TK生物基材料 - 2022生物基與降解材料行業，PHA專題報告－鑽石舞台

May 06 Fri 2022 01:00
TK生物基材料 - 2022生物基與降解材料行業，PHA專題報告

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來源：Deeptech，《2022中國生物基可降解材料技術與行業研究報告》

PHA 在不同生物降解材料中碳中和得分最高，在「雙碳」政策和高質量發展政策推進的當下，具有重要意義。PHA是唯一能在海洋和土壤中快速降解的材料，其降解產物是人類天然存在的能量分子，從環境的角度看，PHA具備環境友好屬性。而通過技術手段降成本讓農民用得起生物材料農用地膜，成分可取自天然廢料、不與人爭糧等動作，都體現了對社會的關懷。

總體來說，PHA 具有五大優勢、六大優秀特性，被廣泛應用於化工、包裝、醫療、農業、日用、軍工等領域。得益於其良好的生物相容性，PHA 在高附加值的醫療領域應用較為廣泛，可以作為醫學和治療應用的生物植入材料。

圖 1丨PHA 的優勢（來源：微構工場、DeepTech）

1.PHA 研發經過四個發展階段，其材料學性質主要取決於單體組成

PHA 由 Maurice Lemoigne 於 1926 年首次合成，發展至今已近百年歷史。目前，PHA 種類已逾 150 種，不同種類的 PHA 材料學性質主要取決於其單體組成。

表 1丨PHA 四代商業化產品種類及應用方向（來源：微構工場、DeepTech）

2.合成生物學技術成 PHA 生產主流手段，兩方面共同制約產品商業化進程

PHA 一般合成方法工藝流程包括原料合成過程、化學過程、物理過程等。但傳統PHA 的製備不僅造價高，還存在高耗能、易染菌、過程複雜、產物難提取等缺點。

圖 2丨PHA 化工合成手段（來源：《當代化工》）

合成生物學方法開發 PHA 產品需要經過三個階段：改造出好的菌種，通過小規模測試放大工藝，建設工廠穩定生產。通過生物技術合成一種高分子材料，就像是在細胞里編程，設計原本不存在的基因代碼、編寫基因程序，以此來「造物」。

針對 PHA，需要考慮用以合成的三要素：底盤細胞、碳源（原料）、代謝通路。簡單理解，要通過基因編輯等手段，令底盤細胞能夠生長得更快，且能高效「吃掉」碳源，令細胞中的 PHA 「由瘦變胖」，提高碳源轉化為 PHA 的效率。

圖 3丨合成生物學在 PHA 生產菌株改造中的應用（來源：《合成生物學技術在聚羥基脂肪酸酯 PHA 生產中的應用》）

3.合成生物學技術成 PHA 生產主流手段，兩方面共同制約產品商業化進程

對於進行生物法從實驗室科研成果到產品商業化落地的過程，重點在於解決實現規模化的生產工藝這一難題，前端菌種改造效率與後端工藝放大效果兩方面均起到決定性作用。

•菌種改造：效率主要體現在生產產品的轉化率、生產速率和產量三個指標。作為合成生物製造的第一步，需要根據目標產品的特性選擇一個性狀優良的菌種，也稱底盤細胞，它是用於該產品生產的宿主。利用合成生物學的方法，對生物體基因組特定目標基因進行改造和修飾，以達到改造微生物代謝途徑的目的，能夠構建高效的菌種，實現產品生產事半功倍。現階段合成生物學研發過程中，基因測序、基因編輯和 DNA 合成的成本已經很低。面對複雜的生物設計，關鍵在於誰能夠以更高通量、在儘量短的時間內篩選出合理的基因編輯方案，提高產品的研發速率，降低研發成本。

