清华大学陈国强教授：点评降解塑料PHA，5年将成本降至1.2万

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摘要

本文以聚羟基脂肪酸酯(PHA)为例，总结和评述了最近30年我国学者在生态环境高分子领域的基础研究进展，并对其未来发展趋势进行了展望。

如何实现PHA的低成本合成一直是该领域亟待突破的最大难题，其中最有前景的是以嗜盐菌为基础的“下一代工业生物技术”(NGIB)发酵方法。

本文摘自《高分子学报》2019-09-04网络出版

1聚羟基脂肪酸酯(PHA)

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是微生物在碳源过剩的条件下合成的脂肪族聚酯，PHA以颗粒形式存在细胞内，大多数天然微生物只能合成其中一类PHA，但可以对生产菌株进行改造，设计合成不同结构和功能的PHA材料，提高PHA材料的附加值。

中国目前拥有世界上最大的千吨级生物发酵法PHA生产线，但是PHA的生产一直停留在千吨级的水平，如何实现PHA的低成本合成一直是该领域亟待突破的最大难题，其中最有前景的是以嗜盐菌为基础的“下一代工业生物技术”(NGIB)发酵方法(下图)，因为嗜盐菌是能在高盐环境生长的微生物，从而使无灭菌的开放式连续发酵成为可能，有望大幅度降低生产成本。

陈国强团队从中国新疆艾丁湖分离得到嗜盐菌HalomonasbluephagenesisTD01，以此为平台进行低成本PHA合成的探索，发现其最适盐浓度为20~60g/L，最适pH值为8.5~9.0，可利用葡萄糖积累80%以上的PHB，而且可以实现其它羟基脂肪酸酯如聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)和聚-3-羟基丁酸-co-4-羟基丁酸等的生物合成，从而为PHA的低成本合成开创了一条新途径。

Fig. 2

Production of PHA based on next generation industrial biotechnology (NGIB),  modification  and application of PHA (Reproduced  with  permission from Ref.[14]; Copyright (2013)  Chinese Chemical Society;  Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences; Springer Verlag Berlin Heidelberg)

2展望

对聚羟基烷酸酯（PHA）而言，尽管其发现和工业化的历史较长，但是高昂的合成成本一直是制约其工业化的关键因素，新的合成方法同样至关重要，亟需发展基于下一代工业生物技术。

实现PHA的低成本合成，同时实现各种PHA分子结构的可控合成，或对PHA进行高附加值功能化修饰，从多功能化方面克服高成本对PHA的应用限制。

另一方面，最近化学法合成PHA取得了重大突破，自从中国科学院上海有机化学研究所洪繆和美国科罗拉多州立大学Chen等利用过渡金属配位催化剂首次在常压低温条件下实现了γ-丁内酯(γBL)的开环聚合以来，

青岛科技大学李志波等采用有机环状磷腈超强碱(CTPB)，可高效催化γBL开环聚合得到线型PγBL[90]，进一步利用CTPB/脲二元催化体系制备高分子量PγBL，其具有与生物发酵法得到的P4HB近似的力学性质，

张兴宏等则利用硫脲/t-BuP4二元催化剂催化γBL开环聚合得到线型高分子量的PγBL，表明新单体和新的聚合路线对该领域的发展会起到很大的推动作用。

人物介绍

1963年生，1985年本科毕业于华南理工大学应用化学系，1989年获得奥地利格拉茨(Graz)工业大学应用化学博士学位。1990至1994年在英国诺丁汉(Notttingham)大学和加拿大阿尔伯达(Alberta)大学做博士后研究，长期从事“生物合成PHA材料及其下一代工业生物技术”的研究。他开发的技术已经在数家公司用于大规模生产微生物塑料聚羟基脂肪酸酯PHA，使我国成为PHA领域国际上学术和产业最发达的国家、以及其医学应用研究做多的国家。

为了寻找更好的全生物降解材料

他研究了36年！

在严格禁塑的今天，行业内都在寻找一种完美的可替代原料，于是PLA、PBAT等材料风靡一时，无数人把眼光转向它们。可另一种材料PHA，属于天然高分子材料，却被冷落一直默默无闻。

