在全球限塑的大背景下，產(chǎn)業(yè)界在紛紛尋求對(duì)石油基塑料的替代方案。每年，大約有1000多萬(wàn)噸的塑料廢棄物進(jìn)入海洋，由于塑料無(wú)法在海洋中自然降解，因此，也成為了海洋動(dòng)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(ài)吃的水母相像，常常導(dǎo)致海龜誤食，乃至死亡。因此，尋找由可自然降解的生物質(zhì)材料制成的塑料，成為全球產(chǎn)業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)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(wú)氧條件下實(shí)現(xiàn)生物降解，完全轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，不會(huì)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(xué)性能和加工性能，因此，成為全球產(chǎn)業(yè)界試圖大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新型材料，并期望在不久的未來(lái)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(lái)，它已經(jīng)成為人類生活中不可或缺的產(chǎn)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(xué)合成的高分子材料。高分子材料產(chǎn)業(yè)始于20世紀(jì)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(shù)脂（PET，聚對(duì)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(zhì)的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)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(chǎn)量的40%，根據(jù)經(jīng)合組織發(fā)布的《全球塑料展望報(bào)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(kāi)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(zhì)來(lái)源且由生物合成的聚合物，如淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪（包括天然PHA）等；生物質(zhì)來(lái)源的單體經(jīng)化學(xué)合成得到的聚合物，如PLA、PGA等；化石來(lái)源的單體經(jīng)化學(xué)合成得到的聚合物，如PBAT、PBS等。

PHA在生物體內(nèi)主要是作為能量的貯藏性物質(zhì)而存在。打個(gè)形象的比喻，它就是細(xì)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(jìn)入海洋、淡水時(shí)，能夠在細(xì)菌的作用下自然降解，整個(gè)循環(huán)過(guò)程遵循著從自然中來(lái)，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(jīng)發(fā)現(xiàn)其具有150多種不同的結(jié)構(gòu)單元或單體。在實(shí)際應(yīng)用中，該系列產(chǎn)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(shù)研發(fā)和創(chuàng)新應(yīng)用的北京藍(lán)晶微生物科技有限公司（以下稱“藍(lán)晶”）開(kāi)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(duì)等的，在不同環(huán)境中都可以進(jìn)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(cuò)的表現(xiàn)，還可以通過(guò)與其他材料共混改性來(lái)提高最終產(chǎn)品的可降解性。

藍(lán)晶與浦景化工進(jìn)行合作，使用PBAT與PLA分別與PHBH共混后進(jìn)行海洋降解實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)87天的實(shí)驗(yàn)，雙方得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

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

2、當(dāng)PLA與PHBH共混后，共混物最大降解率超75%；

3、當(dāng)PBAT與PHBH共混后，共混物降解率超過(guò)65%。

在物理性能上，PHA既可以對(duì)共聚物的單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇搭配，亦可以與其他可降解材料復(fù)配，提升共混物的綜合性能。在生產(chǎn)中，通過(guò)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(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

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

“PHA產(chǎn)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(wèn)題，減少?gòu)U棄塑料對(duì)環(huán)境的污染，有效幫助上下游企業(yè)完成綠色低碳轉(zhuǎn)型?！?張曉蕊說(shuō)。

“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(méi)有發(fā)明它，我們只是找到了將PHA大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)?！彼{(lán)晶創(chuàng)始合伙人兼市場(chǎng)副總裁白淵斌說(shuō)。

從歷史上來(lái)看，一個(gè)材料對(duì)環(huán)境的影響需要?dú)v經(jīng)一個(gè)長(zhǎng)期且復(fù)雜的過(guò)程。普華永道中國(guó)ESG可持續(xù)發(fā)展市場(chǎng)主管合伙人倪清告訴《商學(xué)院》記者，“材料對(duì)環(huán)境的影響涉及材料從提取到廢棄的整個(gè)過(guò)程，每個(gè)階段對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響具有不同屬性，所以很難用具體的時(shí)限去概括?！睘榱嗽u(píng)價(jià)材料對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期影響，進(jìn)行全面的生命周期評(píng)估是很重要的，這就需要考慮材料的來(lái)源、生產(chǎn)、處置及回收，同時(shí)將相關(guān)的能源消耗、溫室氣體排放等因素納入考量范圍。

