生物质材料PHA，可否解决环保难题？ ​

文｜钱丽娜 石丹

ID｜BMR2004

每年，大约有1000多万吨的塑料废弃物进入海洋，由于塑料无法在海洋中自然降解，因此也成为了海洋动物的最大杀手之一。又由于塑料袋在海洋中的形态与海龟喜爱吃的水母相像，常常导致海龟误食，乃至死亡。因此，寻找由可自然降解的生物质材料制成的塑料成为全球产业关注的重点领域。

由于高分子生物材料PHA(Polyhydroxyalkanoates，聚羟基脂肪酸酯)可以在淡水、海水、土壤、堆肥等自然和人工环境中，在有氧和无氧条件下实现生物降解，完全转化为水和二氧化碳，不会留有任何有毒的残留物、微塑料或纳米塑料的小颗粒，而且PHA具有类似塑料的力学性能和加工性能，因此成为全球产业界试图大规模产业化应用的新型材料，并期望在不久的未来取代一次性塑料的使用。

自塑料被发明以来，它已经成为人类生活中不可或缺的产品。塑料的原料品种很多，有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS等，这些皆是化学合成的高分子材料。高分子材料产业始于20世纪初，发展至今已有100年左右的历史，像尼龙（PA，聚酰胺）做成的丝袜，涤纶树脂（PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯）做成的饮料瓶，聚氨酯（PU，聚氨基甲酸酯）做成的航空飞行甲板垫、客舱墙等均已渗透到现代生活的方方面面。

然而，塑料在提升人类生活品质的同时，也带来了严重的环境污染问题。上述材料在自然界很难被降解，尤其是包装中使用的塑料占全部塑料产量的40%，根据经合组织发布的《全球塑料展望报告》，其中仅有9%的塑料被回收利用，成为环保中的一大难题。在此背景下，业界开始寻找传统塑料的替代方向。目前的替代方案有两种：传统非石化材料(如玻璃、陶器、金属、纸等)和生物可降解材料。生物可降解材料又分为石油基和生物基。

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。

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。

蓝晶与浦景化工进行合作，使用PBAT与PLA分别与PHBH共混后进行海洋降解实验。经过87天的实验，双方得到如下实验结果：

1.PHBH纯料在海水中降解率超过86%，而PBAT纯料的降解率仅4.3%，PLA纯料的降解率仅5.6%；

2.当PLA与PHBH共混后，共混物最大降解率超75%；

3.当PBAT与PHBH共混后，共混物降解率超过65%。

在物理性能上，PHA既可以对共聚物的单体结构进行选择搭配，亦可以与其他可降解材料复配，提升共混物的综合性能。在生产中，通过改变给料、微生物或条件，可以改变PHA的刚性、韧性、耐热性、阻隔性、透明度等等，从而应用于不同的领域。

普华永道中国ESG可持续发展总监张晓蕊介绍，目前PHA主要还是应用于不便于回收的强需求场景，如可降解塑料袋、农用地膜、一次性餐饮具、包装等。从宏观环境来看，在全球双碳趋势及各地限塑政策的扶持下，绿色低碳发展定将成为未来的主旋律，引领整个塑料及包装行业迎来新的变革。

“PHA产品作为传统塑料的替代品，能够解决传统塑料不可降解、回收利用难等问题，减少废弃塑料对环境的污染，有效帮助上下游企业完成绿色低碳转型。” 张晓蕊说。

“PHA是天然材料，富含纤维素的秸秆、富含淀粉的玉米也是天然材料，PHA本身就存在于自然界，但它是以微生物脂肪的形式而存在，人类并没有发明它，我们只是找到了将PHA大规模工业化生产的技术。”蓝晶创始合伙人兼市场副总裁白渊斌说。

从历史上来看，一个材料对环境的影响需要历经一个长期且复杂的过程。普华永道中国ESG可持续发展市场主管合伙人倪清告诉《商学院》记者，“材料对环境的影响涉及材料从提取到废弃的整个过程，每个阶段对环境产生的影响具有不同属性，所以很难用具体的时限去概括。”为了评价材料对环境的长期影响，进行全面的生命周期评估是很重要的，这就需要考虑材料的来源、生产、处置及回收，同时将相关的能源消耗、温室气体排放等因素纳入考量范围。

过去曾经有研究将淀粉与传统塑料混合制成所谓的“生物降解塑料”，对此，倪清解释说，这种塑料中只有淀粉成分能被降解，其传统塑料成分仍然不能被降解，且难以回收。目前还存在淀粉与PLA、PBAT等共混的可降解材料，但PLA本质上不属于天然化合物，自然条件下降解较为严苛，需要工业条件堆肥才能实现生物降解，因此在垃圾分类及堆肥基础设施建设不够完善的地区，PHA材料的意义显得日趋重要。

