在全球限塑的大背景下，產業(yè)界在紛紛尋求對石油基塑料的替代方案。每年，大約有1000多萬噸的塑料廢棄物進入海洋，由于塑料無法在海洋中自然降解，因此，也成為了海洋動物的最大殺手之一。又由于塑料袋在海洋中的形態(tài)與海龜喜愛吃的水母相像，常常導致海龜誤食，乃至死亡。因此，尋找由可自然降解的生物質材料制成的塑料，成為全球產業(yè)關注的重點領域。

由于高分子生物材料PHA(Polyhydroxyalkanoates，聚羥基脂肪酸酯)可以在淡水、海水、土壤、堆肥等自然和人工環(huán)境中，在有氧和無氧條件下實現(xiàn)生物降解，完全轉化為水和二氧化碳，不會留有任何有毒的殘留物、微塑料或納米塑料的小顆粒，而且PHA具有類似塑料的力學性能和加工性能，因此，成為全球產業(yè)界試圖大規(guī)模產業(yè)化應用的新型材料，并期望在不久的未來取代一次性塑料的使用。

環(huán)保的難題

自塑料被發(fā)明以來，它已經成為人類生活中不可或缺的產品。塑料的原料品種很多，有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS等，這些皆是化學合成的高分子材料。高分子材料產業(yè)始于20世紀初，發(fā)展至今已有100年左右的歷史，像尼龍（PA，聚酰胺）做成的絲襪，滌綸樹脂（PET，聚對苯二甲酸乙二醇酯）做成的飲料瓶，聚氨酯（PU，聚氨基甲酸酯）做成的航空飛行甲板墊、客艙墻等均已滲透到現(xiàn)代生活的方方面面。

然而，塑料在提升人類生活品質的同時，也帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。上述材料在自然界很難被降解，尤其是包裝中使用的塑料占全部塑料產量的40%，根據(jù)經合組織發(fā)布的《全球塑料展望報告》，其中僅有9%的塑料被回收利用，成為環(huán)保中的一大難題。在此背景下，業(yè)界開始尋找傳統(tǒng)塑料的替代方向。目前的替代方案有兩種：傳統(tǒng)非石化材料(如玻璃、陶器、金屬、紙等)和生物可降解材料。生物可降解材料又分為石油基和生物基。

目前，生物降解聚合物主要分為三類:生物質來源且由生物合成的聚合物，如淀粉、纖維素、蛋白質、脂肪（包括天然PHA）等；生物質來源的單體經化學合成得到的聚合物，如PLA、PGA等；化石來源的單體經化學合成得到的聚合物，如PBAT、PBS等。

PHA在生物體內主要是作為能量的貯藏性物質而存在。打個形象的比喻，它就是細菌要吃的“能量棒”。由這種“能量棒”做成的材料被埋入地下，或進入海洋、淡水時，能夠在細菌的作用下自然降解，整個循環(huán)過程遵循著從自然中來，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，目前已經發(fā)現(xiàn)其具有150多種不同的結構單元或單體。在實際應用中，該系列產品包括PHB、PHBV、PHBH等，它們各自具有不同的屬性。專注于合成生物技術研發(fā)和創(chuàng)新應用的北京藍晶微生物科技有限公司（以下稱“藍晶”）開發(fā)的是PHBH，屬于中鏈共聚型PHA，兼具出色的使用性和加工性。

PHBH是目前商業(yè)化生物降解材料中唯一可以與纖維素和淀粉對等的，在不同環(huán)境中都可以進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錯的表現(xiàn)，還可以通過與其他材料共混改性來提高最終產品的可降解性。

藍晶與浦景化工進行合作，使用PBAT與PLA分別與PHBH共混后進行海洋降解實驗。經過87天的實驗，雙方得到如下實驗結果：

1、PHBH純料在海水中降解率超過86%，而PBAT純料的降解率僅4.3%，PLA純料的降解率僅5.6%；

2、當PLA與PHBH共混后，共混物最大降解率超75%；

3、當PBAT與PHBH共混后，共混物降解率超過65%。

在物理性能上，PHA既可以對共聚物的單體結構進行選擇搭配，亦可以與其他可降解材料復配，提升共混物的綜合性能。在生產中，通過改變給料、微生物或條件，可以改變PHA的剛性、韌性、耐熱性、阻隔性、透明度等等，從而應用于不同的領域。

普華永道中國ESG可持續(xù)發(fā)展總監(jiān)張曉蕊介紹，目前PHA主要還是應用于不便于回收的強需求場景，如可降解塑料袋、農用地膜、一次性餐飲具、包裝等。從宏觀環(huán)境來看，在全球雙碳趨勢及各地限塑政策的扶持下，綠色低碳發(fā)展定將成為未來的主旋律，引領整個塑料及包裝行業(yè)迎來新的變革。

“PHA產品作為傳統(tǒng)塑料的替代品，能夠解決傳統(tǒng)塑料不可降解、回收利用難等問題，減少廢棄塑料對環(huán)境的污染，有效幫助上下游企業(yè)完成綠色低碳轉型。” 張曉蕊說。