過(guò)去曾經(jīng)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(duì)此，倪清解釋說(shuō)，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(zhì)上不屬于天然化合物，自然條件下降解較為嚴(yán)苛，需要工業(yè)條件堆肥才能實(shí)現(xiàn)生物降解，因此在垃圾分類及堆肥基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不夠完善的地區(qū)，PHA材料的意義顯得日趨重要。

PHA產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)

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

值得注意的是，PHA從發(fā)現(xiàn)到生產(chǎn)再到應(yīng)用，走過(guò)了一段不短的歷程，過(guò)程中充滿挑戰(zhàn)。1888年，荷蘭微生物學(xué)家馬蒂納斯·威廉·貝耶林克（Martinus Willem Beijerinck）首次在一種微生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了它。1925年，法國(guó)微生物學(xué)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(lái)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(duì)此進(jìn)行研究。

眾所周知，人類對(duì)微生物的研究和應(yīng)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(yīng)用于材料制造只是近年來(lái)的事。1980年，英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司嘗試將PHA進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，但因?yàn)槌杀九c傳統(tǒng)石油制成的塑料相比太過(guò)昂貴，后來(lái)不得不出售這一技術(shù)。

PHA的研發(fā)涉及微生物、生物工程和高分子材料三大領(lǐng)域，而在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，全球同時(shí)具備這三大學(xué)科技術(shù)能力的公司極其稀缺，這使得挑戰(zhàn)異常巨大?！懊恳粋€(gè)客戶的需求都是一個(gè)跨學(xué)科的解決方案，我們內(nèi)部統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，這一材料若要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并在不同領(lǐng)域得到應(yīng)用，所涉及的學(xué)科大約有30種，對(duì)研發(fā)的挑戰(zhàn)巨大，而一旦成功，壁壘也會(huì)很高?！?白淵斌說(shuō)。

自2010年以來(lái)，隨著合成生物學(xué)領(lǐng)域的新一代基因編輯技術(shù)CRISPR、生物信息學(xué)、代謝工程學(xué)、高通量發(fā)酵及檢測(cè)、下游分離純化等核心技術(shù)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(shí)，成本不斷下探。白淵斌解釋說(shuō)：“合成生物學(xué)可以理解為拼樂(lè)高，用底盤和基因元件來(lái)組裝生物，而傳統(tǒng)生物學(xué)是將整體拆成零件。”

如今，PHA的生產(chǎn)需要考慮三個(gè)要素：底盤細(xì)胞、碳源（原料）和代謝通路。藍(lán)晶微生物通過(guò)合成生物技術(shù)，提升了底盤細(xì)胞的生長(zhǎng)速度，能高效“吃掉”碳源，提高碳源轉(zhuǎn)化為PHA的效率。

目前成本偏高及產(chǎn)能不足是制約PHA商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵因素，短期來(lái)看，行業(yè)面臨成本合理化及規(guī)?；瘮U(kuò)產(chǎn)的挑戰(zhàn)。長(zhǎng)期來(lái)看，可以通過(guò)原料多元化和技術(shù)迭代持續(xù)降低PHA的生產(chǎn)成本，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)塑料的大規(guī)模替代。

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

從PHA生產(chǎn)來(lái)看，以油脂為原料比以糖類為原料的質(zhì)量轉(zhuǎn)化率更高。藍(lán)晶采用原棉籽油為原料，棉籽油是棉花生產(chǎn)的副產(chǎn)品，每年中國(guó)棉籽油的產(chǎn)量約為一百三四十萬(wàn)噸，棉籽油中因?yàn)楹芯哂卸拘缘拿薹?，通常用于工業(yè)領(lǐng)域，藍(lán)晶采用棉籽油也是變廢為寶的一個(gè)渠道。

（本文來(lái)自《商學(xué)院》雜志2023年2&3月合刊）

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