专访中科国生王磊：化学催化实现HMF的低成本生产，拓展下游衍生品全产业链，实现石油基材料的「功能性」替代
如果将我们身边基于石油化工生产的产品全部移除，那么此刻我们也许会一丝不挂地站在光秃秃的土地上。
数以万年积累的石油资源为人类社会的工业化发展做出了巨大贡献，同时不得不面对的事实是石油资源可能在百年之后枯竭，届时，石油化工或许不再是人类工业文明的支柱，加之石油工业一直是重资源、高污染、高能耗产业，出于可持续发展考虑，需要寻找新的替代方法。
方法之一便是开发生物基材料，即利用生物质原料生产新材料来替代石油基产品。而石油基产品种类繁多，涉及衣食住行诸多方面，应该从哪种化合物开始替代？
实际上，在工业中有一类“平台化合物”的概念，这是一类可作为结构单元或基本元素，以工业规模合成一系列化工中间体和产品的化合物，也就是说，只要合成了生物基的平台化合物，其衍生的诸多产物都可以实现生物基替代。
这也正是中科国生（杭州）科技有限公司（以下简称“中科国生”）在做的事情，中科国生成立于2021年7月，主要从事基于5-羟甲基糠醛（HMF）平台化合物的生物基材料的设计及研发，在11月完成了数千万元的天使轮融资，借此机会，生辉SynBio邀请到了中科国生CEO王磊，来分享他在生物基材料领域的研究经历和创业经验。
王磊2007年从中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）博士毕业，导师是林励吾院士和田志坚教授，两位老师长期从事催化应用和产业化的研究，毕业之后他留在大连化物所继续从事科研工作，2012 年转而进入中国科学院宁波材料技术与工程研究所，2021年4月离开科学院体系全职创立了中科国生。
王磊告诉生辉SynBio，“平台化合物大多数是链状的，而HMF是唯一一种具有环状结构的平台化合物，结构稳定性更好，强度更高，此外其呋喃环上的氧原子可能会赋予材料特殊的性能，这些对于材料开发来说意义重大。也正是因为HMF是唯一的环状平台化合物，所以其下游衍生物的开发空间要高于其他链状化合物，具有拓展成为产业链的潜力。”
中科国生成立之初，就吸引了一大批有志于生物基新材料开发并看好HMF产业链未来发展的博士和硕士，同时也和中国科学院大连化学物理研究所以及大连理工大学等高校以及科研院所建立了合作关系。目前中科国生的研发团队已经在全球率先开发出了固定床连续化的HMF生产工艺，这完全区别于现有其他企业的间歇釜式工艺，是真正可以实现HMF低成本的规模化工艺。此外还打通了从HMF到下游衍生物单体和终端产品的全技术链条，开发出的产品在高性能生物基聚酯材料等领域得到了广泛应用。
王磊介绍道，“大约在2011年左右，欧美国家开始HMF的产业化开发，国内有很多的研究团队从2012年也开始了相关研究，这一点几乎跟欧美是同时期的。目前来看，大多数公司利用HMF的线路相对单一，而中科国生则关注多条HMF衍生产品线路，针对更多领域应用去研发和推广。”
同时为了提高HMF衍生产品的合成效率，中科国生也在利用人工智能和高通量合成机器人技术，从HMF到某一终端化合物的合成线路是多样的，人工试错的时间成本和资源成本很高，“利用AI的预测和学习功能，结合自动化机器人的路线验证，效率比人工会高很多，我认为这也是未来中科国生的竞争优势。”
功能性聚酯PEF是中科国生目前的终端产品之一，主要用于替代现有的PET聚酯，“PET应用范围很广，但有一个缺点是气体阻隔性不够，对二氧化碳、氧气、水汽的阻隔性不强，在某些场景下无法完全满足使用需求，PEF则具有更强的阻隔性，给予了这种材料更多附加值空间。”
图丨PEF和PET性能对比图（来源：荷兰corbion公司官网）
“所以我们将现在开发的下游产品定义为功能性材料，而不是跟石化材料性质、结构完全一样的材料，我们的目标是实现更加有价值、更有附加值的替代。”
“目前国内很多家聚酯企业也都跟我们在进行对接和沟通，后续也将开展合作。”王磊告诉生辉SynBio，“现有市场的消化能力是足够的，我们国家每年聚酯的产能大约是5000-6000万吨。中科国生的千吨级生产基地将于今年年底投产，明年计划再建一个万吨级的生产基地，以提高规模、降低成本。”
HMF产业的下游产品包括醇，酸，醚，醛等上千种的衍生物，以及由这些新的衍生物继续合成万种的终端产品，可广泛应用于塑料，化工，油品添加剂，食品等各个行业，可以对标现有市场领域中应用的绝大多数石油基产品。
王磊表示，真正影响HMF产业发展的关键因素其实是低成本规模化的HMF原料。HMF早在两百多年前就已经被人们发现，其下游衍生物的优异性能也早都被大家所认可，但一直以来居高不下的HMF生产成本严重阻碍了整个产业的发展。
