《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確將生物制造作為生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。預(yù)計(jì)未來(lái)十年，石油化工、煤化工產(chǎn)品的35%可被生物制造產(chǎn)品替代，其中，PHA作為降解性能最好的生物制造產(chǎn)品，在生物基新材料領(lǐng)域最具產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。
PHA，又叫聚羥基脂肪酸酯，是一種天然高分子材料，和塑料的性能相似，是一種熱塑性材料，可以說(shuō)它是唯一的一種既是天然材料又可以跟現(xiàn)有的塑料加工工藝融合的材料。PHA在可生物降解的包裝材料、組織工程材料、緩釋材料、電學(xué)材料以及醫(yī)療材料方面有廣闊的應(yīng)用前景。
圖源：微構(gòu)工場(chǎng)
1、PHA作為生物聚合物的優(yōu)點(diǎn)和局限性
PHA是一種能用糖或植物油等可再生原料進(jìn)行發(fā)酵的塑料，一般以顆粒形式儲(chǔ)存在細(xì)菌中，在不同領(lǐng)域具有不同的作用。例如，不同單體的PHA聚合物和共聚物可以作為可生物降解、無(wú)毒環(huán)保的塑料替代品，用于包裝、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。
圖源：藍(lán)晶微生物
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因?yàn)镻HA的生物相容性、無(wú)毒性和無(wú)害分解以及抗菌特性使其可應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，包括藥物輸送和組織工程。同時(shí)PHA還具有植物固氮能力，使其適用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。
PHA表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用特性使得PHA較源自于纖維素普通生物基材料更具有優(yōu)勢(shì)以及適用范圍。但是從成本方面來(lái)看，PHA生產(chǎn)中涉及的微生物發(fā)酵過(guò)程比合成塑料的傳統(tǒng)化學(xué)工藝更昂貴。
2、PHA多樣化的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
不同的微生物產(chǎn)生具有各種分子結(jié)構(gòu)、單體比例和分子量的PHA。根據(jù)碳原子的數(shù)量，PHA可分為短鏈長(zhǎng)度PHA（Scl PHA）和中鏈長(zhǎng)度PHA（Mcl PHA）。Scl PHA由具有3-5個(gè)碳原子的單體組成，Mcl PHA 由具有6至14個(gè)碳原子的羥基鏈烷酸酯單體組成。其中最常見的有聚3-羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸酯(PHV)及PHB和PHV的共聚物(PHBV)。
PHA的結(jié)構(gòu) ? 3、PHA的生產(chǎn)
PHA的生產(chǎn)涉及一個(gè)多步驟的過(guò)程，PHA可以在多種生物體中自然合成，包括Cupriavidus, Ralstonia, Pseudomonas, Halomonas等。使用Bluephagenesis進(jìn)行PHB的7L發(fā)酵試生產(chǎn)如圖1d所示。經(jīng)過(guò)發(fā)酵條件，溫度、pH值的調(diào)節(jié)可以大幅增加菌體中的PHA產(chǎn)量。
發(fā)酵結(jié)束時(shí)，為了將PHA與細(xì)胞蛋白、脂質(zhì)和核酸分離并釋放PHA顆粒，需要破碎細(xì)胞并使用機(jī)械或化學(xué)方法提取破碎的細(xì)胞團(tuán)。最后將PHA加工成顆粒，片材，薄膜或線，加工成顆粒和粉末形式的PHA分別如圖1f和e所示。
4、PHA的多種應(yīng)用
01.PHA作為環(huán)保包裝材料
PHA在包裝行業(yè)的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到包括包裝薄膜、購(gòu)物袋、蓋子和桶等容器。PHA還可用于紙杯的可回收。PHA在食品工業(yè)中也有多種應(yīng)用，例如乳制品包裝中的涂層和薄膜，咖啡和茶包裝以及其他干糧包裝。此外，PHA還可用于如美容行業(yè)的類乳膠、熱敏膠和智能凝膠，例如無(wú)紡布PHA基質(zhì)可用于去除面部油脂。 瓶蓋（100%PHA材料）?圖源：藍(lán)晶微生物
02.PHA用于3D打印材料
PHBV、P（3HB-co-3HHx）和P（3HB-co-4HB）的共聚物可降低脆性并增加柔韌性從而適用于3D打印材料，使用PHA最廣泛的3D打印技術(shù)是選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔融沉積建模（FDM），立體光刻光化學(xué)工藝也開始使用PHA。
3D打印臺(tái)燈 圖源：藍(lán)晶微生物
03.PHA作為化妝品和抗菌材料
在化妝品領(lǐng)域，PHA已在各種產(chǎn)品中得到應(yīng)用，包括美容面膜和衛(wèi)生巾。例如在歐盟推出的polybioskin產(chǎn)品中。含有α-羥基酸（AHA）的PHA材料能夠結(jié)合大量的水，并通過(guò)抑制金屬蛋白酶和螯合性能成為卓越的抗氧化劑。
圖源：微構(gòu)工場(chǎng)
04.PHA在醫(yī)療應(yīng)用中的應(yīng)用
由于其生物降解性和生物相容性，PHA在醫(yī)用植入材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。PHA和基于PHBHHx的納米復(fù)合材料，已被廣泛用于各種醫(yī)療植入物，從螺釘、訂書釘和手術(shù)網(wǎng)到骨板、神經(jīng)導(dǎo)管、皮膚替代品和粘附屏障。PHA 還可用于傷口敷料、吊帶、骨移植替代品和眼細(xì)胞植入物。
圖源：藍(lán)晶微生物 ? ? 05.PHA在服飾、家訪應(yīng)用中的應(yīng)用 ? 生物基纖維以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，成為了市場(chǎng)上的一股新興力量。 圖源：微構(gòu)工場(chǎng)
