PHA:为什么要花这么长时间?

2024-05-27

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广东省塑料工业协会

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即将于 5 月 29 日至 31 日在深圳召开的"先进生物材料创新应用论坛"上,作为可持续材料的领跑者,蓝晶微生物将在会议上分享其创新材料蓝晶™ PHA 在生产和应用中的最新成果和进展。PHA 材料以其生物降解性和广泛的应用潜力,正成为环保和可持续发展领域的关键力量。蓝晶微生物的参与和分享将为与会者提供深入了解这一创新材料的机会,同时也有助于推动行业内外对可持续材料的进一步认识和应用。


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蓝晶微生物 -丘志鹏

丘志鹏,蓝晶微生物高级经理,莫纳什大学硕士,超过10年合成生物学以及生物基材料研发经验,超5年商务拓展和项目管理经验。


PHA(聚羟基脂肪酸酯)是一种由细菌在特定条件下产生的天然高分子材料。它们是一类具有生物可降解性的聚合物,可以作为塑料的替代品。PHA 具有多种特性,使其在生物材料领域具有广泛的应用潜力。可阅读相关资料了解更多:《蓝晶微生物:原来,它真的可以这么快消失!


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PHA 行业现状

PHA 目前正处于发展阶段,随着全球对可持续材料需求的增加,市场呈现出增长趋势。尽管面临生产成本等挑战,但技术的进步和政策的支持正在推动行业向前发展。在这一领域,一些企业因其创新和商业化努力而成为行业的领头羊。


荷兰的 Paques Biomaterials 是 PHA 行业的先驱之一,该公司专注于 PHA 的生产和应用开发,其 Caleyda®品牌产品在生物塑料市场占有一席之地。美国公司 Newlight Technologies 以其 AirCarbon®品牌生产 PHA,主要应用于消费品和包装材料,该公司的创新技术在行业中备受瞩目。此外,Danimer Scientific 生产的 Nodax® PHA,因其在食品服务和医疗包装中的应用而受到关注。这些企业通过不断的技术创新和产品开发,正在推动 PHA 材料在包装、农业、医疗、纺织和 3D 打印等多个领域的应用。


PHA:为什么需要这么长时间?

PHA 是一种具有吸引力的生物可降解塑料,但为什么它的发展需要这么长时间?


Paques Biomaterials,一家生产 PHA(聚羟基脂肪酸酯)的公司,已获得了 1400 万欧元的补贴,以商业化其技术。这种名为 Caleyda®的材料的开发将在荷兰埃门进行。PHA 作为一种生物可降解材料,对于其的开发已经持续了超过 10 年,但是为什么它们的开发需要这么长时间呢?这是我们今天需要探讨的主要问题。

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3D打印PHA。照片:Paques Biomaterials公司


PHA 的承诺

我们经常讨论 PHA 的诸多优势及其潜在应用。作为一种可持续材料,PHA 能够分解为无害成分,不释放微塑料或有害纳米颗粒,从而避免了对海洋和水源进一步污染。它们甚至可以利用有机废液,包括污水,进行生产,这在成本上具有潜在优势。


然而,我们必须提出疑问:如何确保原料组成的稳定性?为了获得一吨产品,我们需要处理多少立方米的原料?与传统的化石燃料替代品相比,生物制造的挑战更大;与现有的生物塑料如 Corbion 的 PLA 和 Avantium 的 PEF 相比,也是如此。尽管如此,市场对 PHA 的期望依然高涨,荷兰在全球这一领域扮演着关键角色。


问题可能更为复杂

数十年来,推广新材料一直是一项长期而艰巨的任务。市场已被各式各样的产品所充分满足。只要能源市场的巨大规模还能支持基于化石的材料,小众产品想要突破自身的市场局限就十分困难。PHA 可能正朝着这样的未来迈进。


因为牵涉到的利害关系远不止于此。PHA 生产过程的每一个环节都面临着独特的挑战。我们已经讨论了需要处理的庞大资源量。那么,由这些资源产生的副产品将如何处理?它们会带来额外成本吗?生产 PHA 的微生物对资源成分变化的敏感度有多高?毕竟,这些都是有机废料,通常它们在质量上没有任何保证。然而,最大的障碍可能在于我们对所采用工艺技术的了解有限,以及下游工艺的复杂性。


未知的工艺技术

对于所有聚合物材料,工艺的开始几乎总是由大量和集中供应的单体组成,以最大化输出效率。大多数情况下,原子经济性和工艺生产率非常高。所有化石聚合物,包括生物塑料 PLA 和 PEF,都符合这一原则。