PHA(中文名：聚羟基脂肪酸)，是一种由微生物合成制造的天然高分子材料。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”。它应用非常广泛，包括农用地膜、包装领域、医疗行业(组织工程、植入材料、药物缓释、医疗保健)等多个领域。

随着国家禁塑和中国实现碳达峰、碳中和目标的公布，开发先进的生物技术、扩大生物降解材料的生产规模显得尤为重要。为此，中国化工报社可降解材料调研组走进清华大学生命学院，并与该院化工系教授、合成与系统生物学中心主任陈国强进行了交流。

陈国强教授研究生物降解材料PHA已有36年，他指出，PHA与当下主流的可降解材料PBAT、PLA不同，PHA全生物合成，把微生物(如淀粉、葡萄糖、餐厨处理废液、植物油等)作为原料合成PHA，不需要精选化学合成品，结构多元性造就了PHA独有的特性，对市面上三种材料碳中和指数比较，PHA100%，PLA70%, PBAT30%，由此可见，PHA是一种绿色环保型高分子材料。

据陈国强教授介绍, PHA作为近20多年来迅速发展起来的生物高分子材料，具有完全的生物降解性、优异的生物相容性、良好的物理性能和热加工性能，是备受关注的生物医用材料及降解包装材料，近年来，PHA已成为生物材料领域最为活跃的研究热点。最为引人注目的热点之一就是“可再生”和“可降解”特性。按理说，这样环保的材料应该早就被行业追捧了，但由于PHA源于生物制造，制造成本高导致了材料的高价格，制造工艺难又导致了PHA的低产量。

陈国强指出，PHA由于高耗能，耗水，设备投资巨大和工艺复杂等缺点，还不具备与石油工业为基础且大量生产的石化类塑料进行直接竞争。这些弱点严重制约了生产规模进一步扩大。为克服这一弱点，简化原材料的生产工艺，降低生产成本是推广PHA应用的首要因素。

为此，陈国强研究团队用合成生物学技术重新编辑了嗜盐细菌的基因，并成功开发了“下一代工业生物技术”，这在国际上是首创，并拥有多项专利。该技术使用耐盐细菌，可以用海水为介质，生产过程可以开放和连续化，使用廉价的塑料、陶瓷或水泥反应罐，大幅度降低了生物制造的复杂性和设备的高昂制造成本。同时，该技术还具有节能、节水、连续和工艺设备简单等特点，大幅度降低了生物制造的生产成本，使产品竞争性大幅度增强，目前处于全球领先水平。

在工业生产方面，陈国强教授与珠海麦得发合作开发PHA在医疗卫生和食品的应用、北京微构工场合作进行多种新型PHA的“下一代工业生物技术”生产。

陈国强认为，PHA与其他性能优良生物可降解材料互补，可以达到1+1>2效果。

PHA与PLA共混，在高速熔融纺丝的较强拉伸流场作用下，PHA 快速变形、结晶成为高取向的纳米微纤结构，有效促进PLA 结晶，并改善PLA/PHA 共混纤维的耐热性和柔韧性 (手感)、着色、加工性能。此外，PLA/PHA共混纤维的光泽 (外观) 与真丝等高档纤维相媲美，具有天然抑菌、防螨等功能特性。

PHA与PBAT共混能改善双方的性能，能增加PBAT膜的挺度和硬度，可以增加PBAT纤维的可纺性，改善PBAT的降解速度 (从工业堆肥等级到家庭堆肥等级)，已有案例表明目前至少能提升2倍降解速度。

陈国强表示，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。未来发展的重要方向是使用废弃可发酵原料制造PHA。

回顾研发历程，陈国强教授说，早在1994年开始研究PHA这个领域的时候，国内有50多个实验室在做PHA，现在就剩下2个(清华大学和中科院微生物研究所)，所以在PHA研究中，面临的挑战是蛮高的。关于未来，陈国强表示，自己和团队争取用5年时间，将PHA成本降低至12000元每吨，同时保证PHA原料的高质量，维持较高的产业标准，纯度≥95%，分子量≥30万。如果这一目标实现，意味着未来PHA生物降解袋将与目前的塑料袋价格相当。

陈国强最后表示，虽然相较于大家熟知的PBAT、PLA等可降解材料，PHA是一个小众的材料，但只要坚持下来，总会有春天。

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