《“十四五”生物经济发展规划》，明确将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展方向。预计未来十年，石油化工、煤化工产品的35%可被生物制造产品替代，其中，PHA作为降解性能最好的生物制造产品，在生物基新材料领域最具产业化发展前景。
PHA，又叫聚羟基脂肪酸酯，是一种天然高分子材料，和塑料的性能相似，是一种热塑性材料，可以说它是唯一的一种既是天然材料又可以跟现有的塑料加工工艺融合的材料。PHA在可生物降解的包装材料、组织工程材料、缓释材料、电学材料以及医疗材料方面有广阔的应用前景。
图源：微构工场
1、PHA作为生物聚合物的优点和局限性
PHA是一种能用糖或植物油等可再生原料进行发酵的塑料，一般以颗粒形式储存在细菌中，在不同领域具有不同的作用。例如，不同单体的PHA聚合物和共聚物可以作为可生物降解、无毒环保的塑料替代品，用于包装、农业等行业。
图源：蓝晶微生物
因为PHA的生物相容性、无毒性和无害分解以及抗菌特性使其可应用到医疗领域，包括药物输送和组织工程。同时PHA还具有植物固氮能力，使其适用于农业领域。
PHA表现出广泛的应用特性使得PHA较源自于纤维素普通生物基材料更具有优势以及适用范围。但是从成本方面来看，PHA生产中涉及的微生物发酵过程比合成塑料的传统化学工艺更昂贵。
2、PHA多样化的结构和性质
不同的微生物产生具有各种分子结构、单体比例和分子量的PHA。根据碳原子的数量，PHA可分为短链长度PHA（Scl PHA）和中链长度PHA（Mcl PHA）。Scl PHA由具有3-5个碳原子的单体组成，Mcl PHA 由具有6至14个碳原子的羟基链烷酸酯单体组成。其中最常见的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)及PHB和PHV的共聚物(PHBV)。
PHA的结构 3、PHA的生产
PHA的生产涉及一个多步骤的过程，PHA可以在多种生物体中自然合成，包括Cupriavidus, Ralstonia, Pseudomonas, Halomonas等。使用Bluephagenesis进行PHB的7L发酵试生产如图1d所示。经过发酵条件，温度、pH值的调节可以大幅增加菌体中的PHA产量。
发酵结束时，为了将PHA与细胞蛋白、脂质和核酸分离并释放PHA颗粒，需要破碎细胞并使用机械或化学方法提取破碎的细胞团。最后将PHA加工成颗粒，片材，薄膜或线，加工成颗粒和粉末形式的PHA分别如图1f和e所示。
4、PHA的多种应用
01.PHA作为环保包装材料
PHA在包装行业的应用范围已扩大到包括包装薄膜、购物袋、盖子和桶等容器。PHA还可用于纸杯的可回收。PHA在食品工业中也有多种应用，例如乳制品包装中的涂层和薄膜，咖啡和茶包装以及其他干粮包装。此外，PHA还可用于如美容行业的类乳胶、热敏胶和智能凝胶，例如无纺布PHA基质可用于去除面部油脂。 瓶盖（100%PHA材料） 图源：蓝晶微生物
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韧性从而适用于3D打印材料，使用PHA最广泛的3D打印技术是选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积建模（FDM），立体光刻光化学工艺也开始使用PHA。
3D打印台灯 图源：蓝晶微生物
03.PHA作为化妆品和抗菌材料
在化妆品领域，PHA已在各种产品中得到应用，包括美容面膜和卫生巾。例如在欧盟推出的polybioskin产品中。含有α-羟基酸（AHA）的PHA材料能够结合大量的水，并通过抑制金属蛋白酶和螯合性能成为卓越的抗氧化剂。
图源：微构工场
04.PHA在医疗应用中的应用
由于其生物降解性和生物相容性，PHA在医用植入材料的应用越来越广泛。PHA和基于PHBHHx的纳米复合材料，已被广泛用于各种医疗植入物，从螺钉、订书钉和手术网到骨板、神经导管、皮肤替代品和粘附屏障。PHA 还可用于伤口敷料、吊带、骨移植替代品和眼细胞植入物。
图源：蓝晶微生物 05.PHA在服饰、家访应用中的应用 生物基纤维以其独有的优势，成为了市场上的一股新兴力量。 图源：微构工场
5.PHA的主要企业
随着“限塑令”的进一步进行以及“碳达峰”、“碳中和”的理念的不断深入人心，中国大量生产PHA的公司都在不断的发展建设当中。
蓝晶生物
蓝晶微生物年产 5,000 吨蓝晶™ PHA 的「超级工厂——BioFAB1」位于江苏省盐城市滨海县，现已建成投产。目前，蓝晶微生物正全力推进二期工程的规划，工厂将形成总计每年 25,000 吨的蓝晶™ PHA 供应。
微构工场
微构工场成立于2021年2月，主要利用“下一代工业生物技术”平台，建设新一代绿色超级细胞工厂，进行生物降解材料PHA、医药中间体四氢嘧啶、尼龙56前体戊二胺等多种高附加值产品研发和生产。全国PHA在建生产线10000+/吨。
图源：微构工场
中粮科技
2022年中粮科技下属榆树公司1000吨/年PHA装置投产，是目前国内首条全自动化和高标准化的PHA生产装置。标志着中粮科技在吉林省打造的生物基可降解材料全产业链示范区已经初具规模，至此形成聚乳酸（PLA）和PHA双产品的产业格局。
宁波天安生物
宁波天安生物材料有限公司是国内第一家采用生物发酵工程技术，实现完全生物降解材料PHA产业化的高新技术企业。主要产品为PHA家族中的PHBV（聚羟基丁酸戊酸酯）和PHB (聚羟基丁酸酯)。目前工厂年产能为2000吨。
深圳意可曼
深圳市意可曼生物科技有限公司 2009年年产5000吨PHA生产线成功投产。
珠海麦得发
珠海麦得发生物科技股份有限公司采用前沿合成生物学工程技术，聚焦于自主创新和开发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产品的规模化生产、应用和市场化。
此外江苏洁净环境、北京本农环保、丰原生化等企业，也都有PHA产品生产。国外布局PHA产业的时间较早，目前在PHA领域有布局或计划有布局的公司包括韩国的CJ制糖，日本的Kaneka、美国的Danimer Scientfic和Mango Material、新加坡的RWDC Industries等公司。此外，韩国乐天化学宣布将与中央大学尹成浩教授共同开发基于石油化学的可生物降解塑料材料聚羟基脂肪酸酯（PHA）生产技术。
6、未来展望
PHA与传统塑料的成本竞争仍有多方面的因素需要考虑，例如，原料成本、工艺优化和发酵技术的等因素，未来人们可以通过合成生物学和其他技术手段来得到高产PHA的底盘菌、建立按需合成PHA的低成本生产平台，最终推进PHA的广泛应用。
开发PHA原材料的商业应用可以在市场上获得溢价，也支持PHA生产的经济可行性，进而经过良性循环，扩大PHA的商业规模，为未来的投资和发展创造更有利的环境。在未来的研究中，PHA的应用重点应该是PHA取代散装塑料的使用并实现绿色低碳经济，以及在医疗领域的高价值植入物的应用。
参考资料：全生物降解材料、生物基能源与材料、蓝晶微生物、微构工厂
原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：一文了解生物基降解材料（PHA）
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