塑料现在在我们的生活中无处不在，如果没有这些重量轻、易于成型、坚固、便宜、耐用且易于获得的材料，我们现代社会的系统将无法运行。然而，我们在设计此类有用材料方面的成功带来了一个系统性问题，每年有大量的塑料泄漏到环境和海洋中。这个问题非常明显，以至于斯德哥尔摩弹性中心的研究人员将其视为行星边界威胁。
全球和地方为解决塑料污染所做的努力既紧迫又多维度，可生物降解塑料发挥着越来越重要的作用。PHA（聚羟基链烷酸酯）是一种具有重要意义的生物塑料。因为它下既是生物基的，又可在环境条件下生物降解，使其成为真正的“绿色”塑料。其卓越的性能，以及不会在环境中积累，作为一种商用塑料它的前景令人兴奋。
1.PHA——未来的塑料
世界现在每年生产近 4 亿吨塑料，其中大部分最终被填埋。这种塑料垃圾的广泛性和非常明显的性质正在推动人们对生物塑料的兴趣，以此来最大程度地减少我们的塑料消费对环境造成的影响。
PHA 被认为是未来的生物塑料。它们展示了绿色塑料的所有特征：它们是生物基、生物合成、在自然环境中可生物降解、可堆肥和生物相容性。生物降解性是 PHA 最有趣的特性。另一种生物塑料聚乳酸 (PLA) 是目前用量最多的生物衍生聚合物，但只能在工业堆肥设施中分解。另一方面，PHA 将在周围环境中生物降解，甚至在海洋中。它们在氧气存在下降解为二氧化碳和水，在厌氧降解中降解为甲烷，避免了微/纳米塑料的积累。
PHA 具有与目前广泛应用的石化塑料相似的性能特征，预计迟早会与石化衍生塑料竞争。事实上，全球 PHA 市场已估计为 6200 万美元（2020 年），预计到 2025 年将达到 1.21 亿美元，在 2020 年至 2025 年间以 14.2% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。这部分是因为 PHA 产品的应用范围很广。
PHA 已获准用于食品接触，可用于托盘、餐具和吸管；它作为模压玩具和眼镜架的材料服务于具有生态意识的市场；它的生物相容性使其适用于许多生物医学应用；并且真正可降解，它对包装和农业应用特别有用。严格的环境法律和客户意识等因素正在推动这些市场。
2.PHA 塑料生产的独特之处
PHA 生产技术在（生物）塑料生产中是独一无二的。它依赖于生物过程工程，涉及微生物培养物在细胞内形成 PHA 作为碳和能量储存的生物过程。聚合全部由微生物完成；不涉及化学合成。合成方式存在许多变化，但 PHA 的生产基本上遵循以下四个不同的过程阶段：
• 成长与积累。给细菌培养物喂食碳源（例如糖）以促进生物质生长，从而增加微生物培养物的浓度。然后培养物被剥夺必需的营养物质（如磷、氮甚至氧），这会抑制培养物的繁殖，促使碳源在细胞内作为 PHA 储存（PHA又被称为细菌的脂肪）。
• 从液体中分离培养物。一旦形成 PHA，就收集并干燥富含 PHA 的微生物培养物，为 PHA 提取做准备。通过添加诸如硫酸的物质来停止培养物的代谢，以防止细菌代谢细胞内的PHA 。
• 从生物质中回收 PHA。从生物质中提取 PHA，通常使用从生物质中剥离 PHA 的溶剂。一旦从溶液中的生物质中提取 PHA，就需要将其与细胞碎片分离。
• 干燥和造粒。除去溶剂后，将分离的PHA洗涤并干燥，然后通过挤出机造粒。粒状 PHA 可用于包装和市场销售。
3.极端微生物，解决商业生产的两个关键挑战
