全生物降解材料PHA在包裝行業(yè)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(tài)環(huán)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(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，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(jīng)發(fā)現(xiàn)證實的PHA聚酯有至少130種不同的單體結(jié)構，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用前景，各國科學家都對PHA進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，也不會污染環(huán)境，這個發(fā)現(xiàn)為禁塑令背景下一次性塑料產(chǎn)品領域以PHA進行替代呼聲漸起，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℃，其熔點為+40℃～190℃，它對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(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(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用最廣、效果最好、成本較低的生產(chǎn)PHA的流程工藝，我國的PHA生產(chǎn)廠家基本也是運用這種方法生產(chǎn)的?；钚晕勰嗯囵B(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(chǎn)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(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(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用，只是在醫(yī)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(yè)化生產(chǎn)的要求，需要我國科學家繼續(xù)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(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(nóng)用大棚遮光膜、醫(yī)學藥品包裝、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(huán)境，具有環(huán)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(yī)院手術傷口的縫合線及控制藥物稀釋速度的載體。在農(nóng)業(yè)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(nóng)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(huán)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(yōu)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(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(xiàn)有的緩釋給藥產(chǎn)品大多會通過快速水解而降解，因此PHA還不能完全實現(xiàn)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(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(jīng)取得多項進展，很多發(fā)明專利與工藝已經(jīng)投入企業(yè)進行小規(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(huán)保和可降解。通過注塑和各種成膜方法制備出的PHA膜，可以應用于農(nóng)業(yè)、航天、醫(yī)學上的包裝，此外PHA在包裝瓜果蔬菜方面有著獨特的優(yōu)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(chǎn)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(yè)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(yè)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(jié)束語

20世紀初，法國科學家從微生物細胞中首次發(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(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調(diào)控方法，將會有更多的不同結(jié)構的PHA單體被人們所發(fā)現(xiàn)和了解。從1980年起，出于國家對生態(tài)環(huán)境的重視和科學發(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，我國很多中小型企業(yè)便開始了對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(huán)保綠色無與倫比的優(yōu)勢既符合當下社會發(fā)展科技進步的需要，又符合人們?nèi)找嬖鲩L的對美好生活和美好環(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)量的進一步穩(wěn)定，產(chǎn)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(chǎn)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