估計未來大家穿的鞋的鞋面都會是我們尼龍56的。而且他們在國外賣的價格能賣到每噸3.2萬元，因為我們尼龍56裏的戊二胺來自生物，國外現在特別認生物基的產品，在國內賣的價格反而還沒有那麽高。目前，這家企業也從原來的中型企業，成為了國內胺基酸產業前三名的巨頭。
合成生物學還有更廣闊的天地
我們做了一個什麽工作？打通了從玉米到服裝的全流程。
我們拿玉米做成澱粉糖、再做成葡萄糖、再做成賴胺酸鹽酸鹽、再做成戊二胺；接著做成尼龍56晶體、尼龍56切片、尼龍56長纖和短纖；最後做成布料、做成各種服裝。這樣，就實作了我們把玉米穿在身上的目標。
我們現在正在以戊二胺做單體，做尼龍5X系列，包括尼龍510、尼龍512。
我們未來要做的東西包括海下的油氣管道、繩索、降落傘、火箭的整流罩，包括人工血管管鉗的線，都可以拿我們的材料做。所以我們國家將走出一條生物基尼龍5X的路，這和國外石油基的尼龍6X的路是完全不同的。
而未來的合成生物學有可能將30%-60%的石油基化學品都透過微生物制造來實作。什麽概念呢？我們現在習以為常的煤化工產品、石油化工產品，以後很大部份都會透過玉米或者稭稈來做原料進行生產。
2005年夏天，也就是我來微生物所之前4個月，時任中國科學院院長路甬祥院士給微生物所寫了9個字：「微生物，高科技，大產業」。這也是我近20年來追求的目標。
我兒時的夢想就是生物制造，做一個產品。現在我已經有三四個產品在祖國大地的企業上得到了套用。我們最終目標是要實作以塑膠取代鋼材，實作更環保、更低碳。
在座的同學們，如果你們有誌於以後做合成生物學、生物制造方面的研究工作，可以加入到我們團隊裏，加入到中國科學院微生物研究所，一同讓我們中國的微生物站到國際科學的最前端。
謝謝大家！
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