 最近，生物可降解塑料PHA十分火熱，吸引了資本市場的廣泛關(guān)注。先是在11月4日，PHA生物材料研發(fā)商微構(gòu)工場獲得義翹神州9500萬元融資，緊接著11月6日進(jìn)博會“ESG可持續(xù)發(fā)展”專場上，普華永道攜手藍(lán)晶微生物發(fā)布報告，指出未來3-5年內(nèi)PHA市場規(guī)模將達(dá)到629億人民幣，一度引起熱議。 近年來，在碳中和、能源轉(zhuǎn)型以及環(huán)保領(lǐng)域的政策推動下，生物可降解材料廣受市場看好，其中最受關(guān)注的非聚乳酸（PLA）莫屬。但隨著經(jīng)濟下行壓力加大，消費降級大環(huán)境因素影響，即使是8月份剛剛上市的聚乳酸巨頭海正生材也曾一度在9-10月一個多月的時間里跌破發(fā)行價，全球市場規(guī)模也不過百億。那么PHA究竟是何方神圣？如何引得普華永道放出5年內(nèi)市場規(guī)模達(dá)629億元的豪言？本期我們就一起來認(rèn)識極具市場前景的生物可降解材料——PHA。  PHA種類繁多，PHA單體種類已超過150種。根據(jù)單體鏈長不同,PHA可分為兩類:一類為3-5個碳原子單體鏈長的短鏈PHA(SCL);另一類為6-14個碳原子單體鏈長的中長鏈PHA(MCL)。根據(jù)單體的種類，PHA又可以分為均聚物以及共聚物兩類。PHA目前已經(jīng)發(fā)展到第四代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品的典型代表為均聚物PHB。但是由于PHB具有材料脆性大的缺點，難以大規(guī)模應(yīng)用。為了改善加工性能，人們又研發(fā)了彈性更強、延展性更好的后續(xù)產(chǎn)品。  PHA類產(chǎn)品具有良好的理化性能、熱加工性能、光學(xué)異構(gòu)性、壓電性、氣體阻隔性、生物可降解性以及生物相容性等共同的優(yōu)秀性能。PHA不僅具有常見高分子材料的基本特征，如良好的理化性能與熱加工性能等，還具有一些特殊的材料學(xué)特征，如：光學(xué)異構(gòu)性、壓電性、氣體阻隔性等。不僅如此，PHA作為生物基材料，還具有非常重要的兩大屬性：（1）完全的生物可降解性：一般的生物可降解材料需要在堆肥條件下才能降解，而PHA具有自發(fā)的生物可降解性，無需堆肥即可在自然環(huán)境下降解，且降解時間可控。（2）優(yōu)異的生物相容性：PHA在生物體內(nèi)的降解產(chǎn)物主要是小分子低聚物或是單體成分，對人體無毒無害，也不會引起強烈的排異反應(yīng)。 PHA的單體種類多樣、鏈長差別巨大，使得不同PHA的材料學(xué)性質(zhì)大為不同。PHA可以堅硬如硬塑料，也可以柔軟如彈性體，可以制成吹膜級、壓片級、吹瓶級、發(fā)泡級以及彈性體級的產(chǎn)品。通過調(diào)整單體配比，PHA產(chǎn)品性能可以橫跨纖維、塑料、橡膠、熱熔膠等不同領(lǐng)域?？紤]到PHA具有良好的生物相容性，其應(yīng)用領(lǐng)域不僅局限在單一的塑料制品，還在農(nóng)藥緩釋劑、高性能生化濾膜、醫(yī)藥緩釋長效藥物載體以及骨釘、手術(shù)縫合線、人體整形填充材料具有應(yīng)用潛力。PHA和相關(guān)技術(shù)正在形成一個從發(fā)酵、材料、能源到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的工業(yè)價值鏈。隨著成本的進(jìn)一步降低以及高附加值應(yīng)用的開發(fā)，PHA有望成為一種成本可被市場接受的多應(yīng)用領(lǐng)域生物材料。  PHA相比其他可降解塑料具有可自然降解、生物相容、氣體阻隔性的優(yōu)勢，但價格更高、貯存穩(wěn)定性差。目前，應(yīng)用最廣泛的可降解塑料PBAT和PLA均無法實現(xiàn)自然降解，都需要微生物參與經(jīng)過一定溫度下的堆肥過程才能實現(xiàn)降解；而PHA具有自發(fā)的生物可降解性，無需堆肥即可在自然環(huán)境下降解，且降解時間可控。PHA甚至可以在土壤、海水、湖水、生物體內(nèi)都可以被降解,主要是微生物種群通過PHA水解酶將PHA降解為自己需要的營養(yǎng)物質(zhì)。也正是由于這一特性，PHA的貯存穩(wěn)定性差，保質(zhì)期較短，在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用會受到限制。此外，PHA高昂的生產(chǎn)成本也是大規(guī)模應(yīng)用的一大障礙。  生物合成法是PHA的主流合成方法。傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法由于反應(yīng)毒性較大,污染環(huán)境、原料昂貴、反應(yīng)條件劇烈、副產(chǎn)物多等因素，基本沒有得到應(yīng)用。目前PHA的合成主要采用使用生物合成法。生物合成法利用微生物的自身代謝來合成產(chǎn)物，主要方法有微生物發(fā)酵法，包括野生菌法和重組工程菌法，其次還有轉(zhuǎn)基因植物法和活性污泥法等。PHA的生物合成是由多種蛋白和酶參與的復(fù)雜代謝過程,主要有三種生物合成路徑，包括三步合成路徑、脂肪酸β-氧化路徑、五步合成路徑。  