PHA 的全球市场正在迅速接近 1 亿美元。但现实情况是，用于商业生产的生物技术仍然受到以下因素的限制：维持 PHA 微生物的纯培养的挑战；以及与冷却高度放热的生物过程相关的能源成本。
最近的发展表明，极端微生物——在极端环境中茁壮成长的细菌和古生菌——可以用来解决这些问题。例如，使用嗜热菌涉及在高温下运行，这确保了足够的温差以允许使用冷却水而不是昂贵的制冷剂。并且使用嗜盐菌（具有高耐盐性的生物）可以在高盐条件下进行生物生产，从而无需灭菌即可排除污染。
4.甘蔗生产 PHA 的技术经济评估
鉴于对 PHA 的热情，以及最近在使用极端微生物生产 PHA 方面的发展，我们与黄金海岸市议会合作，考虑从蔗糖生产 10,000 吨/年 PHA 的技术经济学，来自澳大利亚昆士兰的甘蔗。所提出的技术依赖于使用Haloferax mediterranei（一种嗜盐古细菌）来产生细胞内 PHA。
使用嗜盐菌的好处是：
• 通过在高盐度培养中培养生物体，竞争生物体将不会生长，并且我们能够维持 PHA 蓄积物的富集培养。这避免了对饲料进行消毒的需要。
• 从细胞中提取 PHA 更简单、更便宜，因为细胞在暴露于新鲜（或低盐水）水时会因渗透性休克而破裂。
• 原料以甘蔗的形式提供，需要进行制备，以便蔗糖可用于 PHA 生产过程；将 90% 的蔗糖溶液送入生物处理单元。将浓缩的蔗糖溶液与足够的盐一起送入生物反应器，以维持嗜盐菌生长所需的盐浓度。
该工艺采用两阶段生物反应工艺。第一阶段包含两个平行的生长反应器，以维持Haloferax mediterranei的最佳生长条件；第二阶段包含五个串联的 PHA 积累生物反应器，在氮限制下运行，以促进 PHA 的生产。
来自蓄积反应器的盐水/电池混合物通过水力旋流器分离。然后将盐水循环回生长反应器，并用水洗涤含有PHA的细胞团部分。由于细胞中的高渗透压，细胞在水洗过程中破裂并释放 PHA 颗粒。然后将它们在水平两相分离器中分离。过滤非 PHA 生物质部分以去除生物质，并且不含生物质的水可以在水洗中重复使用。来自分离器的含有 PHA 的部分在被造粒之前被干燥。
经济评估表明，年产能为 10,000 吨 PHA 的工厂的资本投资为 865 万美元。包括原材料、公用事业和劳动力在内的运营成本导致生产成本为 2.5 美元/公斤。生产成本以蔗糖原料为主，占运营成本的 60% 以上。该成本是基于当前商品糖的相对较高价格，并且有机会通过使用在糖厂结晶糖之前获得的更便宜的蔗糖溶液来降低该成本。假设 PHA 的销售额为 4.30 美元/公斤，这些初始成本表明，用糖生产 PHA 在经济上是可行的，人们可以期望在 2.5 年内收回投资（投资回报率为 40%）。
5.需要进行产能建设以促进生物塑料的大规模生产
PHA 和更普遍的生物塑料的前景显然是光明的，预计生物塑料制造除了积极的环境成果外，还将产生显着的经济和就业效益。据估计，仅在欧洲，该行业的就业人数到 2030 年就可能增加十倍以上。
但伴随着这些好处而来的是潜在挑战，包括与食品生产的原料竞争以及与回收和废物管理系统的兼容性。在澳大利亚，我们正在通过澳大利亚研究委员会新的生物塑料和生物复合材料工业转型培训中心等举措为这一前所未有的增长和相关挑战做准备，它汇集了整个价值链的行业和研究人员——从资源开发到产品设计再到报废管理。这个耗资 1300 万澳元的中心由昆士兰大学化学工程学院领导，旨在提供可持续的整体解决方案，但重点是进一步的技术开发——包括 PHA 生产技术和新 PHA 产品的制造，包括柔性薄膜等，用于新的生物经济。