然而,PHA 的生产却始于极为稀释的溶液。因此,PHA 的生产工艺更接近于发酵过程,这一过程中,微生物从培养基中吸取养分,维持生命活动,并最终制造出预期的终端产品。虽然在工业领域,我们对发酵技术有着深厚的经验,但以这种方式生产聚合物却相当罕见。大多数发酵过程主要涉及单体的生产,尤其是在大宗商品领域。产品提取和可能的纯化是标准的工艺流程。但在 PHA 的生产中,我们必须创新产品分离技术;同时,还需解决如何确保生产系统能够复现之前的结果。特别是,聚合度的变化可能会对 PHA 的回收能力和相关应用产生影响。


下游工艺才是真正的瓶颈

关于从细胞质中提取 PHA 的研究已有许多发表。这些研究的特点是,需要分解细胞体以释放 PHA。我们可以使用氧化剂,如次氯酸钠或漂白剂,来实现这一目的,但这些溶剂可能会损害 PHA 的质量。这个过程产生的废液需要处理和丢弃,这涉及到成本。作为替代方案,或者与此结合,我们可以使用有机溶剂来将 PHA 从细胞质中挤出。甚至有人提到卤代烃是优秀的溶剂。


这是一个与成熟的聚合物工艺技术截然不同的过程,在这种情况下,我们需要使用稀释的溶剂来分离产品,然后还需要再生溶剂。这涉及了许多工艺步骤,每个步骤都可能改变聚合物的质量。在处理聚合物材料时,可重复性至关重要,而这可能是一个主要问题。此外,这也可能影响生产规模的扩大。


昂贵还是可持续?

这些因素共同解释了为何 PHA 取得重大突破需要较长时间。我们不禁质疑,这样的突破是否真的能够实现。在实际生产过程中,工艺成本将异常高昂。正是这些高昂的成本使得 PHA 在价格上超越了大多数传统材料,以及先前提及的生物塑料 PEF 和 PLA。这一切似乎预示着 PHA 的应用将局限于特定的细分市场,这无疑阻碍了它们在市场上实现巨大潜力的可能性。


至于 PHA 能否被称为可持续材料,这一讨论仍在持续。考虑到涉及的工艺步骤众多,一些生命周期评估(LCA)分析预测 PHA 的环境足迹可能高于主要的石化聚合物。然而,从另一方面看,PHA 的资源成本相对较低——并且随着进一步的优化,还有很大的提升空间。这种乐观的看法源于我们在精细化工领域的丰富经验。但是,值得注意的是,在 PHA 的生产过程中,哪怕是微小的工艺条件变化,都可能对最终产品的质量产生显著影响。


问题重重

目前,PHA 的广泛商业应用尚未完全成熟。从细胞质中提取 PHA 物质的过程充满挑战,化学上复杂,且在成本效益方面尚未达到理想状态。尽管如此,大量的研究工作正在进行中,探索和评估各种可能的技术方案。常用的有机溶剂在工业层面的应用上存在局限,尤其是在医疗领域,要求 PHA 必须完全纯净,不含任何溶剂残留。而在生产塑料袋等产品时,溶剂的影响则不那么显著。此外,许多工艺步骤可能会破坏 PHA 的长链结构,这不利于塑料制品的性能。最关键的是,这些提取过程的成本往往居高不下,这进一步限制了 PHA 在实际应用中的推广。


因此,研究人员正在积极探索新的提取和生产方法。例如,一些研究尝试使用溶剂从细菌 Ralstonia eutropha 和大肠杆菌中分离 PHA。在另一项创新研究中,研究人员利用粉虱(粉虱甲壳虫的幼虫,Tenebrio molitor)来生产 PHA,这些粉虱能在其排泄物中以近乎纯净的形式分泌 PHA。这些创新方法虽然充满潜力,但在实现大规模生产方面还有很长的路要走。


如何继续前行?

目前,我们面临的挑战仍然像隧道尽头的微光一样遥远。化石塑料的生产和使用仍然在不断增长。传统塑料的回收装置规模比现有和计划中的 PLA 产能大得多。确实正如我们所见,从事塑料回收、再利用业务的企业家们正在经历艰难的时期--因为低油价有利于使用原材料。与此同时,各地正在建立起防止塑料进入环境的基础设施;从 PHA 的市场推广角度来看,这无疑是一个积极的进展和重要的进步。


以上为译文转载,文字来源 Bio Based Press, 2024-03-31。作者 Alle Bruggink

相关链接:https://renewable-carbon.eu/news/phas-why-does-it-take-so-long/


全文转载:生物降解材料研究院

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