即將于 5 月 29 日至 31 日在深圳召開(kāi)的"先進(jìn)生物材料創(chuàng)新應(yīng)用論壇"上，作為可持續(xù)材料的領(lǐng)跑者，藍(lán)晶微生物將在會(huì)議上分享其創(chuàng)新材料藍(lán)晶? PHA 在生產(chǎn)和應(yīng)用中的最新成果和進(jìn)展。PHA 材料以其生物降解性和廣泛的應(yīng)用潛力，正成為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的關(guān)鍵力量。藍(lán)晶微生物的參與和分享將為與會(huì)者提供深入了解這一創(chuàng)新材料的機(jī)會(huì)，同時(shí)也有助于推動(dòng)行業(yè)內(nèi)外對(duì)可持續(xù)材料的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和應(yīng)用。

藍(lán)晶微生物 -丘志鵬

丘志鵬，藍(lán)晶微生物高級(jí)經(jīng)理，莫納什大學(xué)碩士，超過(guò)10年合成生物學(xué)以及生物基材料研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，超5年商務(wù)拓展和項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)。

PHA（聚羥基脂肪酸酯）是一種由細(xì)菌在特定條件下產(chǎn)生的天然高分子材料。它們是一類具有生物可降解性的聚合物，可以作為塑料的替代品。PHA 具有多種特性，使其在生物材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力?？砷喿x相關(guān)資料了解更多：《藍(lán)晶微生物：原來(lái)，它真的可以這么快消失！》

PHA 行業(yè)現(xiàn)狀

PHA 目前正處于發(fā)展階段，隨著全球?qū)沙掷m(xù)材料需求的增加，市場(chǎng)呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。盡管面臨生產(chǎn)成本等挑戰(zhàn)，但技術(shù)的進(jìn)步和政策的支持正在推動(dòng)行業(yè)向前發(fā)展。在這一領(lǐng)域，一些企業(yè)因其創(chuàng)新和商業(yè)化努力而成為行業(yè)的領(lǐng)頭羊。

荷蘭的 Paques Biomaterials 是 PHA 行業(yè)的先驅(qū)之一，該公司專注于 PHA 的生產(chǎn)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，其 Caleyda?品牌產(chǎn)品在生物塑料市場(chǎng)占有一席之地。美國(guó)公司 Newlight Technologies 以其 AirCarbon?品牌生產(chǎn) PHA，主要應(yīng)用于消費(fèi)品和包裝材料，該公司的創(chuàng)新技術(shù)在行業(yè)中備受矚目。此外，Danimer Scientific 生產(chǎn)的 Nodax? PHA，因其在食品服務(wù)和醫(yī)療包裝中的應(yīng)用而受到關(guān)注。這些企業(yè)通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，正在推動(dòng) PHA 材料在包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、紡織和 3D 打印等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

PHA：為什么需要這么長(zhǎng)時(shí)間？

PHA 是一種具有吸引力的生物可降解塑料，但為什么它的發(fā)展需要這么長(zhǎng)時(shí)間？

Paques Biomaterials，一家生產(chǎn) PHA（聚羥基脂肪酸酯）的公司，已獲得了 1400 萬(wàn)歐元的補(bǔ)貼，以商業(yè)化其技術(shù)。這種名為 Caleyda?的材料的開(kāi)發(fā)將在荷蘭埃門進(jìn)行。PHA 作為一種生物可降解材料，對(duì)于其的開(kāi)發(fā)已經(jīng)持續(xù)了超過(guò) 10 年，但是為什么它們的開(kāi)發(fā)需要這么長(zhǎng)時(shí)間呢？這是我們今天需要探討的主要問(wèn)題。

3D打印PHA。照片：Paques Biomaterials公司

PHA 的承諾

我們經(jīng)常討論 PHA 的諸多優(yōu)勢(shì)及其潛在應(yīng)用。作為一種可持續(xù)材料，PHA 能夠分解為無(wú)害成分，不釋放微塑料或有害納米顆粒，從而避免了對(duì)海洋和水源進(jìn)一步污染。它們甚至可以利用有機(jī)廢液，包括污水，進(jìn)行生產(chǎn)，這在成本上具有潛在優(yōu)勢(shì)。

