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        喀左北印紙塑包裝有限公司

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        去年風頭強勁的可降解材料PHA,現在怎么樣了?

        文章來源:喀左北印紙塑包裝 發布時間:2023-11-29 14:21 作者:喀左包裝小編

          當前全球氣候變暖問題愈發棘手,氣候變化引發的危機事件已然對生態環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“碳中和戰略”,并將其上升為國家戰略,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年全球能源消費結構中占比高居榜首,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鍵。

          在碳中和、能源轉型以及環保領域的政策推動下,生物可降解塑料作為傳統塑料的最佳替代,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。

          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,工業上可以采用微生物批量生產這種聚合物并以此替代傳統塑料。

          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,目前已經發現其具有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和創新應用的北京藍晶微生物科技有限公司(以下稱“藍晶”)開發的是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,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。

          PHA的最大的特點是,在堆肥、土壤、海水等幾乎所有環境中都可以被微生物分解,并且分解后的產物大多都是水和碳基,也不會污染環境。這個發現在禁塑背景下使PHA在一次性塑料產品領域的呼聲漸起,也為一次性塑料替代產品提供了一種綠色可持續發展的思維。以下為PHA降解的條件:

         ?、侪h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,但是在不同的環境所擁有的微生物活性及其群落數量有所不同,因此PHA的降解速度也有所區別。

         ?、诃h境里擁有足夠多的水分、氧氣、礦物質和葡萄糖等微生物存活所需要的養分,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。

         ?、蹖τ诓煌愋偷奈⑸锛熬酆衔矬w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的環境下或在淡水中PHA是不會被降解的。

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          PHA材料的應用

          PHA的基本性能與聚丙烯相似,可在傳統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,廣泛應用于農業、環保、生物化工、微電材料、能源、醫藥、醫用材料等領域。

          PHA材料的商業化進程

          目前我國擁有完整的PHA生產鏈的企業只有為數不多的幾家(北京微構工場、北京藍晶生物、珠海麥得發、中糧生化、寧波天安生物、北京綠塑科技、意可曼等),PHA的產量還略有不足,生產成本也較塑料等材料較高,因此到現在PHA還沒有得到廣泛的應用,只是在醫用方面有些許應用。

          目前成本偏高及產能不足是制約PHA商業化進程的關鍵因素,短期來看,行業面臨成本合理化及規?;瘮U產的挑戰。長期來看,可以通過原料多元化和技術迭代持續降低PHA的生產成本,以實現對傳統塑料的大規模替代。

          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。

          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,通常用于工業領域,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生物質原材料比較容易獲取且供應穩定,但近年來隨著糧食價格不斷飆升,糧食問題已發展成全球危機,PHA在原料獲取方面將存在與人爭糧的問題。未來,通過技術迭代,可使用非糧生物質作為PHA的生產原材料,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。同時中國作為農業大國,秸稈資源位居世界首位,2021年中國秸稈產量高達7.4億噸,可確保PHA原材料的穩定供應。此外,除了生物質原料,PHA還可以通過固定甲烷、二氧化碳等氣體碳源進行生產,從而更有效地解決碳排放問題。

          在生產方面,今年藍晶研究的“生物混動”提出了新的解決方案。這一技術的核心在于,讓微生物可以同時以二氧化碳和傳統生物質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成本。一旦成功,這將成為生物制造領域的一個重要里程碑,不僅可以用在PHA的生產上,今后還可以應用到其他大部分生物發酵產品的生產中。


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