前不久，由亚马逊气候友好承诺基金发起的“女性创始人倡议”宣布，将投资一家由华裔科学家 Luna Yu 创立的生物可降解塑料公司 Genecis，后者是一家通过微生物和发酵工艺将有机废物转化为高价值材料的生物技术公司，总部位于加拿大多伦多。

生活中包括塑料瓶、食品包装袋、塑料袋等在内的几乎所有传统塑料制品的原料，都是从石油中提取出来的，因此会给环境造成很大的污染，甚至加速全球变暖并引发气候危机。

为了应对上述问题，人们希望开发能够替代塑料产品的生物可降解塑料，这些生物塑料通常来自淀粉、动植物脂肪、几丁质、糖类等生物物质。

Genecis 目前正在利用一种特殊的细菌，将面包皮等食物残渣转化为可用于包装食品、服装的聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）生物可降解塑料。PHA 是一种生物可降解、可堆肥、无毒的传统塑料替代品，也是在细菌中发现并通过发酵产生的天然聚合物。与其他使用食物源的生物塑料生产商不同，使用有机废物，是一个大规模的循环经济解决方案。

每年，大约有1000多万吨的塑料废弃物进入海洋，由于塑料无法在海洋中自然降解，因此也成为了海洋动物的最大杀手之一。又由于塑料袋在海洋中的形态与海龟喜爱吃的水母相像，常常导致海龟误食，乃至死亡。因此，寻找由可自然降解的生物质材料制成的塑料成为全球产业关注的重点领域。

极具发展潜力的材料PHA

聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate，PHA)是生物可降解材料的一种，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能够在有氧和无氧条件下实现生物降解。由于PHA具有类似塑料的物理机械性能和加工性能，工业上可以采用微生物批量生产这种聚合物并以此替代传统塑料。

相对于其他可降解材料，PHA在降解性及应用面上均更优：

降解性能上，PHA的降解范围更广，可以在淡水、海水、土壤、堆肥、甚至有机污泥中生物降解，还可以通过与其他材料共混来提高终产品的可降解性；

物理性能上，PHA是系列聚合物，既可以对共聚物的单体结构进行选择搭配，亦可以与其他可降解材料复配，提升共混物的物理机械性能。

有数据显示，PHA纯料在海水中降解率超过86%，而PBAT纯料的降解率仅4.3%，PLA纯料的降解率仅5.6%；当PLA与PHA共混后，共混物最大降解率超75%；当PBAT与PHA共混后，共混物降解率超65%。

此外，相较于改性淀粉、PBAT、PLA等可降解材料，PHA综合性能更好，数据对比情况见下图。

应用方面，PHA系列分子不同的属性指标意味着它们不仅可以用于不同的应用场景，如一次性制品、软质包装、纸塑复合等，此外，还可以通过与不同结构的PHA(对应不同物理机械性能)及其他可降解材料的共混实现更好的物理机械性能，如与PLA共混提升其韧性、与PBAT共混提升其强度等。

PHA产业化的挑战

目前，全球仅美国Danimer公司、日本Kaneka公司能够大规模生产中链共聚型PHA材料。蓝晶微生物是全球第三家、中国第一家掌握该材料大规模制造技术的企业。

值得注意的是，PHA从发现到生产再到应用，走过了一段不短的历程，过程中充满挑战。

1888年，荷兰微生物学家马蒂纳斯·威廉·贝耶林克（Martinus Willem Beijerinck）首次在一种微生物体内发现了它。1925年，法国微生物学家莫里斯·莱莫因（Maurice Lemoigne）首次从巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）中分离出后来被命名为“聚3-羟基丁酸”（缩写为PHB，为PHA家族中的一员）的天然高分子，并对此进行研究。

众所周知，人类对微生物的研究和应用是近百年的事。早期微生物主要用于制造味精、酸奶、青霉素等食品和药品，将微生物应用于材料制造只是近年来的事。1980年，英国帝国化学工业公司尝试将PHA进行产业化，但因为成本与传统石油制成的塑料相比太过昂贵，后来不得不出售这一技术。

白渊斌说：“制造一类高分子材料通常需要整个产业耗费十年左右的时间，进行高达数十亿美元的投入，而PHA开发的时间跨度更长，开发难度更大，双方难度甚至不在一个数量级。”

PHA的研发涉及微生物、生物工程和高分子材料三大领域，而在产业应用中，全球同时具备这三大学科技术能力的公司极其稀缺，这使得挑战异常巨大。每一个客户的需求都是一个跨学科的解决方案，这一材料若要实现工业化生产，并在不同领域得到应用，所涉及的学科大约有30种，对研发的挑战巨大，而一旦成功，壁垒也会很高。