然而，我們必須提出疑問(wèn)：如何確保原料組成的穩(wěn)定性？為了獲得一噸產(chǎn)品，我們需要處理多少立方米的原料？與傳統(tǒng)的化石燃料替代品相比，生物制造的挑戰(zhàn)更大；與現(xiàn)有的生物塑料如 Corbion 的 PLA 和 Avantium 的 PEF 相比，也是如此。盡管如此，市場(chǎng)對(duì) PHA 的期望依然高漲，荷蘭在全球這一領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵角色。

問(wèn)題可能更為復(fù)雜

數(shù)十年來(lái)，推廣新材料一直是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。市場(chǎng)已被各式各樣的產(chǎn)品所充分滿足。只要能源市場(chǎng)的巨大規(guī)模還能支持基于化石的材料，小眾產(chǎn)品想要突破自身的市場(chǎng)局限就十分困難。PHA 可能正朝著這樣的未來(lái)邁進(jìn)。

因?yàn)闋可娴降睦﹃P(guān)系遠(yuǎn)不止于此。PHA 生產(chǎn)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。我們已經(jīng)討論了需要處理的龐大資源量。那么，由這些資源產(chǎn)生的副產(chǎn)品將如何處理？它們會(huì)帶來(lái)額外成本嗎？生產(chǎn) PHA 的微生物對(duì)資源成分變化的敏感度有多高？畢竟，這些都是有機(jī)廢料，通常它們?cè)谫|(zhì)量上沒(méi)有任何保證。然而，最大的障礙可能在于我們對(duì)所采用工藝技術(shù)的了解有限，以及下游工藝的復(fù)雜性。

未知的工藝技術(shù)

對(duì)于所有聚合物材料，工藝的開(kāi)始幾乎總是由大量和集中供應(yīng)的單體組成，以最大化輸出效率。大多數(shù)情況下，原子經(jīng)濟(jì)性和工藝生產(chǎn)率非常高。所有化石聚合物，包括生物塑料 PLA 和 PEF，都符合這一原則。

然而，PHA 的生產(chǎn)卻始于極為稀釋的溶液。因此，PHA 的生產(chǎn)工藝更接近于發(fā)酵過(guò)程，這一過(guò)程中，微生物從培養(yǎng)基中吸取養(yǎng)分，維持生命活動(dòng)，并最終制造出預(yù)期的終端產(chǎn)品。雖然在工業(yè)領(lǐng)域，我們對(duì)發(fā)酵技術(shù)有著深厚的經(jīng)驗(yàn)，但以這種方式生產(chǎn)聚合物卻相當(dāng)罕見(jiàn)。大多數(shù)發(fā)酵過(guò)程主要涉及單體的生產(chǎn)，尤其是在大宗商品領(lǐng)域。產(chǎn)品提取和可能的純化是標(biāo)準(zhǔn)的工藝流程。但在 PHA 的生產(chǎn)中，我們必須創(chuàng)新產(chǎn)品分離技術(shù)；同時(shí)，還需解決如何確保生產(chǎn)系統(tǒng)能夠復(fù)現(xiàn)之前的結(jié)果。特別是，聚合度的變化可能會(huì)對(duì) PHA 的回收能力和相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)生影響。

下游工藝才是真正的瓶頸

關(guān)于從細(xì)胞質(zhì)中提取 PHA 的研究已有許多發(fā)表。這些研究的特點(diǎn)是，需要分解細(xì)胞體以釋放 PHA。我們可以使用氧化劑，如次氯酸鈉或漂白劑，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，但這些溶劑可能會(huì)損害 PHA 的質(zhì)量。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的廢液需要處理和丟棄，這涉及到成本。作為替代方案，或者與此結(jié)合，我們可以使用有機(jī)溶劑來(lái)將 PHA 從細(xì)胞質(zhì)中擠出。甚至有人提到鹵代烴是優(yōu)秀的溶劑。

這是一個(gè)與成熟的聚合物工藝技術(shù)截然不同的過(guò)程，在這種情況下，我們需要使用稀釋的溶劑來(lái)分離產(chǎn)品，然后還需要再生溶劑。這涉及了許多工藝步驟，每個(gè)步驟都可能改變聚合物的質(zhì)量。在處理聚合物材料時(shí)，可重復(fù)性至關(guān)重要，而這可能是一個(gè)主要問(wèn)題。此外，這也可能影響生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大。

