當前全球氣候變暖問題愈發(fā)棘手，氣候變化引發(fā)的危機事件已然對生態(tài)環(huán)境和人類社會造成負面影響。面臨嚴峻形勢，我國于2020年提出“碳中和戰(zhàn)略”，并將其上升為國家戰(zhàn)略，積極參與應對氣候變化全球治理。
而石油作為化石能源的重要組成部分，其消費量在2021年全球能源消費結(jié)構(gòu)中占比高居榜首，達到31.3%。中國石油日消費量由2020年的1,441萬桶增加至2021年的1,544萬桶，增加量占全球石油消費增加量的20%，減少我國石油等化石能源的使用對降低溫室氣體排放十分關(guān)鍵。
在碳中和、能源轉(zhuǎn)型以及環(huán)保領(lǐng)域的政策推動下，生物可降解塑料作為傳統(tǒng)塑料的最佳替代，其使用和推廣得到政策大力支持。PHA作為可降解材料的一種，也由此獲得了發(fā)展契機。
PHA材料的降解
目前，生物降解聚合物主要分為三類:生物質(zhì)來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)來源的單體經(jīng)化學合成得到的聚合物，如PLA、PGA等；化石來源的單體經(jīng)化學合成得到的聚合物，如PBAT、PBS等。
聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate，PHA)是生物可降解材料的一種，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能夠在有氧和無氧條件下實現(xiàn)生物降解。由于PHA具有類似塑料的物理機械性能和加工性能，工業(yè)上可以采用微生物批量生產(chǎn)這種聚合物并以此替代傳統(tǒng)塑料。
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(jīng)發(fā)現(xiàn)其具有150多種不同的結(jié)構(gòu)單元或單體。在實際應用中，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(chǎn)品的可降解性。
PHA的最大的特點是，在堆肥、土壤、海水等幾乎所有環(huán)境中都可以被微生物分解，并且分解后的產(chǎn)物大多都是水和碳基，也不會污染環(huán)境。這個發(fā)現(xiàn)在禁塑背景下使PHA在一次性塑料產(chǎn)品領(lǐng)域的呼聲漸起，也為一次性塑料替代產(chǎn)品提供了一種綠色可持續(xù)發(fā)展的思維。以下為PHA降解的條件：
①環(huán)境中含有能降解PHA的微生物，這些微生物一般在土壤、海水、池塘中都有存在，但是在不同的環(huán)境所擁有的微生物活性及其群落數(shù)量有所不同，因此PHA的降解速度也有所區(qū)別。
②環(huán)境里擁有足夠多的水分、氧氣、礦物質(zhì)和葡萄糖等微生物存活所需要的養(yǎng)分，PHA可以作為微生物的碳源，被微生物攝取利用。微生物在分解消耗PHA時需要進行呼吸運動，因此需要氧氣、水分和葡萄糖等提供呼吸運動的原料。
③對于不同類型的微生物及聚合物體系，需要提供一定的溫度條件（20℃～60℃）和一定pH值（5～8）。
一般認為PHA的降解首先是在一定的條件下，各種附在培養(yǎng)基表面增殖的微生物釋放出特定的降解酶。在降解酶的催化作用下，聚合物分解成很小的分子段，當聚合物分子量降到500g/mol以下時，就很容易被微生物吸收消化。
它的降解速度取決于酶的種類，數(shù)量和加入的添加劑等因素。如果不滿足上述的條件如在常規(guī)的環(huán)境下或在淡水中PHA是不會被降解的。
PHA材料的應用
PHA的基本性能與聚丙烯相似，可在傳統(tǒng)塑料加工機械上進行拉絲、模壓、熱注塑加工成型，可代替絕大部分石油基塑料原料，廣泛應用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保、生物化工、微電材料、能源、醫(yī)藥、醫(yī)用材料等領(lǐng)域。
PHA材料的商業(yè)化進程
目前我國擁有完整的PHA生產(chǎn)鏈的企業(yè)只有為數(shù)不多的幾家（北京微構(gòu)工場、北京藍晶生物、珠海麥得發(fā)、中糧生化、寧波天安生物、北京綠塑科技、意可曼等），PHA的產(chǎn)量還略有不足，生產(chǎn)成本也較塑料等材料較高，因此到現(xiàn)在PHA還沒有得到廣泛的應用，只是在醫(yī)用方面有些許應用。
目前成本偏高及產(chǎn)能不足是制約PHA商業(yè)化進程的關(guān)鍵因素，短期來看，行業(yè)面臨成本合理化及規(guī)模化擴產(chǎn)的挑戰(zhàn)。長期來看，可以通過原料多元化和技術(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(chǎn)成本，二是原材料成本在PHA生產(chǎn)成本中占比最高。
從PHA生產(chǎn)來看，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，每年中國棉籽油的產(chǎn)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(lǐng)域，藍晶采用棉籽油也是變廢為寶的一個渠道。從原料價格來看，白淵斌說：“棉籽油的波動性與植物油聯(lián)動，通常在百分之幾十的波動范圍，相比石油的價格波動要低得多。”
像糖類和植物油這類傳統(tǒng)生物質(zhì)原材料比較容易獲取且供應穩(wěn)定，但近年來隨著糧食價格不斷飆升，糧食問題已發(fā)展成全球危機，PHA在原料獲取方面將存在與人爭糧的問題。未來，通過技術(shù)迭代，可使用非糧生物質(zhì)作為PHA的生產(chǎn)原材料，如秸稈、廢棄烹飪油、有機廢水、咖啡渣等，這些原料潛在供應量巨大。同時中國作為農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源位居世界首位，2021年中國秸稈產(chǎn)量高達7.4億噸，可確保PHA原材料的穩(wěn)定供應。此外，除了生物質(zhì)原料，PHA還可以通過固定甲烷、二氧化碳等氣體碳源進行生產(chǎn)，從而更有效地解決碳排放問題。
在生產(chǎn)方面，今年藍晶研究的“生物混動”提出了新的解決方案。這一技術(shù)的核心在于，讓微生物可以同時以二氧化碳和傳統(tǒng)生物質(zhì)為原料進行生物制造，一方面可以降低碳排放，另一方面可以降低生產(chǎn)成本。一旦成功，這將成為生物制造領(lǐng)域的一個重要里程碑，不僅可以用在PHA的生產(chǎn)上，今后還可以應用到其他大部分生物發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)中。
