魏風(fēng)軍 張俊楠

當(dāng)今社會(huì)塑料包裝的過度使用、廢棄塑料制品隨意丟棄和回收處置不當(dāng)，對(duì)我們的生態(tài)環(huán)境造成了很大的損害。隨著國(guó)家禁塑令以及各省對(duì)于白色污染治理相關(guān)政策的出臺(tái)，一次性塑料相關(guān)產(chǎn)品的生物替代呼聲日漸高昂。于是，以熱塑性淀粉塑料、聚乳酸、PHA、脂肪族聚酯等為原料制造的禁塑替代產(chǎn)品逐漸被科學(xué)家們挖掘出來，這些材料具有來源豐富、支持生物降解等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

PHA材料簡(jiǎn)介

PHA的英文全拼是Polyhydroxyalkanoates，中文名稱叫聚羥基脂肪酸，是一種高分子生物材料。在細(xì)菌細(xì)胞等微生物細(xì)胞中，存在著一種高分子聚酯，它就是聚羥基脂肪酸。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)證實(shí)的PHA聚酯有至少130種不同的單體結(jié)構(gòu)，并且新的單體還在源源不斷地被人們所發(fā)現(xiàn)。PHA有一些特殊的性能，包括生物可降解性、生物相容性、環(huán)境友好性等。正是由于這些特殊性能的存在，聚羥基脂肪酸擁有許多潛在的應(yīng)用前景，各國(guó)科學(xué)家都對(duì)PHA進(jìn)行了很多工藝流程開發(fā)和具體性能探索。

聚羥基脂肪酸的最大的特點(diǎn)是，在堆肥、土壤、海水等幾乎所有環(huán)境中都可以被微生物分解，并且分解后的產(chǎn)物大多都是水和碳基，也不會(huì)污染環(huán)境，這個(gè)發(fā)現(xiàn)為禁塑令背景下一次性塑料產(chǎn)品領(lǐng)域以PHA進(jìn)行替代呼聲漸起，也為一次性塑料產(chǎn)品的禁塑替代提供了一種實(shí)現(xiàn)塑料產(chǎn)品的綠色可持續(xù)發(fā)展的思維。

PHA的分子量為1000～1000000，玻璃態(tài)溫度為-60℃～+60℃，其熔點(diǎn)為+40℃～190℃，它對(duì)水蒸氣和空氣中大多數(shù)氣體的阻隔性能類似于PET，聚羥基脂肪酸在淡水中穩(wěn)定，但可以在海水或者土壤中完全生物降解，并且降解速度較其他生物材料較快，對(duì)環(huán)境也沒有二次污染，因此可以代替諸多一次性產(chǎn)品的石油塑料作為大多數(shù)物品的包裝材料。

PHA的生物降解性能

聚羥基脂肪酸（PHA）材料的生物基含量是100%，它的降解有以下? ?條件：

①環(huán)境中含有能降解PHA的微生物，這些微生物一般在土壤、海水、池塘中都有存在，但是在不同的環(huán)境所擁有的微生物活性及其群落數(shù)量有所不同，因此PHA的降解速度也有所區(qū)別。

②環(huán)境里擁有足夠多的水分、氧氣、礦物質(zhì)和葡萄糖等微生物存活所需要的養(yǎng)分，聚羥基脂肪酸可以作為微生物的碳源，被微生物攝取利用，微生物在分解消耗聚羥基脂肪酸時(shí)需要進(jìn)行呼吸運(yùn)動(dòng)，因此需要氧氣、水分和葡萄糖等提供呼吸運(yùn)動(dòng)的原料。

③對(duì)于不同類型的微生物及聚合物體系，需要提供一定的溫度條件（如20℃～60℃）和一定pH值（如5～8）。

一般認(rèn)為PHA的降解首先是在一定的條件下（如上所述）各種附在培養(yǎng)基表面增殖的微生物釋放出特定的降解酶，在降解酶的催化作用下聚合物分解成很小的分子段，當(dāng)聚合物分子量降到500g/mol以下時(shí)，就很容易被微生物吸收消化，它的降解速度取決于酶的種類，數(shù)量和加入的添加劑等因素。