倪清说：“从长期对环境的影响来看，PHA材料即使不经过人为处理也可以从环境中自然消失，这种‘环境消纳’的特性可以进一步降低塑料对环境的负面影响。”

目前，全球仅美国Danimer公司、日本Kaneka公司能够大规模生产中链共聚型PHA材料。蓝晶微生物是全球第三家、中国第一家掌握该材料大规模制造技术的企业。

值得注意的是，PHA从发现到生产再到应用，走过了一段不短的历程，过程中充满挑战。

1888年，荷兰微生物学家马蒂纳斯·威廉·贝耶林克（Martinus Willem Beijerinck）首次在一种微生物体内发现了它。1925年，法国微生物学家莫里斯·莱莫因（Maurice Lemoigne）首次从巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）中分离出后来被命名为“聚3-羟基丁酸”（缩写为PHB，为PHA家族中的一员）的天然高分子，并对此进行研究。

众所周知，人类对微生物的研究和应用是近百年的事。早期微生物主要用于制造味精、酸奶、青霉素等食品和药品，将微生物应用于材料制造只是近年来的事。1980年，英国帝国化学工业公司尝试将PHA进行产业化，但因为成本与传统石油制成的塑料相比太过昂贵，后来不得不出售这一技术。

白渊斌说：“制造一类高分子材料通常需要整个产业耗费十年左右的时间，进行高达数十亿美元的投入，而PHA开发的时间跨度更长，开发难度更大，双方难度甚至不在一个数量级。”

PHA的研发涉及微生物、生物工程和高分子材料三大领域，而在产业应用中，全球同时具备这三大学科技术能力的公司极其稀缺，这使得挑战异常巨大。“每一个客户的需求都是一个跨学科的解决方案，我们内部统计发现，这一材料若要实现工业化生产，并在不同领域得到应用，所涉及的学科大约有30种，对研发的挑战巨大，而一旦成功，壁垒也会很高。” 白渊斌说。

自2010年以来，随着合成生物学领域的新一代基因编辑技术CRISPR、生物信息学、代谢工程学、高通量发酵及检测、下游分离纯化等核心技术环节的重大突破，使得PHA在菌株研发迭代速度大幅提升的同时，成本不断下探。白渊斌解释说：“合成生物学可以理解为拼乐高，用底盘和基因元件来组装生物，而传统生物学是将整体拆成零件。”

如今，PHA的生产需要考虑三个要素：底盘细胞、碳源（原料）和代谢通路。蓝晶微生物通过合成生物技术，提升了底盘细胞的生长速度，能高效“吃掉”碳源，提高碳源转化为PHA的效率。

“蓝晶在微生物底盘库和基因元件库有丰富的积累，基于这一资源和数据，我们能够实现更多的可能性。更重要的是，作为一家企业，我们跟科研机构不同，能够把技术、产品和市场连接起来，实现正向的循环。”白渊斌说。

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。张晓蕊说：“未来，降低原材料成本的路径主要有三条：一是发展产业链一体化，整合上游产业链；二是发展原料多样性；三是通过持续技术迭代实现原料转化率的提升。”

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。”

张晓蕊认为，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。

蓝晶的关键技术名为“生物混动”（biohybrid），灵感来自于光合作用。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。

白渊斌说：“石化产业发展了100多年，体系已经构建得非常完备，没有多少可以创新的空间，但是生物制造才刚刚开始，空间还很大，目前蓝晶会专注于利基市场（小众市场）的开发。”

2022年，蓝晶位于江苏盐城的PHA工厂开始运行，首期产能为5000吨，报批规划产能为25000吨，另外，当地政府还为蓝晶预留了三期的土地，预计规划产能为50000吨，总规划产能为75000吨。

白渊斌说，传统大宗塑料年产量约有3亿吨，如果PHA可以渗透20%的市场份额，便有6000万吨的市场规模，蓝晶未来能占有1000万吨就是比较理想的状态。一吨产品按2万元计算，产值可达2000亿元，如果再进入下游应用，会有更高的附加值产生。

2019年全球PHA组织（简称“GO!PHA”）产业联盟成立，该组织将提供一个合作平台来应对海洋塑料和自然资源保护的挑战，支持企业可持续发展目标。白渊斌作为中国的代表，于2023年当选为该组织六位董事会成员之一。他说：“我们从决定做PHA的那一天起，就选择面向全球市场，在开拓市场的同时，也在持续为行业发声，并与产业界上下游伙伴合作，共同为人类提供更可持续的解决方案。”

（本文来自《商学院》杂志2023年2&3月合刊）