昂貴還是可持續(xù)？

這些因素共同解釋了為何 PHA 取得重大突破需要較長(zhǎng)時(shí)間。我們不禁質(zhì)疑，這樣的突破是否真的能夠?qū)崿F(xiàn)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，工藝成本將異常高昂。正是這些高昂的成本使得 PHA 在價(jià)格上超越了大多數(shù)傳統(tǒng)材料，以及先前提及的生物塑料 PEF 和 PLA。這一切似乎預(yù)示著 PHA 的應(yīng)用將局限于特定的細(xì)分市場(chǎng)，這無(wú)疑阻礙了它們?cè)谑袌?chǎng)上實(shí)現(xiàn)巨大潛力的可能性。

至于 PHA 能否被稱為可持續(xù)材料，這一討論仍在持續(xù)?？紤]到涉及的工藝步驟眾多，一些生命周期評(píng)估（LCA）分析預(yù)測(cè) PHA 的環(huán)境足跡可能高于主要的石化聚合物。然而，從另一方面看，PHA 的資源成本相對(duì)較低——并且隨著進(jìn)一步的優(yōu)化，還有很大的提升空間。這種樂(lè)觀的看法源于我們?cè)诰?xì)化工領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)。但是，值得注意的是，在 PHA 的生產(chǎn)過(guò)程中，哪怕是微小的工藝條件變化，都可能對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。

問(wèn)題重重

目前，PHA 的廣泛商業(yè)應(yīng)用尚未完全成熟。從細(xì)胞質(zhì)中提取 PHA 物質(zhì)的過(guò)程充滿挑戰(zhàn)，化學(xué)上復(fù)雜，且在成本效益方面尚未達(dá)到理想狀態(tài)。盡管如此，大量的研究工作正在進(jìn)行中，探索和評(píng)估各種可能的技術(shù)方案。常用的有機(jī)溶劑在工業(yè)層面的應(yīng)用上存在局限，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域，要求 PHA 必須完全純凈，不含任何溶劑殘留。而在生產(chǎn)塑料袋等產(chǎn)品時(shí)，溶劑的影響則不那么顯著。此外，許多工藝步驟可能會(huì)破壞 PHA 的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，這不利于塑料制品的性能。最關(guān)鍵的是，這些提取過(guò)程的成本往往居高不下，這進(jìn)一步限制了 PHA 在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。

因此，研究人員正在積極探索新的提取和生產(chǎn)方法。例如，一些研究嘗試使用溶劑從細(xì)菌 Ralstonia eutropha 和大腸桿菌中分離 PHA。在另一項(xiàng)創(chuàng)新研究中，研究人員利用粉虱（粉虱甲殼蟲(chóng)的幼蟲(chóng)，Tenebrio molitor）來(lái)生產(chǎn) PHA，這些粉虱能在其排泄物中以近乎純凈的形式分泌 PHA。這些創(chuàng)新方法雖然充滿潛力，但在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)方面還有很長(zhǎng)的路要走。

如何繼續(xù)前行？

目前，我們面臨的挑戰(zhàn)仍然像隧道盡頭的微光一樣遙遠(yuǎn)。化石塑料的生產(chǎn)和使用仍然在不斷增長(zhǎng)。傳統(tǒng)塑料的回收裝置規(guī)模比現(xiàn)有和計(jì)劃中的 PLA 產(chǎn)能大得多。確實(shí)正如我們所見(jiàn)，從事塑料回收、再利用業(yè)務(wù)的企業(yè)家們正在經(jīng)歷艱難的時(shí)期--因?yàn)榈陀蛢r(jià)有利于使用原材料。與此同時(shí)，各地正在建立起防止塑料進(jìn)入環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施；從 PHA 的市場(chǎng)推廣角度來(lái)看，這無(wú)疑是一個(gè)積極的進(jìn)展和重要的進(jìn)步。

以上為譯文轉(zhuǎn)載，文字來(lái)源 Bio Based Press， 2024-03-31。作者 Alle Bruggink

相關(guān)鏈接：https://renewable-carbon.eu/news/phas-why-does-it-take-so-long/

全文轉(zhuǎn)載：生物降解材料研究院

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