PHA從實驗室到商業化的成長之路

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人們發明塑料才不到100年的時間，也就是說，如果人類歷史上合成的第一塊塑料還沒有被燒掉的話，它還在這個世界上某一個地方存在，所以這變成了非常嚴重的環境問題。但是其實生物材料是可以解決這個問題的，就是用微生物來生產一些性能很像塑料的聚合物。—— 摘自李騰在一席的《造一座細胞工廠》.

藍晶生物科技CEO李騰一席演講

近年來，隨著環境問題的日益嚴峻，可持續發展的觀念逐漸深入人心，一批具有環保可降解特性的生物基材料開始在市場中活躍起來。今天要給大家介紹的，就是一類來自於微生物的天然高分子材料——聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA），以及一家國際領先的PHA研發企業——Bluepha藍晶微生物。

圖1 生物基可降解環保材料-PHA

PHA簡介

PHA是一類完全在微生物體內合成的線型聚酯。1926年，一種名為聚3-羥基丁酸（縮寫為PHB，是PHA家族中的一員）的天然高分子首次在巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）中被法國人發現，之後的幾十年中，隨著研究的不斷深入，人們發現許多微生物都可以合成PHA。到今天，已發現的PHA單體的種類已經超過了150種，構成了一個龐大的高分子家族。儘管單體間各有不同，這一家族中的所有成員都滿足一個特殊的PHA結構通式：

圖2 PHA結構通式

註：結構通式中R是支鏈，*代表C是手性碳。

根據C3位上側鏈基團的不同，理論上PHA的結構變化幾乎是無限的。此外，不同的單體還可以形成不同的共聚物，如二元共聚物3-羥基丁酸（3HB）和4-羥基丁酸（4HB）的共聚酯P3HB4HB、3HB和3-羥基己酸（HHx）的共聚酯PHBHHx等。根據單體在共聚物中比例的變化，共聚物的性能也會產生許多變化，這些多樣化的性能使PHA在應用中相較其他生物基材料有著明顯的優勢，下面就讓我們來看看PHA有哪些獨特的性能吧。

PHA的性能

PHA家族成員的共性：

PHA首先具有常見高分子材料的基本特徵，如良好的理化性能與熱加工性能等。同時，PHA還具有一些特殊的材料學特徵，如：光學異構性、壓電性、氣體阻隔性等。除此之外，PHA作為生物基材料，還具有非常重要的兩大屬性：

完全的生物可降解性

一般的生物可降解材料需要在堆肥條件下才能降解，而PHA具有自發的生物可降解性，無需堆肥即可在自然環境下降解，且降解時間可控。

優異的生物相容性

PHA在生物體內的降解產物主要是小分子低聚物或是單體成分，對人體無毒無害，也不會引起強烈的排異反應。甚至有研究發現，部分PHA的降解產物會影響細胞內鈣流、線粒體活性等生理生化反應，表現出潛在的醫療保健藥用價值。

PHA家族成員的差異性：

作為一類高分子生物聚酯，PHA的材料學性能主要是由其單體組成決定的，分子量一般為幾萬到幾百萬之間。由於PHA的單體種類多樣、彼此之間鏈長差別很大，這就使不同PHA的材料學性質大不相同，從堅硬質脆的硬塑料到柔軟的彈性體，可謂千型百態。

圖3 PHA性能對比

PHA的應用

由於PHA擁有與傳統塑料相似的理化性能，並且具有良好的生物可降解性與生物相容性，這些特性讓PHA從上世紀70年代開始獲得越來越多的關注，作為傳統石油塑料的代替品和優秀的醫用植入材料而受到深入的研究。

現在，越來越多的PHA應用場景正在被開發出來，除了主要的環保包裝材料、農膜、醫用植入材料市場外，在藥品、化妝品、器具類材料、塑料添加劑、動物飼料、廢水處理等市場的應用前景也非常廣闊。

圖4 PHA的應用市場

PHA的商業化發展

PHB是PHA家族中第一個進行商業化的材料，從上世紀80年代起，就被逐漸開發出一次性包裝用品、藥物緩釋載體、骨組織工程支架等商業化應用，它與聚丙烯在分子結構和物理性能方面有許多相似的地方，結晶度為55%-80%，性脆，斷裂伸長率很低，且在加熱溫度高於熔點（180℃）10℃時，就會降解，從而增加了PHB的後處理加工的難度，限制了它的應用範圍。

鑒於PHB的性能限制，科學家開發出了第二代商業化PHA——PHBV。3-羥基戊酸（3HV）單體的摻入使聚合物的結晶結構發生明顯改變，結晶的晶體規整性下降且呈現不同的結晶形態，與PHB相比硬度小而彈性更強，使材料的性能得到了改進。

隨著PHA研究的進一步發展，今天，PHA已經進入了第四代商業化材料——P3HB4HB的時代。與PHB較脆的物理性能不同，P3HB4HB可以通過調節4HB在共聚物中的比例控制材料的相關性能，兼具硬度與延展性，在包裝材料、農膜、醫用植入材料等市場有著非常大的優勢與前景。

國際領先的PHA供應商——北京藍晶微生物科技有限公司（Bluepha）

北京藍晶微生物科技有限公司在PHA研發領域有超過30年的技術積累，獨創的藍水生物技術可以穩定生產質優價廉的PHA原材料，並可根據應用需求對材料性能進行優化，是近幾年來國際範圍內最為活躍及有影響力的PHA材料研發公司。公司技術實力雄厚，擁有清華北大等名校博士十餘人，及多個PHA相關專利，目前正在與國內外多家科研單位及企業合作開展PHA應用的開發。

圖5 Bluepha專利技術生產PHA

作為一家成立於清華大學的合成生物學技術與生物材料企業，PHA是Bluepha藍晶微生物選定的第一個工業應用方向。合成生物學是近年來國際新興的一門學科，它是在傳統生物學的基礎上，運用工程學及電腦軟體的輔助，對生物進行系統化的定向改造或重新設計。Bluepha藍晶微生物即是運用先進的合成生物學技術平台開發出了獨創的PHA生產方法，從而大幅度優化生產工藝並降低成本。