如果不滿足上述的條件如在常規(guī)的環(huán)境下或在淡水中PHA是不會(huì)被降解的。

目前的聚羥基脂肪酸大多都是在活性污泥培養(yǎng)基中合成的?；钚晕勰喙に囀欠e累聚羥基脂肪酸的一種應(yīng)用最廣、效果最好、成本較低的生產(chǎn)PHA的流程工藝，我國(guó)的PHA生產(chǎn)廠家基本也是運(yùn)用這種方法生產(chǎn)的。活性污泥培養(yǎng)基內(nèi)繁殖的微生物在不同氧氣環(huán)境都可以發(fā)揮作用，其主要是通過微生物的生命活動(dòng)進(jìn)行的，微生物在厭氧階段消耗有機(jī)碳源并合成PHA，在好氧條件下，之前在厭氧階段產(chǎn)生的PHA可作為能源和碳源的儲(chǔ)存物維持微生物生命體的基本生命活動(dòng)。

聚羥基脂肪酸只能在微生物的細(xì)胞體內(nèi)合成。各種各樣的蛋白質(zhì)參與了PHA的產(chǎn)生。PHA合成酶在聚羥基脂肪酸形成的過程中起著關(guān)鍵作用。聚羥基脂肪酸合成途徑包括：脂肪酸生物合成起始途徑、脂肪酸B氧化途徑脂肪酸生物合成延長(zhǎng)途徑以及其他相關(guān)途徑。

目前我國(guó)擁有完整的PHA生產(chǎn)鏈的企業(yè)只有為數(shù)不多的幾家，PHA的產(chǎn)量還略有不足，生產(chǎn)成本也較塑料等材料較高，因此到現(xiàn)在PHA還沒有得到廣泛的應(yīng)用，只是在醫(yī)用方面有些許運(yùn)用。還有很多的聚羥基脂肪酸的合成方式僅僅停留在實(shí)驗(yàn)階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的要求，需要我國(guó)科學(xué)家繼續(xù)孜孜不倦的進(jìn)行探索與試驗(yàn)。從2017年至今，國(guó)韻生物、意可曼、天安生物、南天、美國(guó)Metabolix、英國(guó)ICI、德國(guó)Basf等都先后投入PHA領(lǐng)域，預(yù)計(jì)到2022年P(guān)HA的產(chǎn)能將有很大的提升，將可在一次性塑料產(chǎn)品的替代方面發(fā)揮重要作用。

PHA在包裝行業(yè)及禁塑替代中的應(yīng)用

作為一種新型全生物降解材料， PHA既可以制成薄膜也能紡成纖維，因此可廣泛應(yīng)用于農(nóng)用大棚遮光膜、醫(yī)學(xué)藥品包裝、衛(wèi)生用品、控制藥物稀釋載體以及特殊包裝等領(lǐng)域。用聚羥基脂肪酸材料制成的一次性制品， 與普通塑料的一次性制品性能相似，但其廢棄物在土壤中較塑料制品很容易被如細(xì)菌、放線菌、支原體、藻類等眾多微生物分解成二氧化碳和水，被微生物所吸收，并用于其生命活動(dòng)，絲毫不污染環(huán)境，具有環(huán)境友好性，因此在未來的包裝領(lǐng)域聚羥基脂肪酸具有非常寬闊的應(yīng)用前景。由于聚羥基脂肪酸擁有很好的生物相容性，因此它可用作醫(yī)院手術(shù)傷口的縫合線及控制藥物稀釋速度的載體。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，PHA可以被看作天然的復(fù)合材料，可以在土壤中自然降解，可用于加載農(nóng)肥，做殺蟲劑除草劑的載體，種子涂覆等方面。在物流運(yùn)輸包裝領(lǐng)域，PHA材料可以制成包裝箱、集裝箱、托盤甚至與紙復(fù)合做成的快遞箱，這些各種箱型不僅環(huán)保而且還能回收利用;在機(jī)械零件領(lǐng)域，PHA可以單獨(dú)通過3D打印技術(shù)制造零件，還可以與其他金屬混合制造出具有優(yōu)良性能的復(fù)合金屬? 材料。

除此之外，以PHA為材料制成的薄膜可以用于保鮮、盛裝包裹商品甚至農(nóng)業(yè)種植等，由PHA制成的零件還能廣泛用于航天航空等機(jī)械領(lǐng)域，PHA在控制藥物釋放等方面的研究也有很多，但由于現(xiàn)有的緩釋給藥產(chǎn)品大多會(huì)通過快速水解而降解，因此PHA還不能完全實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效地控制藥物釋放，但這也是PHA的一個(gè)重要研究方向，是一個(gè)有待深度開發(fā)的處女地。

