全生物降解材料PHA在包装行业及禁塑替代中的应用浅析

魏风军 张俊楠

当今社会塑料包装的过度使用、废弃塑料制品随意丢弃和回收处置不当，对我们的生态环境造成了很大的损害。随着国家禁塑令以及各省对于白色污染治理相关政策的出台，一次性塑料相关产品的生物替代呼声日渐高昂。于是，以热塑性淀粉塑料、聚乳酸、PHA、脂肪族聚酯等为原料制造的禁塑替代产品逐渐被科学家们挖掘出来，这些材料具有来源丰富、支持生物降解等优点，有着广阔的应用前景。

PHA材料简介

PHA的英文全拼是Polyhydroxyalkanoates，中文名称叫聚羟基脂肪酸，是一种高分子生物材料。在细菌细胞等微生物细胞中，存在着一种高分子聚酯，它就是聚羟基脂肪酸。迄今为止，已经发现证实的PHA聚酯有至少130种不同的单体结构，并且新的单体还在源源不断地被人们所发现。PHA有一些特殊的性能，包括生物可降解性、生物相容性、环境友好性等。正是由于这些特殊性能的存在，聚羟基脂肪酸拥有许多潜在的应用前景，各国科学家都对PHA进行了很多工艺流程开发和具体性能探索。

聚羟基脂肪酸的最大的特点是，在堆肥、土壤、海水等几乎所有环境中都可以被微生物分解，并且分解后的产物大多都是水和碳基，也不会污染环境，这个发现为禁塑令背景下一次性塑料产品领域以PHA进行替代呼声渐起，也为一次性塑料产品的禁塑替代提供了一种实现塑料产品的绿色可持续发展的思维。

PHA的分子量为1000～1000000，玻璃态温度为-60℃～+60℃，其熔点为+40℃～190℃，它对水蒸气和空气中大多数气体的阻隔性能类似于PET，聚羟基脂肪酸在淡水中稳定，但可以在海水或者土壤中完全生物降解，并且降解速度较其他生物材料较快，对环境也没有二次污染，因此可以代替诸多一次性产品的石油塑料作为大多数物品的包装材料。

PHA的生物降解性能

聚羟基脂肪酸（PHA）材料的生物基含量是100%，它的降解有以下   条件：

①环境中含有能降解PHA的微生物，这些微生物一般在土壤、海水、池塘中都有存在，但是在不同的环境所拥有的微生物活性及其群落数量有所不同，因此PHA的降解速度也有所区别。

②环境里拥有足够多的水分、氧气、矿物质和葡萄糖等微生物存活所需要的养分，聚羟基脂肪酸可以作为微生物的碳源，被微生物摄取利用，微生物在分解消耗聚羟基脂肪酸时需要进行呼吸运动，因此需要氧气、水分和葡萄糖等提供呼吸运动的原料。

③对于不同类型的微生物及聚合物体系，需要提供一定的温度条件（如20℃～60℃）和一定pH值（如5～8）。

一般认为PHA的降解首先是在一定的条件下（如上所述）各种附在培养基表面增殖的微生物释放出特定的降解酶，在降解酶的催化作用下聚合物分解成很小的分子段，当聚合物分子量降到500g/mol以下时，就很容易被微生物吸收消化，它的降解速度取決于酶的种类，数量和加入的添加剂等因素。

如果不满足上述的条件如在常规的环境下或在淡水中PHA是不会被降解的。

目前的聚羟基脂肪酸大多都是在活性污泥培养基中合成的。活性污泥工艺是积累聚羟基脂肪酸的一种应用最广、效果最好、成本较低的生产PHA的流程工艺，我国的PHA生产厂家基本也是运用这种方法生产的。活性污泥培养基内繁殖的微生物在不同氧气环境都可以发挥作用，其主要是通过微生物的生命活动进行的，微生物在厌氧阶段消耗有机碳源并合成PHA，在好氧条件下，之前在厌氧阶段产生的PHA可作为能源和碳源的储存物维持微生物生命体的基本生命活动。

聚羟基脂肪酸只能在微生物的细胞体内合成。各种各样的蛋白质参与了PHA的产生。PHA合成酶在聚羟基脂肪酸形成的过程中起着关键作用。聚羟基脂肪酸合成途径包括：脂肪酸生物合成起始途径、脂肪酸B氧化途径脂肪酸生物合成延长途径以及其他相关途径。

目前我国拥有完整的PHA生产链的企业只有为数不多的几家，PHA的产量还略有不足，生产成本也较塑料等材料较高，因此到现在PHA还没有得到广泛的应用，只是在医用方面有些许运用。还有很多的聚羟基脂肪酸的合成方式仅仅停留在实验阶段，远远没有达到工业化生产的要求，需要我国科学家继续孜孜不倦的进行探索与试验。从2017年至今，国韵生物、意可曼、天安生物、南天、美国Metabolix、英国ICI、德国Basf等都先后投入PHA领域，预计到2022年PHA的产能将有很大的提升，将可在一次性塑料产品的替代方面发挥重要作用。

