上游扩产，彩虹糖更换包装，生物塑料PHA开始慢慢“变热”

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TK生物基材料报道，

PHA作为降解塑料中的冷门选手，相关报道一直较少。但迈入2021年，今年半年以来，国内外相关新闻陆续涌现，有制品公司采用PHA做制品、食品包装，上游公司也开始大力投产产能建设。针对欧盟SUP的指令中的相关细则，PHA全球组织更是怒怼。PHA生物基塑料开始慢慢“变热”。

聚羟基脂肪酸酯PHA是重要的生物降解塑料之一，同时PHA来自微生物发酵合成，也是典型的生物基塑料。

PHA的英文全拼是Polyhydroxyalkanoates，它在自然界大量存在，是细菌在生长条件不平衡时的产物。其生理功能首先是作为细菌体内的碳源和能量的储存物质，类似于植物的淀粉，被称为微生物的“脂肪颗粒”。

PHA完全来自微生物合成发酵 ，与其他生物塑料相比具有更天然的环保组成，在一众生物塑料中，PHA一直被视为对环境最友好的生物材料之一。

正是因此，面对欧盟此前发布的SUP指令中，对PHA的特别优待：“在工业环境中，通过人工培养和发酵过程查产生的生物合成聚合物，如聚羟基脂肪酸酯PHA不属于天然聚合物。”PHA全球组织发出过强烈抗议：

“PHA是所有不受该指令限制的天然材料中最环保的。如果泄漏到环境中，PHA将在所有环境中生物降解，而不产生微塑料”

本文主要从PHA的合成工艺、生产企业与最新的行业动态进行了分析。

01

PHA的合成制造

PHA 并非具体指某种高分子，而是一类结构相似、性能各异的高分子的统称。PHA 的命名一般简写成“P+ABC”。

关于PHA的研究最早始于一个叫Lemoigne的法国人的发现，他首次在巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）中发现了一种后来被命名为聚3-羟基丁酸的天然高分子，即PHB：PHA家族中结构最简单，最常见的材料，其力学性能和熔点与聚丙烯 (PP) 相近。

1.PHA的生物合成

PHA的生物合成主要分为三部分：主要微生物、主要基质、PHA的代谢途径与调控。

主要的微生物有产碱杆菌、假单胞菌、甲基营养菌、固氮菌、红螺菌等；最新的统计认为，土壤中至少有30%的细菌能够合成PHA。

主要基质有糖质碳源（葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等）、甲烷、气体H2/CO2/O2、烷烃及其衍生物等。此前有报道，韩国首尔庆熙大学李恩烈（音译）教授的研究组，利用工业副产品，将甲烷CH₄用作碳源，进行可生物降解塑料PHA的制造。

与使用纯菌相比，混合菌种对工艺的适应性强，工艺控制简单，无需灭菌消毒提供纯种环境，从而降低了工艺运行成本；混合菌种可以适应多种不同底物，从而扩大底物的选择范围，为混合底物应用于生产打下了良好的基础。

2.PHA的合成工艺

混合菌群合成PHA的工艺主要有厌氧—好氧交替运行工艺、微氧—好氧工艺和好氧瞬时进料工艺。

厌氧-好氧交替运行工艺

实际上为活性污泥工艺中的除磷工艺，PHA的积累与分解主要取决于厌氧—好氧系统中聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)的代谢活动。

在厌氧单元，活性污泥中的PAOs和GAOs分别水解细胞内贮存的聚磷酸盐和肝糖元，从而产生ATP形式的能量，同时摄取外界碳源合成PHA，进而细胞内的PHA含量增加。

微氧—好氧工艺

该工艺是在厌氧—好氧工艺的基础上进行改进而获得的。在厌氧单元通入一定量的氧气使之形成微氧环境，微生物通过氧化分解部分有机物来获得能量来合成PHA。

给好氧单元供应过量的氧气，微生物会消耗体内的PHA促进细胞生长。PHA的积累—分解过程循环往复，进而筛选出能积累PHA的微生物，提高PHA的合成率。

好氧瞬时进料工艺

该工艺是通过创造瞬变条件(如某种生长必需因子的匮乏，或者过剩的碳源)来完成的。

当底物供应呈现时而丰富时而匮乏的非平衡状态时，污泥中的某些微生物能够逐步适应很高的碳源浓度，并且快速地将基质吸收进细胞内，以一种平衡的状态合成PHA。

02
市场前景与行业未来
1.PHA的应用前景
PHA在包装、医疗，农膜领域均有良好的应用。PHA具有较其他生物降解塑料更高的阻隔性能，可用于鲜品保鲜包装，其性能可与PET、PP等传统塑料产品相比。
据european bioplastic coference数据统计显示，2020年PHA在全球生物塑料产能中占比不超过2%，而到2025年PHA生物塑料占比将上涨至11.5%，与PBAT、PLA的使用量相接近。