•後端工藝放大：主要體現在高效、低成本、分離純化三方面。作為生物合成製造產業化的「最後一棒」，產品分離提純成本占到總成本的 60% 以上，高附加值產品的分離成本甚至可達 90%。異於傳統化學分離，生物製造法對分離純化技術存在較高的要求，生物產品分離過程需保證產品的生物活性，常需低溫、合適的 pH和耐受壓力。常用的綠色分離純化技術有膜分離技術、模擬移動床色譜技術和超臨界萃取技術，其中膜分離技術是以選擇通透性膜為分離介質。

圖4丨前端菌種改造效率與後端工藝放大效果重點環節（來源：DeepTech）

4.菌種培育、發酵過程、原料選擇、生產工藝等關鍵環節均有重大突破

目前，PHA 產業相關企業在菌種培育、發酵過程、生產工藝等環節均有重大突破。藍晶微生物使用高集成發酵罐提高發酵過程通量、積累過程數據，縮短研發周期。發酵環節限制菌株在設計、構建、測試環節實現高通量自動化的速度，關鍵在於：通量、數據化的程度。藍晶微生物使用了當前物理和化學領域最先進的傳感器設計開發自動化高集成的發酵罐，預計單個產品的完整研發周期會在現有基礎上再縮短 70%。微構工場重新編輯嗜鹽細菌的基因，並成功開發「下一代工業生物技術」。為了克服工業生物技術由於高耗能，耗水，設備投資巨大和工藝複雜等缺點，微構工場用合成生物學技術重新編輯了嗜鹽細菌的基因，並成功開發了「下一代工業生物技術」，包括其理論、模型、分子操作、實驗室培養技術、中試技術及工業生產技術，也包括部分產品的應用等。對嗜鹽菌進行從頭改造，使其能在無滅菌和連續工藝過程中、利用海水為介質高效生辰各種化學品和材料。以生產環境友好塑料，生物材料聚羥基脂肪酸酯 PHA 為例，該嗜鹽菌通過合成生物學的改造，實現了超高 PHA 積累（92%）和可控形變等工作。

北京本農環保科技聯合研究中心全球首次利用餐廚垃圾合成生物可降解塑料（PHA）項目中試完成。北京本農環保科技聯合研究中心聚焦石油及石化行業有機污染的治理與修復、餐廚等固廢有機物的資源化綜合利用領域的重大問題和科技需求，發掘自然及人工環境中新的功能降解和轉化微生物資源，研發污染場地生物修復技術、複合菌群生物合成前沿技術工藝與成套設備，將理論研究與技術工藝開發相結合。聯合研究中心定位準確、發展潛力和創新空間巨大。

5.產業鏈路：原料端創新力聚焦綠色生產，應用端在高附加值領域前景廣闊

在「碳中和」背景下，新的生產方式有望發展為 PHA 綠色合成的主流路徑。在合成生物學範疇，PHA 的整個聚合過程在常溫常壓下進行，反應安全，條件簡單，排碳少，專一性高副產物少，具有可實現碳循環的特點。然而高昂的製造成本成為合成生物學手段開發 PHA 商業化的最大阻礙，PHA 價格大約在普通聚乙烯和聚丙烯的 3 倍至 10 倍，這也是所有 PHA 企業研發的重點。清華大學教授陳國強分析了 PHA 生物製造的成本結構，底物原料成本占 50%，能耗占 27%，下游生產成本占 23%，足見解決原料成本問題是加速 PHA 商業進程的關鍵。

圖5丨制約 PHA 商業化的重要因素及解決方法（來源：DeepTech）

針對以上問題，可從三方面進行優化調整。1）採用廉價基質、開拓廉價底物途徑。開發來源廣泛、價格低廉的新底物，如餐廚垃圾處理物、活性污泥處理物、農用秸稈糖等。2）不斷提高菌株性能、提高生產強度。利用合成生物學技術優化菌株、代謝路徑，提高酶促反應效率、底物轉化率、產物產量、菌株生長速度，並降低產物提取難度。3）優化工藝運行效率、改進純化技術。通過模型推算和實踐，建立全流程優化方案，使整個生產過程在最佳條件下運行，達到節能降耗的目的。