PHA在包装行业及禁塑替代中的应用

作为一种新型全生物降解材料， PHA既可以制成薄膜也能纺成纤维，因此可广泛应用于农用大棚遮光膜、医学药品包装、卫生用品、控制药物稀释载体以及特殊包装等领域。用聚羟基脂肪酸材料制成的一次性制品， 与普通塑料的一次性制品性能相似，但其废弃物在土壤中较塑料制品很容易被如细菌、放线菌、支原体、藻类等众多微生物分解成二氧化碳和水，被微生物所吸收，并用于其生命活动，丝毫不污染环境，具有环境友好性，因此在未来的包装领域聚羟基脂肪酸具有非常宽阔的应用前景。由于聚羟基脂肪酸拥有很好的生物相容性，因此它可用作医院手术伤口的缝合线及控制药物稀释速度的载体。在农业领域，PHA可以被看作天然的复合材料，可以在土壤中自然降解，可用于加载农肥，做杀虫剂除草剂的载体，种子涂覆等方面。在物流运输包装领域，PHA材料可以制成包装箱、集装箱、托盘甚至与纸复合做成的快递箱，这些各种箱型不仅环保而且还能回收利用;在机械零件领域，PHA可以单独通过3D打印技术制造零件，还可以与其他金属混合制造出具有优良性能的复合金属  材料。

除此之外，以PHA为材料制成的薄膜可以用于保鲜、盛装包裹商品甚至农业种植等，由PHA制成的零件还能广泛用于航天航空等机械领域，PHA在控制药物释放等方面的研究也有很多，但由于现有的缓释给药产品大多会通过快速水解而降解，因此PHA还不能完全实现长效地控制药物释放，但这也是PHA的一个重要研究方向，是一个有待深度开发的处女地。

聚羟基脂肪酸作为一种可降解的生物材料，可以与塑料一样应用于诸多禁塑替代领域，比如日常所用的各种塑料袋、包装袋，还可用于各种中空容器、注塑容器、捆扎带、标签、吹塑容器等。目前，我国在PHA的应用领域已经取得多项进展，很多发明专利与工艺已经投入企业进行小规模生产，如PHA纤维的制备工艺已经非常成熟，由PHA制得的纤维可以代替尼龙、涤纶、丙纶等化学纤维广泛应用于造纸或织成纤维层，制造出来的PHA纤维较其他的纤维材料更加环保和可降解。通过注塑和各种成膜方法制备出的PHA膜，可以应用于农业、航天、医学上的包装，此外PHA在包装瓜果蔬菜方面有着独特的优势，因为在日常生活中，餐厨垃圾是垃圾来源的重要途径，而由PHA制成的包装在随着餐厨垃圾埋入地下后，较其他包装材料更加容易降解。

PHA通过流延挤出成型制备成的塑料膜具有很好的阻隔性能，可以有效地防止液体的泄露或气体的进入，因此可以用于婴儿使用的一次性尿布，或者一些液体的防漏包装、包装金属的收缩性薄膜，或者冷冻食品包装、五金产品包装、货盘包装、PHA瓦楞纸复合纸箱等或者小零食贮存袋、酸奶牛奶袋、垃圾袋、纤维包装袋、日化用品包装  袋等。

因为PHA有良好的复合性，它可以与其他材料复合使用，比如PHA可以与纸张复合，制造具有特殊性能的包装纸，还能与铁铝锡等金属材料复合，也能与粉煤灰复合进而改善PHA的热性能和韧性，PHA还能与硅酸钙复合，用以提升PHA的降解速度并且还能解决PHA降解后pH值过低的问题，PHA还能与一些无机固化剂复合，制造具有防水功能的涂料。

PHA的各种各样的功能為包装行业提供了一个全新的研究方向，随着科学的进步，PHA在包装行业与禁塑替代领域的应用也会越来越多，越来越广，为禁塑提供重要的支撑作用。

结束语

20世纪初，法国科学家从微生物细胞中首次发现PHB颗粒以来，经过40多年的不断发展，到目前为止，至少发现了150种不同结构的聚羟基脂肪酸单体，随着科学技术的不断进步与设备的不断更新，通过不同的发酵底物、不同的菌种、不同的环境条件以及基因合成改性等物理化学调控方法，将会有更多的不同结构的PHA单体被人们所发现和了解。从1980年起，出于国家对生态环境的重视和科学发展观概念的提出，与绿色可持续发展理念被越来越多的人们所接受，我国很多中小型企业便开始了对PHA的研究和工业化生产的探索，到目前为止已经取得了一些突破性的成就，一些聚羟基脂肪酸单体已经逐渐的可以工业化生产。PHA作为一种低碳材料，同塑料、金属等材料相比，其具有可生物降解的性能，在未来能够很大程度代替塑料成为人们日常生活中必不可少的包装材料，可以有效减少白色污染，以及其他包装材料废弃处理所造成的二次污染。

PHA材料品种和结构的多样化，为其在通用塑料领域和生物相容方面的应用提供了无限的可能，其在环保绿色无与伦比的优势既符合当下社会发展科技进步的需要，又符合人们日益增长的对美好生活和美好环境的向往。随着PHA材料产业化的不断发展，生产工艺流程的优化，产品质量与数量的进一步稳定，产品成本的进一步降低，当越来越多的PHA材料被人们所认知，越来越多的PHA复合材料被人们研究出来，我相信，可降解PHA材料必将取代塑料产品，具有更好的市场前景。

作者单位：河南科技大学包装工程系

责任编辑：王蕾 wl@cprint.cn