一直以來，生產(chǎn)成本高是PHA暫時難以大規(guī)模推廣的主要問題，這使得PHA價格大約在普通聚乙烯和聚丙烯的3倍至10倍，成為制約PHA商業(yè)化發(fā)展的重要因素。PHA生產(chǎn)成本高主要因為原成本較高、設(shè)備運行成本較高以及產(chǎn)物純化成本較高。但現(xiàn)在合成生物學(xué)使PHA距離產(chǎn)業(yè)化越來越近，例如藍(lán)晶微生物選取油田土壤中的耐油細(xì)菌，在利用合成生物技術(shù)對其進(jìn)行工程化改造后，穩(wěn)定合成產(chǎn)出高性能的PHA材料；同時由于該細(xì)菌對生長環(huán)境和發(fā)酵要求并不高，PHA的生產(chǎn)成本大幅度降低。北京微構(gòu)工場使用嗜鹽菌作為低成本的混合基質(zhì)，利用合成生物學(xué)和代謝工程學(xué)方法，成功完成PHA的工業(yè)化生產(chǎn)，使發(fā)酵產(chǎn)品成本降低。  目前，由于PHA發(fā)展時間較短，PHA行業(yè)還處于產(chǎn)業(yè)化的初期，供給量有限，供需矛盾突出，價格還處于5-8萬元/噸的高點。但根據(jù)計算，以葡萄糖為原料生產(chǎn)PHA，理論質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為47.7%。在理論情況下，每生產(chǎn)1噸PHA，需要消耗葡萄糖2.1噸，按照市場價格4，300元/噸單價計算，得到每噸PHA的原料成本9015元，與聚乳酸原料價格接近，具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣的潛力。 合成生物學(xué)的應(yīng)用有望開創(chuàng)低成本、高附加值的PHA材料生產(chǎn)的新時代，奠定PHA的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)?；诤铣缮飳W(xué)研究而得到的新方法、新技術(shù)（例如多片段拼接技術(shù)、大片段基因組DNA克隆技術(shù)、代謝網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、系統(tǒng)優(yōu)化等）可以改變細(xì)菌生長模式、分裂方式、生長條件以及細(xì)菌形態(tài)，從而進(jìn)一步降低PHA的生產(chǎn)成本；另一方面,通過改造細(xì)菌基因組（如精簡基因組、弱化β-氧化途徑）可以得到不同種類的重組菌株,用生產(chǎn)具有不同性能的新型多功能PHA材料。  天津國韻生物科技有限公司現(xiàn)有年產(chǎn)1萬噸的PHA生產(chǎn)線，并計劃在吉林建設(shè)10萬噸規(guī)模的生產(chǎn)線；寧波天安生物材料有限公司擁有年產(chǎn)2000噸的PHA生產(chǎn)線；綠塑科技也已建成萬噸級PHA生產(chǎn)基地。藍(lán)晶微生物新一輪融資開始建設(shè)PHA量產(chǎn)基地，總產(chǎn)能規(guī)劃為10萬噸，分三期建成，其中5000噸的一期生產(chǎn)線將在2022年內(nèi)建成投產(chǎn)。微構(gòu)工場也于2021年6月完成200噸的PHA裝置投產(chǎn)，并且在7月利用得到的PHA成功制成纖維紡，在生物合成塑料道路上又邁出了重要的一步。隨著生產(chǎn)工藝不斷優(yōu)化，生產(chǎn)成本不斷降低，未來PHA行業(yè)發(fā)展空間巨大。 圖表8：國內(nèi)PHA產(chǎn)能統(tǒng)計
從整個可降解材料產(chǎn)業(yè)看，就目前來說技術(shù)最為成熟的生物基可降解材料為PLA，石油基生物降解塑料為PBAT，這兩種材料目前已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化的能力，也是各廠商加大布局力度的方向，而PHA技術(shù)尚算不得成熟，但由于其性能突出其前景的確可為不可限量。 我們想說的是，很多人認(rèn)為這幾年是可降解材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料的最佳時期，但是由于受到可降解塑料價格偏高以及下游消費者接受可降解材料需要時間等諸多因素的影響，目前政策的執(zhí)行效果一般，可降解材料的推廣受到了一定阻力。當(dāng)前我國的生物可降解塑料行業(yè)還是處于政策導(dǎo)入時期，政策發(fā)力是當(dāng)前時期可降解塑料發(fā)展的主要動力，隨著后續(xù)工藝和技術(shù)不斷突破而帶來的成本降低，才是可降解材料替代傳統(tǒng)塑料的內(nèi)生動力。 回頭看2021年發(fā)改委發(fā)布的《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，其中措辭為“因地制宜、積極穩(wěn)妥推廣可降解塑”，這也從側(cè)面說明了可降解塑料的推廣可能不會大刀闊斧的進(jìn)行，而是循序漸進(jìn)，積極穩(wěn)妥推廣。 |
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