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PHA产业化仍面临三大难题——访清华大学生命科学院教授 陈国强
2022年12期 发行日期:2022-06-16
作者:■ 常晓宇

  近日,国家发改委印发的《“十四五”生物经济发展规划》指出,要发展面向绿色低碳的生物质替代应用。聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为一种综合性能优异的生物可降解塑料已引起广泛关注。当前,PHA产业化方面存在哪些难题?未来应在哪些方面多下功夫?近日,清华大学系统与合成生物学中心主任、生命科学院教授陈国强接受了本刊记者的独家专访。

应用前景具备多样性

  【CCN】在您看来,《“十四五”生物经济发展规划》的出台能给生物可降解材料带来哪些利好?

  【陈国强】我仔细研究了《“十四五”生物经济发展规划》,其中多次提到了生物可降解材料和生物材料,这说明国家层面上对生物可降解材料是非常重视的。中国每年塑料消费量占全球的1/4,其中近半数是一次性塑料制品,这对环境的破坏是显而易见的。当前,虽然人们也在用可再生塑料来替代传统塑料,以实现循环利用,但事实上要实现真正的循环利用并执行好并不容易。所以,相对来说生物可降解材料是比较可行的解决塑料污染的方法。

  此次《“十四五”生物经济发展规划》专门提出要发展面向绿色低碳的生物质替代应用,说明国家也意识到了发展这一产业的重要性。生物经济与生物可降解材料发展是非常紧密相关的,PHA、PCL等生物可降解材料对于整个生物经济的发展具备很大的推动作用。

  【CCN】作为碳中和得分最高的生物可降解塑料,近几年来PHA已吸引诸多企业涉足,行业发展趋势如何?

  【陈国强】PHA材料之所以碳中和得分最高,一方面是由于在其生产过程中除了提取时需要干燥外,其他过程基本上都是在水中进行的,基本没有太高的温度和压力,整体很温和;另一方面,PHA材料的结构比较多样化,有150种不同单体,因此也具有多样化的性能,应用场景也可以比较多。

  近年来,从事PHA的企业越来越多,国外成立了一个名为“Global PHA”的组织,注册企业47家,此外,还存在没有注册的PHA企业。据此预计现在全球从事PHA研究生产的企业至少有五六十家了。

产业化、大规模量产仍面临难题

  【CCN】目前,PHA在产业化方面还存在哪些障碍?

  【陈国强】PHA产业化最大的一个难题就是生产成本。它之所以比PLA和PBAT贵,主要是由于其原料到产品的转化率比较低,理论上为48%,但实际上仅为30%~35%。因此,我们希望通过提高PHA的使用性能,与PLA、PBAT进行互补以提高其价值。例如,PLA刚性高,不好加工,PHA的多种性能恰恰可以作为补充;PBAT的降解速度较慢,这时可少量添加PHA加速其降解。这样即使PHA价格偏高,也有人愿意买单。

  第二个难题就是其加工温度不好控制。加工窗口比较窄,一般只有5℃~10℃。温度太高会热降解,温度太低又不容易加工,所以需要控制好加工条件。

  第三个难题是结晶速度慢。这也是所有生物降解材料的共性问题,要解决这个问题可以通过添加纳米碳酸钙、纳米碳纤维等方式实现。


  【CCN】您在PHA大规模量产方面有哪些心得体会?

  【陈国强】PHA的量产实际上就是一个生物过程放大的问题。与化工放大不同的是,生物过程放大有一个供氧过程,其中必须保证足够的氧气供应,微生物才能够长得好。而在大发酵罐和小发酵罐中的空气供应是不同的:一是大反应罐中升温至最佳温度的时间较长,而小发酵罐所需升温时间则较短,且在温度发生变化后能较快恢复平衡;二是大发酵罐中的氧气不如小发酵罐中混合得充分;三是大发酵罐中要保持长时间无菌操作的难度比在小发酵罐中更大。所以,PHA大规模量产在大体积容器中要维持一个恒定条件,会比在小体积容器中难很多。

  目前,我们团队从事PHA生物放大有5~10年了,已经取得了一系列成果,并有能力进行千吨级、万吨级的量产。但是,需要注意的是,PHA量产不是一个简单的过程。过去的量产尝试中,期间采取了很多放大的措施,但经常会出现在实验室能够顺利制备、一工业放大就不太成功的问题。我们也在这个过程中不断地积累经验、寻找原因。由于只要改变反应过程中任意一个因素(如发酵罐的尺寸、搅拌方式、通气方式、放大级别等),就需要再重新摸索,仅仅依靠模拟和计算,是无法与在放大过程中的实际情况完全一致的,所以量产也是非常需要持续积累经验的。经过多年的积累,我们团队在去年就已经完成了200吨的发酵罐量产,这是当前全世界规模最大的,也让千吨、万吨级量产成为可能。

未来有三项研发重点

  【CCN】近几年,您所在的研究团队在PHA方面取得了哪些成绩?未来几年的研发重点是什么?

  【陈国强】我们团队基于嗜盐菌构建的生物制造系列核心技术平台——下一代工业生物技术,解决了发酵生产中高耗能、易染菌、过程复杂、产物难提取、生产成本高等难题,是目前唯一一种不用灭菌就能进行发酵生产PHA的技术。

  防止染菌是大规模发酵中最难的一个问题,对人员素质、工艺稳定性及设备的要求都非常严格。由于采用了新的下一代工业生物技术后不需要再进行灭菌,所以放大过程中的许多难度和风险便大幅降低了。

  我们未来的研发重点有三项:一是进一步提高PHA的转化率,降低其成本;二是采用一些廉价的生物原料废弃物做成原料进行生产,提高产品的制造水平,以降低成本,提高其竞争力;三是进一步做好PHA材料的多样性,以获得更多应用。目前,世界上做PHA产业化的原料大概只有三四种,而PHA材料本身具备150个单品,所以其组成基本上可以是无限的。未来几年,我们将继续扩大PHA的多样性。


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