聚羥基脂肪酸作為一種可降解的生物材料，可以與塑料一樣應(yīng)用于諸多禁塑替代領(lǐng)域，比如日常所用的各種塑料袋、包裝袋，還可用于各種中空容器、注塑容器、捆扎帶、標(biāo)簽、吹塑容器等。目前，我國(guó)在PHA的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得多項(xiàng)進(jìn)展，很多發(fā)明專利與工藝已經(jīng)投入企業(yè)進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，如PHA纖維的制備工藝已經(jīng)非常成熟，由PHA制得的纖維可以代替尼龍、滌綸、丙綸等化學(xué)纖維廣泛應(yīng)用于造紙或織成纖維層，制造出來的PHA纖維較其他的纖維材料更加環(huán)保和可降解。通過注塑和各種成膜方法制備出的PHA膜，可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、航天、醫(yī)學(xué)上的包裝，此外PHA在包裝瓜果蔬菜方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谌粘Ｉ钪校蛷N垃圾是垃圾來源的重要途徑，而由PHA制成的包裝在隨著餐廚垃圾埋入地下后，較其他包裝材料更加容易降解。

PHA通過流延擠出成型制備成的塑料膜具有很好的阻隔性能，可以有效地防止液體的泄露或氣體的進(jìn)入，因此可以用于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，或者冷凍食品包裝、五金產(chǎn)品包裝、貨盤包裝、PHA瓦楞紙復(fù)合紙箱等或者小零食貯存袋、酸奶牛奶袋、垃圾袋、纖維包裝袋、日化用品包裝? 袋等。

因?yàn)镻HA有良好的復(fù)合性，它可以與其他材料復(fù)合使用，比如PHA可以與紙張復(fù)合，制造具有特殊性能的包裝紙，還能與鐵鋁錫等金屬材料復(fù)合，也能與粉煤灰復(fù)合進(jìn)而改善PHA的熱性能和韌性，PHA還能與硅酸鈣復(fù)合，用以提升PHA的降解速度并且還能解決PHA降解后pH值過低的問題，PHA還能與一些無機(jī)固化劑復(fù)合，制造具有防水功能的涂料。

PHA的各種各樣的功能為包裝行業(yè)提供了一個(gè)全新的研究方向，隨著科學(xué)的進(jìn)步，PHA在包裝行業(yè)與禁塑替代領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來越多，越來越廣，為禁塑提供重要的支撐作用。

結(jié)束語

20世紀(jì)初，法國(guó)科學(xué)家從微生物細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)PHB顆粒以來，經(jīng)過40多年的不斷發(fā)展，到目前為止，至少發(fā)現(xiàn)了150種不同結(jié)構(gòu)的聚羥基脂肪酸單體，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與設(shè)備的不斷更新，通過不同的發(fā)酵底物、不同的菌種、不同的環(huán)境條件以及基因合成改性等物理化學(xué)調(diào)控方法，將會(huì)有更多的不同結(jié)構(gòu)的PHA單體被人們所發(fā)現(xiàn)和了解。從1980年起，出于國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視和科學(xué)發(fā)展觀概念的提出，與綠色可持續(xù)發(fā)展理念被越來越多的人們所接受，我國(guó)很多中小型企業(yè)便開始了對(duì)PHA的研究和工業(yè)化生產(chǎn)的探索，到目前為止已經(jīng)取得了一些突破性的成就，一些聚羥基脂肪酸單體已經(jīng)逐漸的可以工業(yè)化生產(chǎn)。PHA作為一種低碳材料，同塑料、金屬等材料相比，其具有可生物降解的性能，在未來能夠很大程度代替塑料成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚陌b材料，可以有效減少白色污染，以及其他包裝材料廢棄處理所造成的二次污染。

PHA材料品種和結(jié)構(gòu)的多樣化，為其在通用塑料領(lǐng)域和生物相容方面的應(yīng)用提供了無限的可能，其在環(huán)保綠色無與倫比的優(yōu)勢(shì)既符合當(dāng)下社會(huì)發(fā)展科技進(jìn)步的需要，又符合人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)美好生活和美好環(huán)境的向往。隨著PHA材料產(chǎn)業(yè)化的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)化，產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量的進(jìn)一步穩(wěn)定，產(chǎn)品成本的進(jìn)一步降低，當(dāng)越來越多的PHA材料被人們所認(rèn)知，越來越多的PHA復(fù)合材料被人們研究出來，我相信，可降解PHA材料必將取代塑料產(chǎn)品，具有更好的市場(chǎng)前景。

作者單位：河南科技大學(xué)包裝工程系

責(zé)任編輯：王蕾 wl@cprint.cn