在全球限塑的大背景下，產業界在紛紛尋求對石油基塑料的替代方案。
文｜錢麗娜 石丹
ID｜BMR2004
每年，大約有1000多萬噸的塑料廢棄物進入海洋，由於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。又由於塑料袋在海洋中的形態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製成的塑料成為全球產業關注的重點領域。
由於高分子生物材料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境中，在有氧和無氧條件下實現生物降解，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，因此成為全球產業界試圖大規模產業化應用的新型材料，並期望在不久的未來取代一次性塑料的使用。
01
環保的難題
自塑料被發明以來，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。高分子材料產業始於20世紀初，發展至今已有100年左右的歷史，像尼龍（PA，聚醯胺）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、客艙牆等均已滲透到現代生活的方方面面。
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%，根據經合組織發布的《全球塑料展望報告》，其中僅有9%的塑料被回收利用，成為環保中的一大難題。在此背景下，業界開始尋找傳統塑料的替代方向。目前的替代方案有兩種：傳統非石化材料(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，如澱粉、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。專注於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，屬於中鏈共聚型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澱粉對等的，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。
藍晶與浦景化工進行合作，使用PBAT與PLA分別與PHBH共混後進行海洋降解實驗。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共混後，共混物最大降解率超75%；
3.當PBAT與PHBH共混後，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，從而應用於不同的領域。
普華永道中國ESG可持續發展總監張曉蕊介紹，目前PHA主要還是應用於不便於回收的強需求場景，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，綠色低碳發展定將成為未來的主旋律，引領整個塑料及包裝行業迎來新的變革。
「PHA產品作為傳統塑料的替代品，能夠解決傳統塑料不可降解、回收利用難等問題，減少廢棄塑料對環境的污染，有效幫助上下游企業完成綠色低碳轉型。」 張曉蕊說。
「PHA是天然材料，富含纖維素的秸稈、富含澱粉的玉米也是天然材料，PHA本身就存在於自然界，但它是以微生物脂肪的形式而存在，人類並沒有發明它，我們只是找到了將PHA大規模工業化生產的技術。」藍晶創始合伙人兼市場副總裁白淵斌說。
從歷史上來看，一個材料對環境的影響需要歷經一個長期且複雜的過程。普華永道中國ESG可持續發展市場主管合伙人倪清告訴《商學院》記者，「材料對環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。」為了評價材料對環境的長期影響，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範圍。
過去曾經有研究將澱粉與傳統塑料混合製成所謂的「生物降解塑料」，對此，倪清解釋說，這種塑料中只有澱粉成分能被降解，其傳統塑料成分仍然不能被降解，且難以回收。目前還存在澱粉與PLA、PBAT等共混的可降解材料，但PLA本質上不屬於天然化合物，自然條件下降解較為嚴苛，需要工業條件堆肥才能實現生物降解，因此在垃圾分類及堆肥基礎設施建設不夠完善的地區，PHA材料的意義顯得日趨重要。
倪清說：「從長期對環境的影響來看，PHA材料即使不經過人為處理也可以從環境中自然消失，這種『環境消納』的特性可以進一步降低塑料對環境的負面影響。」
02
PHA產業化的挑戰
目前，全球僅美國Danimer公司、日本Kaneka公司能夠大規模生產中鏈共聚型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模製造技術的企業。
值得注意的是，PHA從發現到生產再到應用，走過了一段不短的歷程，過程中充滿挑戰。
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現了它。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）中分離出後來被命名為「聚3-羥基丁酸」（縮寫為PHB，為PHA家族中的一員）的天然高分子，並對此進行研究。
眾所周知，人類對微生物的研究和應用是近百年的事。早期微生物主要用於製造味精、酸奶、青黴素等食品和藥品，將微生物應用於材料製造只是近年來的事。1980年，英國帝國化學工業公司嘗試將PHA進行產業化，但因為成本與傳統石油製成的塑料相比太過昂貴，後來不得不出售這一技術。
白淵斌說：「製造一類高分子材料通常需要整個產業耗費十年左右的時間，進行高達數十億美元的投入，而PHA開發的時間跨度更長，開發難度更大，雙方難度甚至不在一個數量級。」
PHA的研發涉及微生物、生物工程和高分子材料三大領域，而在產業應用中，全球同時具備這三大學科技術能力的公司極其稀缺，這使得挑戰異常巨大。「每一個客戶的需求都是一個跨學科的解決方案，我們內部統計發現，這一材料若要實現工業化生產，並在不同領域得到應用，所涉及的學科大約有30種，對研發的挑戰巨大，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、高通量發酵及檢測、下游分離純化等核心技術環節的重大突破，使得PHA在菌株研發疊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，而傳統生物學是將整體拆成零件。」
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。
「藍晶在微生物底盤庫和基因元件庫有豐富的積累，基於這一資源和數據，我們能夠實現更多的可能性。更重要的是，作為一家企業，我們跟科研機構不同，能夠把技術、產品和市場連接起來，實現正向的循環。」白淵斌說。
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模化擴產的挑戰。長期來看，可以通過原料多元化和技術疊代持續降低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。張曉蕊說：「未來，降低原材料成本的路徑主要有三條：一是發展產業鏈一體化，整合上游產業鏈；二是發展原料多樣性；三是通過持續技術疊代實現原料轉化率的提升。」
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。藍晶採用原棉籽油為原料，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，通常用於工業領域，藍晶採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範圍，相比石油的價格波動要低得多。」
張曉蕊認為，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，通過技術疊代，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。
藍晶的關鍵技術名為「生物混動」（biohybrid），靈感來自於光合作用。這一技術的核心在於，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製造，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，這將成為生物製造領域的一個重要里程碑，不僅可以用在PHA的生產上，今後還可以應用到其他大部分生物發酵產品的生產中。
白淵斌說：「石化產業發展了100多年，體系已經構建得非常完備，沒有多少可以創新的空間，但是生物製造才剛剛開始，空間還很大，目前藍晶會專注於利基市場（小眾市場）的開發。」
2022年，藍晶位於江蘇鹽城的PHA工廠開始運行，首期產能為5000噸，報批規劃產能為25000噸，另外，當地政府還為藍晶預留了三期的土地，預計規劃產能為50000噸，總規劃產能為75000噸。
白淵斌說，傳統大宗塑料年產量約有3億噸，如果PHA可以滲透20%的市場份額，便有6000萬噸的市場規模，藍晶未來能占有1000萬噸就是比較理想的狀態。一噸產品按2萬元計算，產值可達2000億元，如果再進入下游應用，會有更高的附加值產生。
2019年全球PHA組織（簡稱「GO!PHA」）產業聯盟成立，該組織將提供一個合作平台來應對海洋塑料和自然資源保護的挑戰，支持企業可持續發展目標。白淵斌作為中國的代表，於2023年當選為該組織六位董事會成員之一。他說：「我們從決定做PHA的那一天起，就選擇面向全球市場，在開拓市場的同時，也在持續為行業發聲，並與產業界上下游夥伴合作，共同為人類提供更可持續的解決方案。」
（本文來自《商學院》雜誌2023年2&3月合刊）