去年风头强劲的可降解材料PHA，现在怎么样了？

文章来源:喀左北印纸塑包装 发布时间：2023-11-29 14:21 作者:喀左包装小编

　　当前全球气候变暖问题愈发棘手，气候变化引发的危机事件已然对生态环境和人类社会造成负面影响。面临严峻形势，我国于2020年提出“碳中和战略”，并将其上升为国家战略，积极参与应对气候变化全球治理。

　　而石油作为化石能源的重要组成部分，其消费量在2021年全球能源消费结构中占比高居榜首，达到31.3%。中国石油日消费量由2020年的1,441万桶增加至2021年的1,544万桶，增加量占全球石油消费增加量的20%，减少我国石油等化石能源的使用对降低温室气体排放十分关键。

　　在碳中和、能源转型以及环保领域的政策推动下，生物可降解塑料作为传统塑料的最佳替代，其使用和推广得到政策大力支持。PHA作为可降解材料的一种，也由此获得了发展契机。

　　PHA材料的降解

　　目前，生物降解聚合物主要分为三类:生物质来源且由生物合成的聚合物，如淀粉、纤维素、蛋白质、脂肪（包括天然PHA）等；生物质来源的单体经化学合成得到的聚合物，如PLA、PGA等；化石来源的单体经化学合成得到的聚合物，如PBAT、PBS等。

　　聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate，PHA)是生物可降解材料的一种，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能够在有氧和无氧条件下实现生物降解。由于PHA具有类似塑料的物理机械性能和加工性能，工业上可以采用微生物批量生产这种聚合物并以此替代传统塑料。

　　PHA在生物体内主要是作为能量的贮藏性物质而存在。打个形象的比喻，它就是细菌要吃的“能量棒”。由这种“能量棒”做成的材料被埋入地下，或进入海洋、淡水时，能够在细菌的作用下自然降解，整个循环过程遵循着从自然中来，又回到自然中去的模式。

　　天然PHA是微生物合成的一系列聚酯，目前已经发现其具有150多种不同的结构单元或单体。在实际应用中，该系列产品包括PHB、PHBV、PHBH等，它们各自具有不同的属性。专注于合成生物技术研发和创新应用的北京蓝晶微生物科技有限公司（以下称“蓝晶”）开发的是PHBH，属于中链共聚型PHA，兼具出色的使用性和加工性。

　　PHBH是目前商业化生物降解材料中唯一可以与纤维素和淀粉对等的，在不同环境中都可以进行很好降解的天然高分子材料。相比其他的可降解材料，它除了在降解性上有不错的表现，还可以通过与其他材料共混改性来提高最终产品的可降解性。

　　PHA的最大的特点是，在堆肥、土壤、海水等几乎所有环境中都可以被微生物分解，并且分解后的产物大多都是水和碳基，也不会污染环境。这个发现在禁塑背景下使PHA在一次性塑料产品领域的呼声渐起，也为一次性塑料替代产品提供了一种绿色可持续发展的思维。以下为PHA降解的条件：

　　①环境中含有能降解PHA的微生物，这些微生物一般在土壤、海水、池塘中都有存在，但是在不同的环境所拥有的微生物活性及其群落数量有所不同，因此PHA的降解速度也有所区别。

　　②环境里拥有足够多的水分、氧气、矿物质和葡萄糖等微生物存活所需要的养分，PHA可以作为微生物的碳源，被微生物摄取利用。微生物在分解消耗PHA时需要进行呼吸运动，因此需要氧气、水分和葡萄糖等提供呼吸运动的原料。

　　③对于不同类型的微生物及聚合物体系，需要提供一定的温度条件（20℃～60℃）和一定pH值（5～8）。

　　一般认为PHA的降解首先是在一定的条件下，各种附在培养基表面增殖的微生物释放出特定的降解酶。在降解酶的催化作用下，聚合物分解成很小的分子段，当聚合物分子量降到500g/mol以下时，就很容易被微生物吸收消化。

　　它的降解速度取决于酶的种类，数量和加入的添加剂等因素。如果不满足上述的条件如在常规的环境下或在淡水中PHA是不会被降解的。

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　　PHA材料的应用

　　PHA的基本性能与聚丙烯相似，可在传统塑料加工机械上进行拉丝、模压、热注塑加工成型，可代替绝大部分石油基塑料原料，广泛应用于农业、环保、生物化工、微电材料、能源、医药、医用材料等领域。

　　PHA材料的商业化进程

　　目前我国拥有完整的PHA生产链的企业只有为数不多的几家（北京微构工场、北京蓝晶生物、珠海麦得发、中粮生化、宁波天安生物、北京绿塑科技、意可曼等），PHA的产量还略有不足，生产成本也较塑料等材料较高，因此到现在PHA还没有得到广泛的应用，只是在医用方面有些许应用。

　　目前成本偏高及产能不足是制约PHA商业化进程的关键因素，短期来看，行业面临成本合理化及规模化扩产的挑战。长期来看，可以通过原料多元化和技术迭代持续降低PHA的生产成本，以实现对传统塑料的大规模替代。

　　导致PHA成本居高不下的原因有两个：一是较高的生产成本，二是原材料成本在PHA生产成本中占比最高。

　　从PHA生产来看，以油脂为原料比以糖类为原料的质量转化率更高。蓝晶采用原棉籽油为原料，棉籽油是棉花生产的副产品，每年中国棉籽油的产量约为一百三四十万吨，棉籽油中因为含有具有毒性的棉酚，通常用于工业领域，蓝晶采用棉籽油也是变废为宝的一个渠道。从原料价格来看，白渊斌说：“棉籽油的波动性与植物油联动，通常在百分之几十的波动范围，相比石油的价格波动要低得多。”

　　像糖类和植物油这类传统生物质原材料比较容易获取且供应稳定，但近年来随着粮食价格不断飙升，粮食问题已发展成全球危机，PHA在原料获取方面将存在与人争粮的问题。未来，通过技术迭代，可使用非粮生物质作为PHA的生产原材料，如秸秆、废弃烹饪油、有机废水、咖啡渣等，这些原料潜在供应量巨大。同时中国作为农业大国，秸秆资源位居世界首位，2021年中国秸秆产量高达7.4亿吨，可确保PHA原材料的稳定供应。此外，除了生物质原料，PHA还可以通过固定甲烷、二氧化碳等气体碳源进行生产，从而更有效地解决碳排放问题。

　　在生产方面，今年蓝晶研究的“生物混动”提出了新的解决方案。这一技术的核心在于，让微生物可以同时以二氧化碳和传统生物质为原料进行生物制造，一方面可以降低碳排放，另一方面可以降低生产成本。一旦成功，这将成为生物制造领域的一个重要里程碑，不仅可以用在PHA的生产上，今后还可以应用到其他大部分生物发酵产品的生产中。

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