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与PLA等生物材料相比，PHA结构多元化，通过改变菌种､给料､发酵过程可以很方便地改变PHA的组成，而组成结构多样性带来的性能多样化使其在应用中具有明显的优势。
在物理性能与分子结构方面PHA与聚丙烯(PP)很相似，例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等，而比重大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、阻湿性等则是PHA的优点。
如PHA降解塑料之一PHBV（聚羟基丁酸戊酸酯）通过与PLA共混，用作纤维和纤维制品，能够高效抗菌，在医疗保健行业具有良好的应用。生物基（PHBV/PLA）抗菌纺织品的研究历史及应用场景
2.降低生产成本
目前限制PHA应用的主要因素是生产成本高，其产量远远小于PLA等降解材料。
据了解PHA生产成本高主要源自三个方面：原料成本较高、设备运行成本较高（生物反应的时间较长，需要密闭环境并严格控制温度、pH值等，还需要防止杂菌生长）以及产物纯化成本较高。

清华大学教授陈国强分析了PHA生物制造的成本结构，底物原料成本占50%，能耗占27%，下游生产成本占23%。他们决定从占成本比例最高的底物细胞做起，挑选出耐受能力更强，生产效率更高的微生物。

新疆的艾丁湖（上图）是世界最酷热干燥的地区之一，盐浓度高达200克/升。陈国强教授从艾丁湖筛选出两种嗜盐的野生菌：Halomonas TD和LS21。依照降低成本的生产需求，对这两种野生菌进行了精准的基因改造。“这两种野生菌都能在海水里快速生长，并产出生物塑料PHA。”
详细了解可点击：最牛技术：更换底盘细胞，把PHA成本降下来！

另外，目前不少企业与研究者也尝试了使用不同原料生产PHA。
如今年1月，美国一家生物科学公司Yield10 Bioscience宣布，已经成功地对亚麻荠（Camelina sativa）的原型生产线进行了现场测试。并表示他们可以在亚麻荠种子中提取出PHA。
在今年4月化工界头部公司-嘉吉（cargill）宣布，将通过菜籽油发酵生产PHA，以支持全球菜籽油产品不断增长的需求。该公司预计明年年初开始建设这个3.5亿美元的项目，计划在2024年初投入运营。
此前2020年11月，清华大学与北京本农环保科技集团有限公司宣布，在江苏省镇江市建成了有机废物资源转化技术研究中试基地，建成了国际上首歌利用餐厨废物等废弃碳源合成生物降解塑料PHA的中试项目。
3.下游制品陆续产出
在产品产出方面，PHA吸管、水瓶、包装等下游制品也开始陆续量产。
此前，有美国公司开发出新型吸管phade®，phade®就是用PHA（聚羟基链烷酸酯）制成的突破性的海洋生物可降解吸管。 这种吸管无论在家庭还是工业环境中都可堆肥，并且它还保持了传统塑料吸管的手感和用户体验。

此前5月12日，Cove（科威），一家总部位于加州的材料创新公司，宣布计划在今年推出首个完全由生物降解材料制成的水瓶。该水瓶的原料采用PHA，预计，该产品可能会是市面上第一批量产的PHA水瓶。
在今年六月，彩虹糖制造商宣布，将在今年年末或明年2022年初开始，彩虹糖将采用可降解包装。该包装将采用油菜籽和大豆等植物种子提炼制成Nodax®PHA聚羟基脂肪酸酯可降解材料。
03生产企业
目前我国拥有完整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的价格高、产量小是主要限制因素。

2021年6月，珠海麦得发控股子公司广东荷风生物科技有限公司发布年产1000吨聚羟基脂肪酸酯（PHA）环评公示。
该建设项目位于广东省湛江市遂溪县民营科技工业园工业南路1号，总占地面积为7756.3平方米，总建筑面积为6900平方米，项目总投资2800万元，主要生产聚羟基脂肪酸酯（PHA），生产规模为年产聚羟基脂肪酸酯（PHA）1000吨。

美国的Danimer Scientific 公司最初是一家聚乳酸复合制造商，曾于2007年从宝洁公司购买了其 PHA 发酵技术。

到了今年，随着PHA等降解材料的逐渐升温，PHA 的业务开始对 Danimer 产生重大影响。该公司去年在肯塔基州温彻斯特开设了第一家商业工厂，它的年产量为 9,000 吨，同时，该公司宣布明年将把产量继续扩大到约30,000 吨规模。

研究PHA的专家陈国强教授表示，随着PLA、PBAT、PBS、PPC和淀粉基材料的大力发展，PHA必然被带动。
相对于其他绿色材料，PHA的降价空间和性能可调都为最大，降低PHA生产的复杂程度和制造成本，将带来PHA发展的黄金时代。
陈国强教授将出席8.26日，由生物降解材料研究院在青岛举办的降解论坛，欢迎报名参加。
生物降解材料是国家新材料战略的重点，近来需求快速增长，产能迅速扩张，关于生物降解材料改性工艺、制品生产技术的探讨也已成为行业热点。
2021上半年，生物降解材料研究院成功举办了中国生物降解材料高峰论坛佛山站、苏州站，下一站选址塑料产销大省山东的经济中心青岛，欢迎报名《中国（青岛）生物降解塑料改性工艺及制品论坛》！
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