全生物降解材料PHA在包裝行業及禁塑替代中的應用淺析

魏風軍 張俊楠

當今社會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，對我們的生態環境造成了很大的損害。隨著國家禁塑令以及各省對于白色污染治理相關政策的出臺，一次性塑料相關產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品逐漸被科學家們挖掘出來，這些材料具有來源豐富、支持生物降解等優點，有著廣闊的應用前景。

PHA材料簡介

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。在細菌細胞等微生物細胞中，存在著一種高分子聚酯，它就是聚羥基脂肪酸。迄今為止，已經發現證實的PHA聚酯有至少130種不同的單體結構，并且新的單體還在源源不斷地被人們所發現。PHA有一些特殊的性能，包括生物可降解性、生物相容性、環境友好性等。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用前景，各國科學家都對PHA進行了很多工藝流程開發和具體性能探索。

聚羥基脂肪酸的最大的特點是，在堆肥、土壤、海水等幾乎所有環境中都可以被微生物分解，并且分解后的產物大多都是水和碳基，也不會污染環境，這個發現為禁塑令背景下一次性塑料產品領域以PHA進行替代呼聲漸起，也為一次性塑料產品的禁塑替代提供了一種實現塑料產品的綠色可持續發展的思維。

PHA的分子量為1000～1000000，玻璃態溫度為-60℃～+60℃，其熔點為+40℃～190℃，它對水蒸氣和空氣中大多數氣體的阻隔性能類似于PET，聚羥基脂肪酸在淡水中穩定，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，對環境也沒有二次污染，因此可以代替諸多一次性產品的石油塑料作為大多數物品的包裝材料。

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，但是在不同的環境所擁有的微生物活性及其群落數量有所不同，因此PHA的降解速度也有所區別。

②環境里擁有足夠多的水分、氧氣、礦物質和葡萄糖等微生物存活所需要的養分，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需要進行呼吸運動，因此需要氧氣、水分和葡萄糖等提供呼吸運動的原料。

③對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，當聚合物分子量降到500g/mol以下時，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的環境下或在淡水中PHA是不會被降解的。

目前的聚羥基脂肪酸大多都是在活性污泥培養基中合成的。活性污泥工藝是積累聚羥基脂肪酸的一種應用最廣、效果最好、成本較低的生產PHA的流程工藝，我國的PHA生產廠家基本也是運用這種方法生產的?；钚晕勰嗯囵B基內繁殖的微生物在不同氧氣環境都可以發揮作用，其主要是通過微生物的生命活動進行的，微生物在厭氧階段消耗有機碳源并合成PHA，在好氧條件下，之前在厭氧階段產生的PHA可作為能源和碳源的儲存物維持微生物生命體的基本生命活動。

聚羥基脂肪酸只能在微生物的細胞體內合成。各種各樣的蛋白質參與了PHA的產生。PHA合成酶在聚羥基脂肪酸形成的過程中起著關鍵作用。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途徑以及其他相關途徑。

目前我國擁有完整的PHA生產鏈的企業只有為數不多的幾家，PHA的產量還略有不足，生產成本也較塑料等材料較高，因此到現在PHA還沒有得到廣泛的應用，只是在醫用方面有些許運用。還有很多的聚羥基脂肪酸的合成方式僅僅停留在實驗階段，遠遠沒有達到工業化生產的要求，需要我國科學家繼續孜孜不倦的進行探索與試驗。從2017年至今，國韻生物、意可曼、天安生物、南天、美國Metabolix、英國ICI、德國Basf等都先后投入PHA領域，預計到2022年PHA的產能將有很大的提升，將可在一次性塑料產品的替代方面發揮重要作用。

PHA在包裝行業及禁塑替代中的應用

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，因此可廣泛應用于農用大棚遮光膜、醫學藥品包裝、衛生用品、控制藥物稀釋載體以及特殊包裝等領域。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，絲毫不污染環境，具有環境友好性，因此在未來的包裝領域聚羥基脂肪酸具有非常寬闊的應用前景。由于聚羥基脂肪酸擁有很好的生物相容性，因此它可用作醫院手術傷口的縫合線及控制藥物稀釋速度的載體。在農業領域，PHA可以被看作天然的復合材料，可以在土壤中自然降解，可用于加載農肥，做殺蟲劑除草劑的載體，種子涂覆等方面。在物流運輸包裝領域，PHA材料可以制成包裝箱、集裝箱、托盤甚至與紙復合做成的快遞箱，這些各種箱型不僅環保而且還能回收利用;在機械零件領域，PHA可以單獨通過3D打印技術制造零件，還可以與其他金屬混合制造出具有優良性能的復合金屬? 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業種植等，由PHA制成的零件還能廣泛用于航天航空等機械領域，PHA在控制藥物釋放等方面的研究也有很多，但由于現有的緩釋給藥產品大多會通過快速水解而降解，因此PHA還不能完全實現長效地控制藥物釋放，但這也是PHA的一個重要研究方向，是一個有待深度開發的處女地。

聚羥基脂肪酸作為一種可降解的生物材料，可以與塑料一樣應用于諸多禁塑替代領域，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、標簽、吹塑容器等。目前，我國在PHA的應用領域已經取得多項進展，很多發明專利與工藝已經投入企業進行小規模生產，如PHA纖維的制備工藝已經非常成熟，由PHA制得的纖維可以代替尼龍、滌綸、丙綸等化學纖維廣泛應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，可以應用于農業、航天、醫學上的包裝，此外PHA在包裝瓜果蔬菜方面有著獨特的優勢，因為在日常生活中，餐廚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、五金產品包裝、貨盤包裝、PHA瓦楞紙復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。

因為PHA有良好的復合性，它可以與其他材料復合使用，比如PHA可以與紙張復合，制造具有特殊性能的包裝紙，還能與鐵鋁錫等金屬材料復合，也能與粉煤灰復合進而改善PHA的熱性能和韌性，PHA還能與硅酸鈣復合，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還能與一些無機固化劑復合，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提供了一個全新的研究方向，隨著科學的進步，PHA在包裝行業與禁塑替代領域的應用也會越來越多，越來越廣，為禁塑提供重要的支撐作用。

結束語

20世紀初，法國科學家從微生物細胞中首次發現PHB顆粒以來，經過40多年的不斷發展，到目前為止，至少發現了150種不同結構的聚羥基脂肪酸單體，隨著科學技術的不斷進步與設備的不斷更新，通過不同的發酵底物、不同的菌種、不同的環境條件以及基因合成改性等物理化學調控方法，將會有更多的不同結構的PHA單體被人們所發現和了解。從1980年起，出于國家對生態環境的重視和科學發展觀概念的提出，與綠色可持續發展理念被越來越多的人們所接受，我國很多中小型企業便開始了對PHA的研究和工業化生產的探索，到目前為止已經取得了一些突破性的成就，一些聚羥基脂肪酸單體已經逐漸的可以工業化生產。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日常生活中必不可少的包裝材料，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材料品種和結構的多樣化，為其在通用塑料領域和生物相容方面的應用提供了無限的可能，其在環保綠色無與倫比的優勢既符合當下社會發展科技進步的需要，又符合人們日益增長的對美好生活和美好環境的向往。隨著PHA材料產業化的不斷發展，生產工藝流程的優化，產品質量與數量的進一步穩定，產品成本的進一步降低，當越來越多的PHA材料被人們所認知，越來越多的PHA復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品，具有更好的市場前景。

作者單位：河南科技大學包裝工程系

責任編輯：王蕾 wl@cprint.cn