几年前，HMF的生产成本高达近百万元/吨，即使在当前，绝大部分生产商的成本依然在十几万元/吨以上，这根本无法达到下游应用领域的实际价格可承受范围。以用于生产PEF聚酯的重要原料呋喃二甲酸（FDCA）为例，大规模市场可接受的吨级价格至少要达到3-5万/吨，而FDCA的成本中70-80%都来自于HMF的成本（其他的HMF衍生物的成本结构也都类似），因此，只有把HMF的成本降低到1-2万/吨的区间，才真正能够把整个HMF产业发展起来。
图丨HMF合成FDCA线路（来源：wikipedia）
王磊告诉生辉SynBio，其实市场上也有很多不一样的声音，不少人一方面看到了FDCA下游的广阔市场，另一方面又不愿意啃HMF这一块“硬骨头”，因此就萌生了跨过HMF这一环节直接从糖原料到FDCA的想法，走所谓的“捷径”。但从目前已有的理论研究结果以及实际生产过程来看，HMF都是必不可少的环节，是无法逾越的。
“‘欲速则不达’，几千年来国内外圣贤们都在反复提醒后人，成功的路上没有捷径。因此，中科国生从成立伊始就下定决心，不管经历多大的困难，不管坐多久的冷板凳，也要彻底解决HMF低成本规模化这一关键难题，真正打通HMF产业发展的‘任督二脉’。”王磊表示。
“目前看，我们在全球首创的固定床连续化HMF生产工艺完全有可能在未来2-3年将HMF的成本降到1万/吨，届时FDCA的成本有望达到1.5万/吨，这将会极大的促进生物基材料特别是生物基聚酯产业的发展。”
提到替代石油基产品，以生物合成的方法生产生物基产品也是当前热门领域，其中PHA聚酯也被认为是塑料的一种可替代品，那么PHA与PEF又有何区别呢？
王磊解释道，“这两种塑料关注的重点不同，PEF关注的是功能性，PHA则更多关注的是降解性，对应了不同的应用场景。传统农业中的地膜会造成塑料污染，也不方便回收使用，使用可降解的PHA则解决了这一问题，但有些场景下，人们对塑料的要求是耐热、透明、轻便、气体阻隔性好，这是PEF的优势，所以可降解和功能性都是未来塑料的发展方向。”
“同样的，生物合成和化学催化的方法也都有不同的适用性，生物合成的方式可能更适合于化学方法不容易合成的产品，但目前化学催化还是更适合规模化生产，一些化学方法非常成熟，基础线路非常优秀，所以大部分石油化工、煤化工都是化学催化过程。”
同时王磊也认为生物合成的方法是非常好的一种方式，生物合成技术可能整合到中科国生的生产链条当中，以合成HMF的原料为例，目前中科国生使用的直接原料是果糖，果糖可由葡萄糖通过生物技术转化而来，而葡萄糖则可以由淀粉或纤维素转化而来，这些都是中科国生潜在原料。此外，出于粮食安全考虑，中科国生也正在研发使用非粮食作物的转化。
近期，同样是中国科学院团队，以人工合成的方式，将二氧化碳直接转化为了淀粉，王磊认为，“如果这一技术能够实现产业化，完全可以跟中科国生的线路衔接，先用二氧化碳合成淀粉，再将淀粉作为原料生产HMF。”
“类似的合作是完全有可能的，我们目前是一步一步规划，计划先将HMF产业化落地推进，然后逐渐地延伸到前端技术。”
王磊表示，“目前石油资源还可以用几十年到一百多年，未来对石油基产品的替代是一个逐步替代的过程，但无论是怎么样的过程，都不是单方面的，生物质可以作为生产原料替代一部分石油，但不代表以后完全放弃使用石油，因为现阶段石油化工仍然具有很多的优势，所以将来更可能出现的情况是不同产业链之间的互补。”
关于离开科学院的科研体系、全职进行创业的心路历程，王磊表示，自己作为一个创业新兵，还谈不上什么心得体会，只是根据这段时间的所做所见所闻，有一些感受：“科学研究和创业既有相通又有不同，需要用两种完全不同的思维模式来考虑问题。对于科学研究而言，重点在关注研究本身，而创业则需要关注方方面面的问题，公司发展战略、经营管理、投融资、团队建设等等都是创业者需要思考的问题。”
“我现在正在经历从科研人员到创业者的思维和角色转变，很高兴看到我们研发团队的快速成长，让我一开始就能够放开手脚把精力投入到公司的管理和发展上去；非常感谢科学院体系（大连化物所和宁波材料所）多年来对我的培养，让我能够有更宽阔的视野并站在更高的层次上思考中科国生的未来发展方向；同时也非常感谢已经参与和未来即将参与中科国生的投资机构，用资本的力量助力我们展翅翱翔。”
“未来，我们一定会团结一切可以团结的力量，把HMF这个利国利民的新兴产业做大做强，实现用生物质改变生活的伟大目标。”王磊充满信心地表示。
http://www.guoshengtech.com/newsinfo/2109888.html
