七种生物可降解材料-PHA(聚羟基脂肪酸酯)

PHA(聚羟基脂肪酸酯)

PHA是一类完全在微生物体内合成的线型聚酯。1926年,一种名为聚3-羟基 丁酸(缩写为PHB,是PHA家族中的一员)的天然高分子首次在巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)中被法国人发现,之后的几十年中,随着研究的不断深入,人们发现许多微生物都可以合成PHA。到今天已发现的PHA单体的种类已经超过了150种,与PLA等生物基材料相比,PHA的显著优点是能通过结构调节使最终产品适用于不同的应用领域,而支撑这种优点的就是其单体的多样性。PHA的生产经历了第一代PHA—聚羟基 丁酸酯PHB,第二代PHA—羟基 丁酸酸共聚酯PHBV和第三代PHA—羟基 丁酸已酸共聚酯PGBHHx的生产,随着PHA研究的进一步发展,目前PHA已经进入了第四代产品P3HB4HB。与PHB较脆的物理性能不同,P3HB4HB可以通过调节4HB在共聚物中的比例控制材料的相关性能,兼具硬度与延展性。

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PHA是由微生物合成的天然高分子基材料,完全由微生物合成,是一种环境友好型材料。PHA具有材料多变性、非线性光学性能、压电性能、气体阻隔性能、热塑性、生物可降解性、良好的生物相容性等特点。自然界中的许多微生物中都含有PHA水解酶,它们可以将PHA水解为水溶性低聚物和单体,然后利用这些产物作为细胞内的营养物质,非常环保且高效。因此,PHA可以说是生物可降解塑料中最有潜力的一种。

PHA作为生物基材料非常重要的两大属性:

1、完全的生物可降解性

一般的生物可降解材料需要在堆肥条件下才能降解(可参考上期政策加码的千亿市场4文章),而PHA具有自发的生物可降解性,无需堆肥即可在自然环境下降解,且降解时间可控。其最独特的地方就是在各种环境下的可降解性。PHA在自然环境如土壤、海水、湖水中都可以被降解,主要是微生物种群通过PHA水解酶将PHA降解为自己需要的营养物质。

2、优异的生物相容性

PHA在生物体内的降解产物主要是小分子低聚物或是单体成分,对人体无毒无害,也不会引起强烈的排异反应。甚至有研究发现,部分PHA的降解产物会影响细胞内钙流、线粒体活性等生理生化反应,表现出潜在的医疗保健药用价值。

PHA的应用

由于PHA拥有与传统塑料相似的理化性能,并且具有良好的生物可降解性与生物相容性,这些特性让PHA的应用场景越来越多的被开发,除了主要的环保包装材料、农膜、医用植入材料市场外,在药品、化妆品、器具类材料、塑料添加剂、动物饲料、废水处理等市场的应用前景也非常广阔。

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在医药领域,PHA是一种细胞和组织相容性良好的材料,植入体内引起的组织学反应极其微弱,可用于生产可吸收缝合线、组织工程支架、复合支架、可控药物载体材料等。美国波士顿的TEPHA公司专门研究心包补片、动脉增强、心脏支架、血管移植物、心脏植入物和补片、缝合线、辅料剂、隔离粉和药物等。研究显示,PHA因其良好的压电性而被成功的用于促进骨骼再生,也成功地被清华大学用于神经损伤的修复,另外PHA的寡聚物还具有营养和治疗的功效。在1年多的试验期中,PHA纤维缝合没有植入区的体内任何不良反应,所以PHA的最重要的性质之一作为植入生物材料是无毒、无免疫刺激特性而且其降解产物包括单体和低聚物,甚至激活钙离子通道并促进受损组织再生。

在农业领域,PHA被看作天然复合材料,可以在土壤中自然降解。该产品可用于种子涂覆、生产农膜、加载肥料和杀虫剂等。

在塑料工业领域,PHA可用于各类包装,也可用于高尔夫球座、尿布、妇女卫生用品等。此外还可用于生产各类纤维、聚合物等。

随着PHA的进一步发展,未来PHA还将进入更多的领域,包括化学品、工业酶制剂、食品、医药、能源、环境治理等行业,实现环保、低、可持续发展的美好愿景。

PHA的产能

PHA如此优秀,但实际上目前PHA并未大规模生产和投入使用。虽然PHA在抗冲击性和拉伸性能上在可降解塑料中表现良好,但也成为了可降解塑料中价格最贵的品种,考虑到市场价格是市场接受度的关键因素之一,PHA过高的生产成本阻碍了大规模生产。PHA供应产能很少,产品售价高昂,目前PHA材料的单体售价大概在6万元/吨左右,远高于PLA的售价4万元左右,这使得下游用户对该商产品的接受度受到了限制。根据新思界发布的《2019-2023年中国聚羟基脂肪酸酯(PHA)产品市场分析可行性研究报告 》显示,目前全球范围内能够规模生产PHA的企业主要是日本Kaneka公司、巴西 Biocycle 公司和德国 Biomers 公司和我国的三家公司等。从产能来看,受限于核心技术的门槛,全球PHA的总产能也才几万吨,再加上PHA高昂的价格,因此目前PHA的主要应用场景还是集中在医疗或高附加值行业。

与PLA相比,PHA可完全自然生物降解,目前以美国和欧盟为主的越来越多的国家已经对禁塑的要求上升到可海洋降解,而在这7种生物降解材料里面,唯一可以实现海洋降解的材料就是PHA,另外分子结构多样性的PHA综合性能更好,核心技术门槛更高。个人认为未来中国可降解塑料的应用领域,除了包装薄膜、农膜、日常塑料快消品等领域以外,在医学材料领域也将快速增长,随着“禁塑令”的不断升级以实现真正的自然可降解环保,再加上可以在人体内实现100%分解的PHA材料就是主要的发展产品,PHA未来发展前景看好!



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