自2010年以来，随着合成生物学领域的新一代基因编辑技术CRISPR、生物信息学、代谢工程学、高通量发酵及检测、下游分离纯化等核心技术环节的重大突破，使得PHA在菌株研发迭代速度大幅提升的同时，成本不断下探。合成生物学可以理解为拼乐高，用底盘和基因元件来组装生物，而传统生物学是将整体拆成零件。

如今，PHA的生产需要考虑三个要素：底盘细胞、碳源（原料）和代谢通路。蓝晶微生物通过合成生物技术，提升了底盘细胞的生长速度，能高效“吃掉”碳源，提高碳源转化为PHA的效率。

蓝晶在微生物底盘库和基因元件库有丰富的积累，基于这一资源和数据，我们能够实现更多的可能性。更重要的是，作为一家企业，我们跟科研机构不同，能够把技术、产品和市场连接起来，实现正向的循环。

目前成本偏高及产能不足是制约PHA商业化进程的关键因素，短期来看，行业面临成本合理化及规模化扩产的挑战。长期来看，可以通过原料多元化和技术迭代持续降低PHA的生产成本，以实现对传统塑料的大规模替代。

导致PHA成本居高不下的原因有两个：一是较高的生产成本，二是原材料成本在PHA生产成本中占比最高。张晓蕊说：“未来，降低原材料成本的路径主要有三条：一是发展产业链一体化，整合上游产业链；二是发展原料多样性；三是通过持续技术迭代实现原料转化率的提升。”

从PHA生产来看，以油脂为原料比以糖类为原料的质量转化率更高。蓝晶采用原棉籽油为原料，棉籽油是棉花生产的副产品，每年中国棉籽油的产量约为一百三四十万吨，棉籽油中因为含有具有毒性的棉酚，通常用于工业领域，蓝晶采用棉籽油也是变废为宝的一个渠道。从原料价格来看，棉籽油的波动性与植物油联动，通常在百分之几十的波动范围，相比石油的价格波动要低得多。

像糖类和植物油这类传统生物质原材料比较容易获取且供应稳定，但近年来随着粮食价格不断飙升,粮食问题已发展成全球危机，PHA在原料获取方面将存在与人争粮的问题。未来，通过技术迭代，可使用非粮生物质作为PHA的生产原材料，如秸秆、废弃烹饪油、有机废水、咖啡渣等，这些原料潜在供应量巨大。同时中国作为农业大国，秸秆资源位居世界首位，2021年中国秸秆产量高达7.4亿吨，可确保PHA原材料的稳定供应。此外，除了生物质原料，PHA还可以通过固定甲烷、二氧化碳等气体碳源进行生产，从而更有效地解决碳排放问题。

蓝晶的关键技术名为“生物混动”（biohybrid），灵感来自于光合作用。这一技术的核心在于，让微生物可以同时以二氧化碳和传统生物质为原料进行生物制造，一方面可以降低碳排放，另一方面可以降低生产成本。一旦成功，这将成为生物制造领域的一个重要里程碑，不仅可以用在PHA的生产上，今后还可以应用到其他大部分生物发酵产品的生产中。

石化产业发展了100多年，体系已经构建得非常完备，没有多少可以创新的空间，但是生物制造才刚刚开始，空间还很大，目前蓝晶会专注于利基市场（小众市场）的开发。

2022年，蓝晶位于江苏盐城的PHA工厂开始运行，首期产能为5000吨，报批规划产能为25000吨，另外，当地政府还为蓝晶预留了三期的土地，预计规划产能为50000吨，总规划产能为75000吨。

传统大宗塑料年产量约有3亿吨，如果PHA可以渗透20%的市场份额，便有6000万吨的市场规模，蓝晶未来能占有1000万吨就是比较理想的状态。一吨产品按2万元计算，产值可达2000亿元，如果再进入下游应用，会有更高的附加值产生。

PHA优秀的降解与物理性能、日渐成熟的生产技术、不断扩大的市场规模等，都为PHA的成长提供强劲的驱动力，使其成为最具成长潜力的生物可降解材料。

另据普华永道测算，预计在未来3-5年内，PHA市场规模将达到629亿人民币，主要市场集中在不便于回收的强需求场景，如一次性包装材料、一次性餐饮具等。

文章来源： DeepTech深科技，商学院杂志，化工365