PHA 為在高端醫用材料、中端包裝材料與低端快遞、一次性用品領域有着巨大的應用前景，得益於其優良的熱塑加工性、生物相容性和生物可降解性，PHA 在高附加值醫療領域市場前景廣闊。

圖 6丨PHA 具體應用領域與場景（DeepTech）

紡織纖維領域，將 PLA 與 PHA 進行共混能夠顯著改善纖維的耐熱性、抗菌防蟎等特性，可用於抗菌嬰童面料、抗菌牛仔面料、抗菌無紡布等產品的生產。包裝材料領域，因為 PHA 有良好的複合性，PHA 可以與其他材料複合使用，如與紙張複合製造具有特殊性能的包裝紙、與鐵鋁錫等金屬材料複合、與粉煤灰複合進而改善 PHA 的熱性能和韌性。可以用於嬰兒使用的一次性尿布，或者一些液體的防漏包裝、包裝金屬的收縮性薄膜。醫用材料領域，PHA 是存在於微生物細胞內的天然聚酯，與人體具有良好的相容性，在醫療領域的優勢是其無需通過二次手術取出。例如 PHB 可完全降解成屬於人體血液中正常成分的 3HB，不會引起排斥或產生毒性。2007 年，以 P4HB 為原料的可吸收縫合線（TephaFLEX®）獲美國 FDA 批准上市，成為首個商品化的 PHA 醫療產品。

商業現狀：市場需求水漲船高，PHA 迎來發展黃金時代

產能情況方面，中國對 PHA 的研究雖然起步較晚，但目前是世界上生產 PHA 品種最多、產量最大的國家。中國已走在 PHA 產業化前列，規劃產能超過10萬噸。天津國韻生物科技有限公司現有年產1萬噸的 PHA 生產線，並計劃在吉林建設10萬噸規模的生產線；寧波天安生物材料有限公司擁有年產2000噸的 PHA 生產線；綠塑科技也已建成萬噸級 PHA 生產基地。藍晶微生物新一輪融資開始建設 PHA 量產基地，總產能規劃為 10 萬噸，分三期建成，其中 5000 噸的一期生產線將在 2022年內建成投產。微構工場也於 2021 年 6 月完成 200 噸的 PHA 裝置投產，並且在7月利用得到的 PHA 成功製成纖維紡，在生物合成塑料道路上邁出了重要的一步。

表 2丨中國主要公司 PHA 產能情況及規劃產能（來源：公司公告、各地十四五規劃、DeepTech）

市場前景與未來趨勢方面，得益於 PHA 在材料性能、生物可降解性、減碳上的卓越表現，市場對 PHA 需求增長迅速。另據 European bioplastic conference 數據，2020 年 PHA 在全球生物塑料產能中占比不超過 2%，而到 2025 年 PHA 生物塑料占比將上漲至 11.5%，與 PBAT、PLA 的使用量相接近。據估計，未來 20 年 PHA 的全球需求量將達 1000 萬噸，隨之誕生的是約 3000 億元規模的市場，未來 5 年占比將由 2% 提高至 11.5%。

當前 PHA 和相關技術正在形成一個從發酵、材料、能源到醫學領域的工業價值鏈。未來，隨着成本的進一步降低以及高附加值應用的開發，PHA 將成為一種成本可被市場接受的多應用領域生物材料，成為可降解材料未來的主要發展方向之一。

相對於其他綠色材料，PHA 的降價空間和性能可調都為最大。當前 PHA 在市場上處於供不應求的狀態，價格約是傳統石油塑料的 8 倍左右；大規模生產後，售價可能與PLA 持平。隨着市場參與者增多，PHA 作為大宗商品的價格大概率會降低。可以預見，隨着大量資本的入局，PHA 產能將進一步提升，原料價格方面後顧之憂有望解決。中長期來看，降低 PHA 生產的複雜程度和製造成本將助力 PHA 產業迎來發展的黃金時代。