5.PHA的主要企業(yè)
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隨著“限塑令”的進(jìn)一步進(jìn)行以及“碳達(dá)峰”、“碳中和”的理念的不斷深入人心，中國(guó)大量生產(chǎn)PHA的公司都在不斷的發(fā)展建設(shè)當(dāng)中。
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藍(lán)晶生物
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藍(lán)晶微生物年產(chǎn) 5,000 噸藍(lán)晶? PHA 的「超級(jí)工廠——BioFAB1」位于江蘇省鹽城市濱?？h，現(xiàn)已建成投產(chǎn)。目前，藍(lán)晶微生物正全力推進(jìn)二期工程的規(guī)劃，工廠將形成總計(jì)每年 25,000 噸的藍(lán)晶? PHA 供應(yīng)。
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微構(gòu)工場(chǎng)
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微構(gòu)工場(chǎng)成立于2021年2月，主要利用“下一代工業(yè)生物技術(shù)”平臺(tái)，建設(shè)新一代綠色超級(jí)細(xì)胞工廠，進(jìn)行生物降解材料PHA、醫(yī)藥中間體四氫嘧啶、尼龍56前體戊二胺等多種高附加值產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)。全國(guó)PHA在建生產(chǎn)線10000+/噸。
圖源：微構(gòu)工場(chǎng)
中糧科技
2022年中糧科技下屬榆樹公司1000噸/年P(guān)HA裝置投產(chǎn)，是目前國(guó)內(nèi)首條全自動(dòng)化和高標(biāo)準(zhǔn)化的PHA生產(chǎn)裝置。標(biāo)志著中糧科技在吉林省打造的生物基可降解材料全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉秴^(qū)已經(jīng)初具規(guī)模，至此形成聚乳酸（PLA）和PHA雙產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)格局。
寧波天安生物
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寧波天安生物材料有限公司是國(guó)內(nèi)第一家采用生物發(fā)酵工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全生物降解材料PHA產(chǎn)業(yè)化的高新技術(shù)企業(yè)。主要產(chǎn)品為PHA家族中的PHBV（聚羥基丁酸戊酸酯）和PHB (聚羥基丁酸酯)。目前工廠年產(chǎn)能為2000噸。
深圳意可曼
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深圳市意可曼生物科技有限公司?2009年年產(chǎn)5000噸PHA生產(chǎn)線成功投產(chǎn)。
珠海麥得發(fā)
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珠海麥得發(fā)生物科技股份有限公司采用前沿合成生物學(xué)工程技術(shù)，聚焦于自主創(chuàng)新和開發(fā)新一代全生物基自然可降解PHA生物材料及其下游高端衍生產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)、應(yīng)用和市場(chǎng)化。
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此外江蘇潔凈環(huán)境、北京本農(nóng)環(huán)保、豐原生化等企業(yè)，也都有PHA產(chǎn)品生產(chǎn)。國(guó)外布局PHA產(chǎn)業(yè)的時(shí)間較早，目前在PHA領(lǐng)域有布局或計(jì)劃有布局的公司包括韓國(guó)的CJ制糖，日本的Kaneka、美國(guó)的Danimer Scientfic和Mango Material、新加坡的RWDC Industries等公司。此外，韓國(guó)樂天化學(xué)宣布將與中央大學(xué)尹成浩教授共同開發(fā)基于石油化學(xué)的可生物降解塑料材料聚羥基脂肪酸酯（PHA）生產(chǎn)技術(shù)。
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6、未來(lái)展望
PHA與傳統(tǒng)塑料的成本競(jìng)爭(zhēng)仍有多方面的因素需要考慮，例如，原料成本、工藝優(yōu)化和發(fā)酵技術(shù)的等因素，未來(lái)人們可以通過(guò)合成生物學(xué)和其他技術(shù)手段來(lái)得到高產(chǎn)PHA的底盤菌、建立按需合成PHA的低成本生產(chǎn)平臺(tái)，最終推進(jìn)PHA的廣泛應(yīng)用。
開發(fā)PHA原材料的商業(yè)應(yīng)用可以在市場(chǎng)上獲得溢價(jià)，也支持PHA生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性，進(jìn)而經(jīng)過(guò)良性循環(huán)，擴(kuò)大PHA的商業(yè)規(guī)模，為未來(lái)的投資和發(fā)展創(chuàng)造更有利的環(huán)境。在未來(lái)的研究中，PHA的應(yīng)用重點(diǎn)應(yīng)該是PHA取代散裝塑料的使用并實(shí)現(xiàn)綠色低碳經(jīng)濟(jì)，以及在醫(yī)療領(lǐng)域的高價(jià)值植入物的應(yīng)用。
參考資料：全生物降解材料、生物基能源與材料、藍(lán)晶微生物、微構(gòu)工廠
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦高分子）：一文了解生物基降解材料（PHA）