TK生物基材料編譯，本文作者：昆士蘭大學化學工程學院 Steven Pratt、Nyssa Nair等塑料現在在我們的生活中無處不在，如果沒有這些重量輕、易於成型、堅固、便宜、耐用且易於獲得的材料，我們現代社會的系統將無法運行。然而，我們在設計此類有用材料方面的成功帶來了一個系統性問題，每年有大量的塑料泄漏到環境和海洋中。這個問題非常明顯，以至於斯德哥爾摩彈性中心的研究人員將其視為行星邊界威脅。全球和地方為解決塑料污染所做的努力既緊迫又多維度，可生物降解塑料發揮着越來越重要的作用。PHA（聚羥基鏈烷酸酯）是一種具有重要意義的生物塑料。因為它下既是生物基的，又可在環境條件下生物降解，使其成為真正的「綠色」塑料。其卓越的性能，以及不會在環境中積累，作為一種商用塑料它的前景令人興奮。1.PHA——未來的塑料
世界現在每年生產近 4 億噸塑料，其中大部分最終被填埋。這種塑料垃圾的廣泛性和非常明顯的性質正在推動人們對生物塑料的興趣，以此來最大程度地減少我們的塑料消費對環境造成的影響。
PHA 被認為是未來的生物塑料。它們展示了綠色塑料的所有特徵：它們是生物基、生物合成、在自然環境中可生物降解、可堆肥和生物相容性。生物降解性是 PHA 最有趣的特性。另一種生物塑料聚乳酸 (PLA) 是目前用量最多的生物衍生聚合物，但只能在工業堆肥設施中分解。另一方面，PHA 將在周圍環境中生物降解，甚至在海洋中。它們在氧氣存在下降解為二氧化碳和水，在厭氧降解中降解為甲烷，避免了微/納米塑料的積累。
PHA 具有與目前廣泛應用的石化塑料相似的性能特徵，預計遲早會與石化衍生塑料競爭。事實上，全球 PHA 市場已估計為 6200 萬美元（2020 年），預計到 2025 年將達到 1.21 億美元，在 2020 年至 2025 年間以 14.2% 的複合年增長率 (CAGR) 增長。這部分是因為 PHA 產品的應用範圍很廣。
PHA 已獲准用於食品接觸，可用於托盤、餐具和吸管；它作為模壓玩具和眼鏡架的材料服務於具有生態意識的市場；它的生物相容性使其適用於許多生物醫學應用；並且真正可降解，它對包裝和農業應用特別有用。嚴格的環境法律和客戶意識等因素正在推動這些市場。
2.PHA 塑料生產的獨特之處PHA 生產技術在（生物）塑料生產中是獨一無二的。它依賴於生物過程工程，涉及微生物培養物在細胞內形成 PHA 作為碳和能量儲存的生物過程。聚合全部由微生物完成；不涉及化學合成。合成方式存在許多變化，但 PHA 的生產基本上遵循以下四個不同的過程階段：
成長與積累。給細菌培養物餵食碳源（例如糖）以促進生物質生長，從而增加微生物培養物的濃度。然後培養物被剝奪必需的營養物質（如磷、氮甚至氧），這會抑制培養物的繁殖，促使碳源在細胞內作為 PHA 儲存（PHA又被稱為細菌的脂肪）。
從液體中分離培養物。一旦形成 PHA，就收集並乾燥富含 PHA 的微生物培養物，為 PHA 提取做準備。通過添加諸如硫酸的物質來停止培養物的代謝，以防止細菌代謝細胞內的PHA 。
從生物質中回收 PHA。從生物質中提取 PHA，通常使用從生物質中剝離 PHA 的溶劑。一旦從溶液中的生物質中提取 PHA，就需要將其與細胞碎片分離。
乾燥和造粒。除去溶劑後，將分離的PHA洗滌並乾燥，然後通過擠出機造粒。粒狀 PHA 可用於包裝和市場銷售。
PHA的脫水和聚合，來源：CJ第一製糖
3.極端微生物，解決商業生產的兩個關鍵挑戰
PHA 的全球市場正在迅速接近 1 億美元。但現實情況是，用於商業生產的生物技術仍然受到以下因素的限制：維持 PHA 微生物的純培養的挑戰；以及與冷卻高度放熱的生物過程相關的能源成本。