“PHA是天然材料，富含纖維素的秸稈、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，人類并沒有發(fā)明它，我們只是找到了將PHA大規(guī)模工業(yè)化生產的技術?！彼{晶創(chuàng)始合伙人兼市場副總裁白淵斌說。

從歷史上來看，一個材料對環(huán)境的影響需要歷經一個長期且復雜的過程。普華永道中國ESG可持續(xù)發(fā)展市場主管合伙人倪清告訴《商學院》記者，“材料對環(huán)境的影響涉及材料從提取到廢棄的整個過程，每個階段對環(huán)境產生的影響具有不同屬性，所以很難用具體的時限去概括?！睘榱嗽u價材料對環(huán)境的長期影響，進行全面的生命周期評估是很重要的，這就需要考慮材料的來源、生產、處置及回收，同時將相關的能源消耗、溫室氣體排放等因素納入考量范圍。

過去曾經有研究將淀粉與傳統(tǒng)塑料混合制成所謂的“生物降解塑料”，對此，倪清解釋說，這種塑料中只有淀粉成分能被降解，其傳統(tǒng)塑料成分仍然不能被降解，且難以回收。目前還存在淀粉與PLA、PBAT等共混的可降解材料，但PLA本質上不屬于天然化合物，自然條件下降解較為嚴苛，需要工業(yè)條件堆肥才能實現(xiàn)生物降解，因此在垃圾分類及堆肥基礎設施建設不夠完善的地區(qū)，PHA材料的意義顯得日趨重要。

PHA產業(yè)化的挑戰(zhàn)

目前，全球僅美國Danimer公司、日本Kaneka公司能夠大規(guī)模生產中鏈共聚型PHA材料。藍晶微生物是全球第三家、中國第一家掌握該材料大規(guī)模制造技術的企業(yè)。

值得注意的是，PHA從發(fā)現(xiàn)到生產再到應用，走過了一段不短的歷程，過程中充滿挑戰(zhàn)。1888年，荷蘭微生物學家馬蒂納斯·威廉·貝耶林克（Martinus Willem Beijerinck）首次在一種微生物體內發(fā)現(xiàn)了它。1925年，法國微生物學家莫里斯·萊莫因（Maurice Lemoigne）首次從巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）中分離出后來被命名為“聚3-羥基丁酸”（縮寫為PHB，為PHA家族中的一員）的天然高分子，并對此進行研究。

眾所周知，人類對微生物的研究和應用是近百年的事。早期微生物主要用于制造味精、酸奶、青霉素等食品和藥品，將微生物應用于材料制造只是近年來的事。1980年，英國帝國化學工業(yè)公司嘗試將PHA進行產業(yè)化，但因為成本與傳統(tǒng)石油制成的塑料相比太過昂貴，后來不得不出售這一技術。

PHA的研發(fā)涉及微生物、生物工程和高分子材料三大領域，而在產業(yè)應用中，全球同時具備這三大學科技術能力的公司極其稀缺，這使得挑戰(zhàn)異常巨大?！懊恳粋€客戶的需求都是一個跨學科的解決方案，我們內部統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，這一材料若要實現(xiàn)工業(yè)化生產，并在不同領域得到應用，所涉及的學科大約有30種，對研發(fā)的挑戰(zhàn)巨大，而一旦成功，壁壘也會很高。” 白淵斌說。

自2010年以來，隨著合成生物學領域的新一代基因編輯技術CRISPR、生物信息學、代謝工程學、高通量發(fā)酵及檢測、下游分離純化等核心技術環(huán)節(jié)的重大突破，使得PHA在菌株研發(fā)迭代速度大幅提升的同時，成本不斷下探。白淵斌解釋說：“合成生物學可以理解為拼樂高，用底盤和基因元件來組裝生物，而傳統(tǒng)生物學是將整體拆成零件?！?/span>

如今，PHA的生產需要考慮三個要素：底盤細胞、碳源（原料）和代謝通路。藍晶微生物通過合成生物技術，提升了底盤細胞的生長速度，能高效“吃掉”碳源，提高碳源轉化為PHA的效率。

目前成本偏高及產能不足是制約PHA商業(yè)化進程的關鍵因素，短期來看，行業(yè)面臨成本合理化及規(guī)模化擴產的挑戰(zhàn)。長期來看，可以通過原料多元化和技術迭代持續(xù)降低PHA的生產成本，以實現(xiàn)對傳統(tǒng)塑料的大規(guī)模替代。

導致PHA成本居高不下的原因有兩個：一是較高的生產成本，二是原材料成本在PHA生產成本中占比最高。張曉蕊說：“未來，降低原材料成本的路徑主要有三條：一是發(fā)展產業(yè)鏈一體化，整合上游產業(yè)鏈；二是發(fā)展原料多樣性；三是通過持續(xù)技術迭代實現(xiàn)原料轉化率的提升?！?/span>

從PHA生產來看，以油脂為原料比以糖類為原料的質量轉化率更高。藍晶采用原棉籽油為原料，棉籽油是棉花生產的副產品，每年中國棉籽油的產量約為一百三四十萬噸，棉籽油中因為含有具有毒性的棉酚，通常用于工業(yè)領域，藍晶采用棉籽油也是變廢為寶的一個渠道。

（本文來自《商學院》雜志2023年2&3月合刊）

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