最近的發展表明，極端微生物——在極端環境中茁壯成長的細菌和古生菌——可以用來解決這些問題。例如，使用嗜熱菌涉及在高溫下運行，這確保了足夠的溫差以允許使用冷卻水而不是昂貴的製冷劑。並且使用嗜鹽菌（具有高耐鹽性的生物）可以在高鹽條件下進行生物生產，從而無需滅菌即可排除污染。
4.甘蔗生產 PHA 的技術經濟評估
鑑於對 PHA 的熱情，以及最近在使用極端微生物生產 PHA 方面的發展，我們與黃金海岸市議會合作，考慮從蔗糖生產 10,000 噸/年 PHA 的技術經濟學，來自澳大利亞昆士蘭的甘蔗。所提出的技術依賴於使用Haloferax mediterranei（一種嗜鹽古細菌）來產生細胞內 PHA。
使用嗜鹽菌的好處是：
通過在高鹽度培養中培養生物體，競爭生物體將不會生長，並且我們能夠維持 PHA 蓄積物的富集培養。這避免了對飼料進行消毒的需要。
從細胞中提取 PHA 更簡單、更便宜，因為細胞在暴露於新鮮（或低鹽水）水時會因滲透性休克而破裂。
原料以甘蔗的形式提供，需要進行製備，以便蔗糖可用於 PHA 生產過程；將 90% 的蔗糖溶液送入生物處理單元。將濃縮的蔗糖溶液與足夠的鹽一起送入生物反應器，以維持嗜鹽菌生長所需的鹽濃度。
PHA造粒，來源:CJ
該工藝採用兩階段生物反應工藝。第一階段包含兩個平行的生長反應器，以維持Haloferax mediterranei的最佳生長條件；第二階段包含五個串聯的 PHA 積累生物反應器，在氮限制下運行，以促進 PHA 的生產。
來自蓄積反應器的鹽水/電池混合物通過水力旋流器分離。然後將鹽水循環回生長反應器，並用水洗滌含有PHA的細胞團部分。由於細胞中的高滲透壓，細胞在水洗過程中破裂並釋放 PHA 顆粒。然後將它們在水平兩相分離器中分離。過濾非 PHA 生物質部分以去除生物質，並且不含生物質的水可以在水洗中重複使用。來自分離器的含有 PHA 的部分在被造粒之前被乾燥。
經濟評估表明，年產能為 10,000 噸 PHA 的工廠的資本投資為 865 萬美元。包括原材料、公用事業和勞動力在內的運營成本導致生產成本為 2.5 美元/公斤。生產成本以蔗糖原料為主，占運營成本的 60% 以上。該成本是基於當前商品糖的相對較高價格，並且有機會通過使用在糖廠結晶糖之前獲得的更便宜的蔗糖溶液來降低該成本。假設 PHA 的銷售額為 4.30 美元/公斤，這些初始成本表明，用糖生產 PHA 在經濟上是可行的，人們可以期望在 2.5 年內收回投資（投資回報率為 40%）。
5.需要進行產能建設以促進生物塑料的大規模生產
PHA 和更普遍的生物塑料的前景顯然是光明的，預計生物塑料製造除了積極的環境成果外，還將產生顯着的經濟和就業效益。據估計，僅在歐洲，該行業的就業人數到 2030 年就可能增加十倍以上。
但伴隨着這些好處而來的是潛在挑戰，包括與食品生產的原料競爭以及與回收和廢物管理系統的兼容性。在澳大利亞，我們正在通過澳大利亞研究委員會新的生物塑料和生物複合材料工業轉型培訓中心等舉措為這一前所未有的增長和相關挑戰做準備，它匯集了整個價值鏈的行業和研究人員——從資源開發到產品設計再到報廢管理。這個耗資 1300 萬澳元的中心由昆士蘭大學化學工程學院領導，旨在提供可持續的整體解決方案，但重點是進一步的技術開發——包括 PHA 生產技術和新 PHA 產品的製造，包括柔性薄膜等，用於新的生物經濟。
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